粉末冶金結(jié)構(gòu)零件鉚接工藝研究與應(yīng)用

龐亨江，謝鋒

（東風(fēng)格特拉克汽車變速箱有限公司，湖北 武漢 430000）

1 引言

近年來，通過不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，逐步與自主開發(fā)創(chuàng)新相結(jié)合，中國粉末冶金產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，是中國機(jī)械通用零部件行業(yè)中增長最快的行業(yè)之一，每年全國粉末冶金行業(yè)的產(chǎn)值以35%的速度遞增[1][2]。

粉末冶金技術(shù)具有節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高、且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，部分用傳統(tǒng)鑄造方法和機(jī)械加工方法無法制備的材料和復(fù)雜零件也可用粉末冶金技術(shù)制造。如今，汽車行業(yè)中粉末冶金制成的結(jié)構(gòu)零件裝配占據(jù)了重要位置，有時(shí)往往還需要將粉末冶金零件與其他材料相連接，制成一體零件。其中鉚接因連接變形小、對(duì)連接環(huán)境要求低、操作方便，在批量生產(chǎn)的無須拆卸的裝配體零部件產(chǎn)品上被廣泛運(yùn)用，特別適合薄件連接。本文將研究粉末冶金零件鉚接的工藝方法，并用實(shí)例來證實(shí)粉末冶金件鉚接的可行性。

2 產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境介紹

本文介紹的是某汽車變速箱駐車系統(tǒng)零件，零件由異形粉末冶金件、薄壁沖壓件、向心滾針軸承總成組成，見圖1。

該零件主要工作原理是通過異形粉末冶金件沿軸心旋轉(zhuǎn)，而使其凸輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，薄壁沖壓件的內(nèi)壁作為滾針軸承的滾道面，該零件與粉末冶金件采用過盈配合。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，旋轉(zhuǎn)過程中要防止薄板沖壓件從粉末冶金件中松脫。該組件在臺(tái)架試驗(yàn)中不能發(fā)生沖壓件脫出粉末冶金件從而影響產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)功能，導(dǎo)致發(fā)生故障。

該產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)時(shí)采用薄板沖壓件和粉末冶金件壓裝的方式，配合方式為過盈配合，試制產(chǎn)品在臺(tái)架試驗(yàn)中有松脫現(xiàn)象，為防止在運(yùn)行過程中沖壓件與粉末冶金件分離，需采用特定的方式連接，由于兩種零件的含碳量均高于0.5%，且沖壓件屬于薄壁零件，不適于采用焊接工藝。采用膠粘的固定方法，對(duì)零件配合面的潔凈度及表面質(zhì)量要求較高，工序復(fù)雜勞動(dòng)強(qiáng)度大。膠粘劑的揮發(fā)性對(duì)環(huán)境的污染以及對(duì)操作人員身體健康的影響都是巨大的，且使用膠粘和的零件仍然存在運(yùn)行過程中受環(huán)境的影響而存在連接失效的風(fēng)險(xiǎn)。采用鉚接的方式對(duì)粉末冶金件與沖壓件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了兩者的可靠固定連接，連接后的零部件經(jīng)裝配后的測試，能夠滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用要求。

圖1 產(chǎn)品組件

3 粉末冶金結(jié)構(gòu)件鉚接工藝要求

圖1 中產(chǎn)品為粉末冶金件與薄板沖壓件的鉚接。要求裝配完成后，粉末冶金件和鉚釘不能產(chǎn)生裂紋；為了保證產(chǎn)品的合格率和可制造性，鉚釘頭包絡(luò)圓直徑應(yīng)滿足公差要求，根據(jù)包絡(luò)圓直徑轉(zhuǎn)化計(jì)算，鉚釘頭的直徑范圍應(yīng)控制在（4.8-5.6）mm；通過對(duì)此分總成的軸向尺寸鏈分析，薄板沖壓件和粉末冶金件的軸向位移不能超過0.5mm。產(chǎn)品經(jīng)檢測無法達(dá)到工藝要求則會(huì)造成產(chǎn)品失效。

通過對(duì)粉末冶金件材料的機(jī)械性能的研究及選擇、鉚釘?shù)倪x擇及裝配方法的設(shè)計(jì)以及鉚接方式的研究綜合考慮，制定出合理的鉚接工藝，可提高粉末冶金件材料制成的零件的鉚接后產(chǎn)品合格率。

4 鉚接工藝方案設(shè)計(jì)

4.1 粉末冶金件機(jī)械性能研究，材料的選擇

由于粉末壓制而成的壓坯，其內(nèi)部的孔隙不能完全消除，粉末冶金件的物理力學(xué)性能較差，即使選擇熱處理狀態(tài)的粉末冶金，抗拉強(qiáng)度也只能達(dá)到700Mpa，因此，粉末冶金的制品在強(qiáng)度和韌性上與相應(yīng)成分的鑄件、鍛件相比要差，導(dǎo)致在鉚接過程中易產(chǎn)生鉚接微裂紋，影響總成產(chǎn)品的性能[3][4]。為選擇合適的粉末冶金的材料，開展如下分析：

分析對(duì)象：孔最薄壁厚度為2.3mm；

分析目的：確定最薄壁厚處鉚釘孔部位的強(qiáng)度；

判斷準(zhǔn)則：采用第四強(qiáng)度理論的屈服準(zhǔn)則判斷，即Vonmiss 等效應(yīng)力應(yīng)小于屈服強(qiáng)度。

通過定義邊界調(diào)節(jié)，對(duì)分析對(duì)象施加不同載荷，利用相關(guān)分析軟件進(jìn)行求解。

邊界條件：

（1）固定凸輪環(huán)底部，約束X，Y，Z 向位移為0；

（2）對(duì)銷孔施加壓力PREESURE。

施加載荷：對(duì)分析對(duì)象施加不同的載荷，見表1：

表1 不同載荷及等效徑向施加力對(duì)照表

利用分析軟件求解器對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行求解后，得到不同載荷下的計(jì)算結(jié)果，圖2 為受力圖及不同載荷下的應(yīng)力云圖。

圖2 邊界受力圖及不同施加力下的應(yīng)力云圖

從分析結(jié)果可知，銷孔施加壓力為400MPa 時(shí)，其最大應(yīng)力為683.2MPa；銷孔壓力為500MPa，其最大應(yīng)力為801.7MPa；銷孔施加壓力為600MPa 時(shí)，其最大應(yīng)力為815MPa。通過對(duì)不同粉末冶金材料進(jìn)行比較分析，最終選擇MIBA SE4316 這種材料作為產(chǎn)品的粉末冶金材料，該材料的機(jī)械性能見表2. 采用了特殊的粉末材料及工藝得到的粉末冶金材料，其物理力學(xué)性能得到極大提升，從表中可知其屈服強(qiáng)度達(dá)到745MPa，抗拉強(qiáng)度為970Mpa。

表2 MIBA SE4316 材料的機(jī)械性能參數(shù)表

4.2 鉚釘?shù)倪x擇及鉚釘防轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)

鉚釘分為實(shí)心鉚釘、抽心鉚釘及特種鉚釘三大類。由于該分總成需要采用裝配線裝配，采用抽芯鉚釘在定位和夾緊上不易實(shí)施，故考慮采用實(shí)心鉚釘。實(shí)心鉚釘可分為圓頭鉚釘、大扁頭鉚釘?shù)取？紤]到對(duì)手件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且鉚釘需要盡量扁平化，故選擇采用大扁頭鉚釘。

該組件在汽車行駛過程中會(huì)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為防止鉚釘在組件運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生松動(dòng)。需要考慮增加鉚接的防松設(shè)計(jì)，如圖3 所示。將薄板沖壓件的兩個(gè)鉚釘孔與中間大孔中心形成的夾角設(shè)計(jì)為20.51°，而粉冶件的兩個(gè)鉚釘孔中心與大孔中心形成的夾角設(shè)計(jì)為21.7°，二者壓裝配后因大孔中心重合，因此會(huì)在粉冶件上形成一個(gè)月牙型臺(tái)階。鉚接時(shí)鉚釘材料通過擠壓會(huì)在月牙型臺(tái)階上形成堆積，從而提供了一個(gè)可防止鉚釘轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力。

圖3 鉚釘防轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)原理圖

4.3 鉚接方法的設(shè)計(jì)

圖4 旋鉚方式原理圖

考慮粉末冶金件材料特性，在鉚接過程中應(yīng)盡可能減少對(duì)粉末冶金件鉚釘孔的壓力。因粉末冶金件的韌性較差，若采用直接壓鉚的方式進(jìn)行鉚接，鉚釘在粉末冶金件孔壁內(nèi)產(chǎn)生較大的擠壓力，從而增加了粉末冶金件開裂的可能。經(jīng)分析旋鉚工藝能夠極大的減小孔內(nèi)壁的擠壓力。旋鉚動(dòng)作包括徑向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)。徑向運(yùn)動(dòng)是由偏心主軸帶動(dòng)球面副形成徑向運(yùn)動(dòng)軌跡，軸向運(yùn)動(dòng)是由偏心主軸與鉚座形成偏心角度進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，因此鉚接安全穩(wěn)定，無晃動(dòng)。旋鉚機(jī)鉚接時(shí)鉚頭以一定的擺動(dòng)角度與需要鉚接的工件（鉚釘）接觸，這種鉚接方式與傳統(tǒng)的壓鉚機(jī)、吹鉚或沖壓鉚不同，旋鉚機(jī)是通過擺動(dòng)鉚接方式使鉚釘局部變形逐漸延展到整體，消除內(nèi)應(yīng)力，防止鉚釘墩粗、彎曲、變形等，有效提高鉚接表面光潔度，從而達(dá)到理想的鉚接效果，旋鉚方式設(shè)計(jì)原理圖見圖4 所示。

5 實(shí)施效果

根據(jù)確定的粉末冶金材料、鉚釘材料及鉚接工藝，試生產(chǎn)3 批零件，進(jìn)行產(chǎn)品工藝要求驗(yàn)證。

5.1 軸向位移驗(yàn)證

粉末冶金件與沖壓件采用旋鉚方式連接后，對(duì)通過臺(tái)架試驗(yàn)的組合件，進(jìn)行如圖6 標(biāo)識(shí)的三個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行測量。

圖6 軸向位移測量

從圖中可以看出三個(gè)測量點(diǎn)試驗(yàn)前后的測量結(jié)果，將測量后的結(jié)果歸納起來，見表2。

表2 軸向位移測量統(tǒng)計(jì)表

從測量后的結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)前的厚度與試驗(yàn)后的厚度差值最大為0.47mm，完全滿足產(chǎn)品軸向位移≤0.5mm 的要求。

5.2 開裂情況驗(yàn)證

對(duì)旋鉚后的部件進(jìn)行線切割后，采用著色探傷的方法確認(rèn)[5]，未見粉末冶金件在鉚接后存在裂紋，圖7 為著色探傷的零件圖。

圖7 著色探傷的零件圖

5.3 壓出力情況驗(yàn)證

壓出力是評(píng)判連接件連接可靠的重要指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品性能及可靠性有重要影響，通過制定測試方案，進(jìn)行壓出力的測量，從而比較鉚接后的部件與未鉚接直接壓裝的零件壓出力大小。其試驗(yàn)方案如下[6]：

（1）準(zhǔn)備工裝，零件，見圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)工裝及測試零件實(shí)物圖

（2）對(duì)部件中的沖壓件進(jìn)行切割，露出支撐面，如圖9所示。

圖9 切割后的零部件實(shí)物圖

（3）通過壓力機(jī)施加力壓出沖壓件，同時(shí)記錄壓出力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)裝置及測試儀器見圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

對(duì)鉚接后的20 件零件進(jìn)行壓出力試驗(yàn)得到鉚接后的部件與未鉚接直接壓裝的零件壓出力大小，如圖11 所示。從圖中可以看出，鉚接后的零部件壓出力大小為4504.65N，而未鉚接直接壓裝的零件其壓出力為3761N，鉚接后的壓出力有較大幅度的上升，說明該連接方案在結(jié)合力增加上的有效性。

圖11 壓出力箱線圖

在實(shí)際的鉚接過程中，應(yīng)綜合考慮每個(gè)方面的因素，通過相互配合調(diào)整涉及到的各個(gè)參數(shù)，采用規(guī)范化的操作流程，才能獲得滿意的鉚接效果。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)粉末冶金結(jié)構(gòu)零件與沖壓件鉚接工藝的研究，分析了粉末冶金件鉚接特點(diǎn)以及可能產(chǎn)生的鉚接缺陷，通過對(duì)粉末冶金件材料的調(diào)整以及受力狀態(tài)的控制，極大提高了粉末冶金結(jié)構(gòu)零件鉚接后的產(chǎn)品合格率。在本文提到的采用鉚接方式連接的駐車系統(tǒng)零件目前已進(jìn)入批量生產(chǎn)狀態(tài)，說明了粉末冶金結(jié)構(gòu)零件是具有可鉚接性的。本文提到的工藝方法對(duì)其他涉及到粉末冶金結(jié)構(gòu)件的連接中亦可進(jìn)行鉚接工藝來實(shí)現(xiàn)。