粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)的研制

李軍利，張小潔，林育陽(yáng)，高原

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000;2.陜西省機(jī)械研究院，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

雙速液壓閥盤(pán)是液壓馬達(dá)部件中技術(shù)含量較高的零部件，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、注塑機(jī)械、石油煤炭機(jī)械、漁業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域的液壓馬達(dá)中。由于雙速液壓馬達(dá)高速和低速的扭矩特性優(yōu)于普通液壓馬達(dá)，所以它的應(yīng)用前景非常好。

采用粉末冶金技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)精密鑄造工藝，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)切削加工、節(jié)能、節(jié)材、無(wú)環(huán)境污染、成本低、高效的先進(jìn)生產(chǎn)制造工藝。粉末冶金技術(shù)是采用成形和燒結(jié)工藝將金屬粉末制成材料和制品的工藝技術(shù)，屬于綠色環(huán)保的高新技術(shù)。粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)產(chǎn)品形狀復(fù)雜，在成型和后續(xù)加工中需要解決很多技術(shù)難題，因而，具有很高的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。

1 雙速液壓閥盤(pán)技術(shù)要求

1）測(cè)繪經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的精密鑄造件—雙速液壓閥盤(pán)（設(shè)計(jì)原型），按照粉末冶金機(jī)械零件的成型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和繪制出粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)產(chǎn)品圖樣，如圖1所示。

圖1 粉末冶金雙速液壓盤(pán)產(chǎn)品圖樣

2）按照粉末冶金機(jī)械零件制造要求，采用鐵—銅—碳合金材料，經(jīng)過(guò)熱處理，達(dá)到產(chǎn)品使用要求。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:毛坯密度大于6.80g/cm3;熱處理HRC30-46;產(chǎn)品形狀尺寸符合圖紙要求。

2 材料選擇及成分配比

1）原材料選擇

按照雙速液壓閥盤(pán)技術(shù)要求，主原材料可采用武鋼還原鐵粉或鞍鋼霧化鐵粉。作為還原鐵粉其顆粒形狀一般為不規(guī)則海綿狀、易成型，缺點(diǎn)是毛坯密度不易提高;霧化鐵粉顆粒形狀一般為球狀、成型性相對(duì)差，優(yōu)點(diǎn)是毛坯密度可以提高。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，成型性好，密度要求高。因此，采用-100目霧化鐵粉。輔原材料銅粉:采用-325目電解銅粉，其顆粒形狀為樹(shù)枝狀，有利于配料均勻和改善燒結(jié)性能。輔原材料石墨粉:采用膠體石墨，其基體顯微組織明顯優(yōu)越天然磷片石墨。

成型劑采用粉末冶金制品生產(chǎn)過(guò)程中常用的-325目工業(yè)純硬脂酸鋅和工業(yè)用20#液壓機(jī)油。

2）成分配比如表1所示。

表1 粉末冶金各種成分配比表

3 工藝設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 壓制成型工藝

a）成型模的設(shè)計(jì)

壓坯的設(shè)計(jì)包括壓坯形狀設(shè)計(jì)、壓坯的精度設(shè)計(jì)和密度設(shè)計(jì)。

形狀設(shè)計(jì)必須考慮壓坯形狀是否適于壓制成形，毛坯形狀如圖1。

壓坯精度取決于制品的精度、硬度和制造工藝流程等因素。制品的精度要求越高，壓模精度也越高，雙速液壓閥盤(pán)壓模以陰模內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，上下模沖以陰模內(nèi)孔定位;型芯以下模沖的內(nèi)孔定位，陰模固定，其余零件可沿徑向自動(dòng)調(diào)心。上模沖與陰模的配合間隙0.02mm，其余零件配合間隙一般小于0.01mm。

壓坯密度設(shè)計(jì)不僅影響產(chǎn)品物理機(jī)械性能，也影響壓坯的成品率和生產(chǎn)效率。考慮產(chǎn)品品質(zhì)、性能及成本，雙速液壓閥盤(pán)密度設(shè)計(jì)為大于6.80g/cm3:密度差設(shè)定為0.05g/cm。

b）成形模具設(shè)計(jì)計(jì)算

1）壓模參數(shù)的選擇

壓縮比和裝料比:

壓縮比（K）是粉末松裝體積和它的壓坯體積之比，在數(shù)值上等于粉末的松裝高度和壓坯高度之比:

圖2所示閥盤(pán)制品是多臺(tái)壓坯，在壓制時(shí)為使各臺(tái)階部分的密度一致，同一壓坯的各臺(tái)階部分的壓縮比應(yīng)相等，即:K=2.15

壓坯的彈性后效:

壓坯的彈性后效，分為徑向和軸向兩種，本制品實(shí)測(cè)計(jì)算彈性后效值為10%。

燒結(jié)收縮率:

燒結(jié)收縮率是壓坯燒結(jié)后的收縮量與壓坯燒結(jié)前尺寸之比。即:

本制品計(jì)算燒結(jié)收縮率為1.0%。

切削加工余量:

本制品上下端面的加工余量各為0.30～0.35mm，外圓的加工余量0.5mm。

2）壓模零件尺寸計(jì)算

壓坯高度計(jì)算如下:

總高度為:56mm;陰模裝粉高度為:70mm。

陰模內(nèi)徑的計(jì)算:66.75×（1-10%+6%）=66.5

方形孔內(nèi)、外徑的計(jì)算:

37.275×（1-1%+0.6%）=37.12 取37.1

60.075×（1-1%+0.6%）=59.83 取59.80

漸開(kāi)線花鍵盲孔尺寸的計(jì)算:

19.19×（1-1%+0.6%）=19.11 取19.10

模沖內(nèi)外徑的確定:內(nèi)徑按基軸制選正公差，外徑按基孔制選負(fù)公差。

c）產(chǎn)品壓制壓力設(shè)計(jì)

壓坯的承壓面積:S=6.65×6.65×3.14/4=34.7CM2

壓制壓力計(jì)算:P=S×p=34.7×5=173.5t

d）壓制成型

本制品壓制工藝參數(shù)為:

工藝單重:492+0.5g;

壓制壓力:180～200t;

密度控制:6.75～6.85g/cm3;

高度控制:總高26.1±0.10;6個(gè)方孔深度:18.3±0.10;花鍵盲孔深:9.2±0.10。

e）毛坯、壓機(jī)、模具照片

毛坯、壓機(jī)、模具分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 毛坯

圖3 壓機(jī)

圖4 成型模具

3.2 燒結(jié)工藝

1）要保證產(chǎn)品技術(shù)要求和對(duì)應(yīng)機(jī)械性能要求，燒結(jié)工藝:在保護(hù)氣氛為分解氨的網(wǎng)帶燒結(jié)連續(xù)爐中燒結(jié)。燒結(jié)工藝參數(shù)為:預(yù)燒區(qū)溫度900℃，燒結(jié)區(qū)溫度1150℃，預(yù)冷區(qū)溫度950℃，網(wǎng)帶速度85mm/min。

燒結(jié)檢測(cè)結(jié)果:①化學(xué)成分符合要求;②燒結(jié)硬度平均值HRB45-55;③燒結(jié)后密度平均值大于6.9g/cm3。

3.3 零件加工工裝（圖5，圖6）

圖5 機(jī)械加工工裝

圖6 成品圖

3.4 熱處理及精磨削工藝

1）經(jīng)過(guò)進(jìn)口奧地利廂式多用爐進(jìn)行C-N共滲熱處理。工藝如下:

① 在900℃，C-N共滲6h，160℃回火2h;② 滲層深度:3mm;③表面硬度控制:HRC42～HRC48。

2）雙面精磨工藝:經(jīng)過(guò)熱處理的零件，通過(guò)端面磨床對(duì)兩個(gè)需要精磨的端面進(jìn)行粗磨。留得精磨余量0.03～0.05mm。采用雙面精磨磨床保證零件平行度和平面度。

3.5 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程

原材料—配料—成型—燒結(jié)—整形—機(jī)加工—熱處理—檢驗(yàn)—包裝。

4 技術(shù)創(chuàng)新及先進(jìn)性

1）采用“成型—燒結(jié)—機(jī)械加工—熱處理—精磨削”粉末冶金制造工藝技術(shù)滿足了粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)產(chǎn)品的尺寸、性能和品質(zhì)要求。

2）成功設(shè)計(jì)和制造了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、合理、生產(chǎn)效率高的成型模具。

3）成功設(shè)計(jì)和制造了機(jī)械加工工裝和檢測(cè)工具，保證了最終產(chǎn)品要求。

5 結(jié)論

1）粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)的研制過(guò)程是成功的。試制的產(chǎn)品性能完全滿足用戶要求。

2）粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)生產(chǎn)過(guò)程是多技術(shù)工藝的有機(jī)結(jié)合。在粉末成型、燒結(jié)、機(jī)加工、熱處理和精密磨削等方面，使用的工裝和設(shè)備配置合理，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

3）粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)實(shí)際使用，表現(xiàn)出優(yōu)良的性能:流量、壓力、轉(zhuǎn)速合格，內(nèi)卸小、噪音小、扭矩大、耐磨損、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)。

4）粉末冶金雙速液壓閥盤(pán)具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，該產(chǎn)品的研制成功和產(chǎn)業(yè)化必將帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5）在研制和試生產(chǎn)過(guò)程中，個(gè)別工序和環(huán)節(jié)仍存在人為操作和工裝設(shè)備不到位現(xiàn)象，技術(shù)需要繼續(xù)完善和改進(jìn)。

［1］王望予主編.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］徐潤(rùn)澤主編.粉末冶金結(jié)構(gòu)材料學(xué)［M］.長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［3］韓風(fēng)麟主編.粉末冶金模具模架實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998.

［4］張華誠(chéng)主編.粉末冶金實(shí)用工藝學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.