粉末冶金行星齒輪架的國產化分析與展望

(上海電機學院 汽車學院, 上海 200245)

粉末冶金行星齒輪架的國產化分析與展望

潘慶慶

(上海電機學院 汽車學院, 上海200245)

分析了國內外粉末冶金行星齒輪架的發展現狀,從原材料選擇、成形工藝、燒結釬焊及批量檢驗四個方面研究行星架國產化批量生產的技術難點,選擇適合國內批量生產的粉末冶金生產方式,再根據研究結果進行成本與效益分析,驗證了粉末冶金行星齒輪架的國產化可行性.

粉末冶金; 行星齒輪架; 國產化

0 前 言

隨著中國汽車市場的迅速發展,汽車行業的競爭越來越激烈,降低價格成為各大汽車廠商提高市場競爭力的主要策略.以成本管理作為主要手段,伴隨著整車成本的逐漸降低,零部件的價格也在不斷降低.為了保證產品質量,在傳統生產方法上進行改進已不能滿足產品的低價需求,必須以全新的生產方式追求質量更輕、性能更好、效率更高的產品.

行星齒輪傳動系統由于單位體積可傳遞的功率、轉矩較大而廣泛用于汽車、飛機、重型機械的變速箱以及各種其他工業設備,它在由大轉矩質量比而產生大的減速度時,用來限制軸承負荷及減低振動和噪音.其中,行星齒輪架是整個行星齒輪系統中承受外力矩最大的零件.其結構設計和制造質量對各行星輪間的載荷分配以至傳動裝置的承載能力、噪聲和振動有非常重要的作用.

1 粉末冶金行星架發展概況

目前國內的行星架生產大多數能通過鑄造和精加工來完成,由此生產出來的產品重量大、制造成本高,且生產效率低,無法滿足大批量生產的要求,導致該零件主要依賴進口.而國外已經在上世紀90年代成功開發出粉末冶金的行星支架,其關鍵技術為燒結釬焊,該技術可以大大降低成本,減輕產品質量.燒結釬焊行星架由上下兩體分別壓制后組裝在一起,燒結和釬焊一次完成.隨著汽車市場的不斷發展,市場對自動變速箱的需求越來越大,使該零件的國產化工作迫在眉睫.

由于許多國外著名粉末冶金公司如GKN、米巴、PMG、保來得等紛紛在國內建立獨資和合資公司,已經有部分企業實現了粉末冶金行星齒輪架的批量生產,與此同時,國內粉末冶金公司的粉末冶金行星齒輪架也正在開發.

2 粉末冶金行星齒輪架國產化分析

粉末冶金行星齒輪架的技術難點主要在原材料選擇、成形工藝、燒結釬焊及批量檢驗這四個方面.

2.1 材料選擇

由于行星架屬于承載型的零件,有一定工作強度和載荷的要求,密度要求較高;而普通的還原粉壓縮性差,不能達到密度要求,所以需要采用霧化鐵粉來滿足要求.目前市場上的霧化鐵粉生產廠家主要有國內的鞍鋼、萊鋼和國外的赫格納斯、海格納士等.國產鐵粉與進口鐵粉相比仍有一定差距.同時,國外鐵粉生產廠家均已在國內成立公司,可以直接實現國內采購.

粉末冶金行星齒輪架的原材料鐵粉中通常添加碳、銅和潤滑劑等,采用常規混料方式進行混合,就可以滿足零件性能要求.根據美國MPIF協會標準,主要選用牌號見表1.

表1 粉末冶金材料成分與特性Tab.1 Composition and characteristics of powder metallurgical materials

表1中的各種牌號材料均可以在國內廠家或國外廠家中直接采購混合好的原材料,無需特別加工和處理.

2.2 成形工藝

粉末冶金行星齒輪架主要是由兩個粉末冶金零件焊接而成,分別是支撐架和法蘭,如圖1所示.

圖1 行星架示意圖Fig.1 Planetary carrier

單個零件的成形工藝屬于常規工藝,只需按照噸位和成形結構選擇相應的壓機.由于產品還需要焊接,對零件接觸表面的平面度要求比較高,需要選用進口壓機保證零件的穩定性和均勻性.常規的壓制結構和參數見表2.

表2 壓制結構與參數Tab.2 Pressing structure and parameters

進口液壓CNC壓機已經在國內比較普遍,只需要采購大噸位的壓機就可以實現生產.模具設計和生產也完全可以在國內找到相關供應商.

2.3 燒結釬焊

燒結釬焊是在真空或控制(還原性)氣氛下進行的焊接工藝.燒結釬焊溫度超過900°C.在燒結釬焊過程中,填充金屬熔化,并在毛細力的作用下被吸入待焊基體材料(未熔化)之間的焊縫內.冷卻后,即獲得高強度、無缺陷的冶金學焊縫.燒結釬焊是一種比較容易將零件有效連接在一起的方法.盡管釬焊機理本身很復雜,可能不十分了解,但一般做法相當簡單明了,可以減少制造調整中的額外工序.成功的釬焊連接主要取決于釬焊合金、連接表面與燒結氣氛間的相互作用.其中的核心就是釬焊合金材料,可以說是燒結釬焊中的關鍵技術.

釬焊合金材料主要是由瑞典赫格納斯公司(Hoganas AB)和GKN下屬海格納斯公司(Hoeganaes Corporation)提供,具體參數見表3[1].

表3 釬焊合金材料Tab.3 Brazing alloy material

2.4 釬焊驗證

隨著粉末冶金行星齒輪架在汽車上的廣泛應用,汽車廠商要求供應商達到零缺陷(0 PPM)的供貨要求,同時燒結釬焊屬于特殊工序,容易因為燒結氣氛、人工誤操作、接觸面不光潔等原因造成釬焊的不成功,所以必須在燒結釬焊后增加驗證工藝以保證釬焊的成功.為了不對零件進行破壞性損傷,通常使用無損探傷(nondestructive testing-NDT)來進行100%的全數驗證.對于粉末冶金行星齒輪架,無損探傷中最為有效的是聲波共振探傷(Resonant Acoustic Inspection).主要的廠家和產品型號見表4.

表4 探傷廠家Tab.4 Testing-NDT Co.

在購買聲波共振探傷設備后,需要根據粉末冶金行星齒輪架的各種失效形式進行樣本收集,然后根據這些樣本的聲波波段,剔除風險波段,保證驗證效果.

3 成本與效益分析

與傳統鑄造行星齒輪架相比,粉末冶金行星齒輪架具有的優勢見表5.

表5 粉末冶金優勢對比[2]Tab.5 Advantage of powder metallurgy over casting

成本較低為粉末冶金行星齒輪架的市場開拓打下了堅實的基礎.以一件普通的粉末冶金行星齒輪支架為例,以壓制壓機為瓶頸道序(法蘭和支撐架均在一個壓機上生產),年產量為100萬件,需新增投資2 500萬元,單件行星齒輪架利潤為5元,則大約5年就可以收回投資.

4 結 語

(1) 粉末冶金行星齒輪架在國內有很好的市場前景,且相對于傳統的鑄造加工,具有成本、效率、材料利用率和強度等方面的優勢,是理想的替代產品.

(2) 粉末冶金行星齒輪架已經實現批量化生產,在原材料、壓制、燒結釬焊和釬焊驗證等關鍵工序中,都可以找到合適的供應商,完全可以實現國產化生產.

(3) 批量的工藝開發和維護工作還需進一步的探索和嘗試,才能不斷地提高產品質量和降低廢品率.

[1]Sokolowski P K,亓家鐘,Bruce A L,等.燒結釬焊粉末冶金零件研究[J].粉末冶金工業,2012,22(1):9-16.

[2]韓鳳麟.粉末冶金——公認的綠色制造技術[J].現代零部件,2010(11):28-31.

AnalysisandProspectsofPowderMetalPlanetaryCarrierLocalization

PANQing-qing

(SchoolofAutomobile,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai200245,China)

The mass-production of homemade planetary carriers was studied from the aspects of raw material selection, forming processes, sinter braze and mass testing based on the development of planetary carriers in powder metallurgy at home and abroad. Provided that a suitable mode is selected, localization of the powder metal planetary carriers is feasible due to the lower cost and higher benefit.

powder metallurgy; planetary carrier; localization

1005-2046(2014)02-0083-03

10．13258／j．cnki．snm．2014．02．010

2013-12-14

上海市高校選拔培養優秀青年教師科研專項基金項目(sdj10011)

潘慶慶(1984-),女,碩士,講師,主要從事汽車粉末冶金方面的研究.E-mail:panqq@sdju.edu.cn.

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