高強(qiáng)度鐵基粉末冶金材料的應(yīng)用概述
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論文導(dǎo)讀：粉末冶金制品的形狀千差萬別，只有易于用粉末冶金方法壓制，才能充分發(fā)揮粉末冶金技術(shù)的優(yōu)勢和保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求。本文針對高性能鐵基粉末冶金材料的工程化應(yīng)用問題，開展了電動工具粉末冶金螺旋傘齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度，鐵基粉末冶金材料，應(yīng)用
在模具設(shè)計前，必須進(jìn)行粉末冶金制品的形狀設(shè)計。制品壓坯的形狀設(shè)計是保證產(chǎn)品使用要求的情況下，從壓制過程(裝粉、壓制、脫模)、模具壽命、壓坯質(zhì)量等方面來考慮，并對制品圖線形狀作適當(dāng)?shù)男拚�。本文是將電動工具中原有的鋼制齒輪(材料為40Cr)用粉末冶金材料代替，并針對以下內(nèi)容進(jìn)行了二次設(shè)計：(1) 在原有鋼制齒輪齒形的基礎(chǔ)上對粉末冶金齒輪的齒形齒廓進(jìn)行二次設(shè)計；(2) 對實(shí)際嚙合的粉末冶金燒結(jié)齒輪的尺寸修正；(3) 粉末冶金齒輪齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度的理論校核。
1.齒形齒廓的選擇和計算
選擇齒輪材料應(yīng)考慮如下要求：齒面應(yīng)有足夠的硬度，保證齒面抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗咬合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，保證齒根抗彎曲能力。此外，還應(yīng)具有良好的機(jī)械加工、熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì)性等要求。在齒輪傳動機(jī)構(gòu)的研究、設(shè)計和生產(chǎn)中，一般要滿足以下兩個基本要求：
1.傳動平穩(wěn)—在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動和噪音盡量小。
2.承載能力大—在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強(qiáng)度高、耐磨性好及壽命長。
由于螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪相比，在使用上有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）增大了重迭系數(shù)。由于弧齒錐齒輪的齒線是曲線，在傳動過程中至少有兩個或兩個以上的齒同時接觸，重迭交替接觸結(jié)果，減少了沖擊，使傳動平穩(wěn)，降低了噪音；
2）由于螺旋角的關(guān)系，重迭系數(shù)增大，因而負(fù)荷比壓降低，磨損較均勻，相應(yīng)的增大了齒輪的負(fù)荷能力，增長了使用壽命；
3）可以實(shí)現(xiàn)大的傳動比，小輪的齒數(shù)可以少至五齒；
4）可以調(diào)整刀盤半徑，利用齒線曲率修正接觸區(qū)；
5）可以進(jìn)行齒面的研磨，以降低噪音、改善接觸區(qū)和提高齒面光潔度；
6）在傳動中產(chǎn)生的軸向推力較大，所以對軸承要求較高，在傳動機(jī)構(gòu)中需選用適當(dāng)?shù)妮S承。
由于上述特點(diǎn)，所以螺旋齒錐齒輪常用于圓周速度較高，傳動平穩(wěn)和噪音較小的傳動中。
通過和直齒錐齒輪的比較，本設(shè)計采用螺旋錐齒輪。計算采用的是等高齒錐齒輪，即從齒的大端到齒的小端齒高是一樣的，這種齒輪的面角、根角和節(jié)角均相等。這樣設(shè)計不僅減少了大部分的計算，而且對于模具的設(shè)計和壓制來說更為有利。螺旋錐齒輪齒形參數(shù)直接影響齒輪的承載能力、輪齒剛度和傳動的動態(tài)特性，各參數(shù)相互影響、相互制約，其選擇的原則是：由各參數(shù)確定的齒形，應(yīng)保證輪齒有較高的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度，最好符合等強(qiáng)度的設(shè)計原則。輪齒在嚙合時，要求傳動平穩(wěn)，無齒形干涉現(xiàn)象。齒形形狀要力求簡單以便于制造。
1.主、從動錐齒輪傘齒輪齒數(shù)的選擇在選擇齒數(shù)時，應(yīng)盡量使相嚙合的齒輪的齒數(shù)之間沒有公約數(shù)，以便使齒輪在使用過程中各齒之間都能互相嚙合，起到自動磨合的作用。同時，為了得到理想的齒面重疊系數(shù)，大小齒輪的齒數(shù)和應(yīng)不小于40。
2.齒面寬F 的選擇對于等高齒錐齒輪來說：在“奧利康”制等高齒錐齒輪上，由于其延伸外擺線的曲率變化比弧齒錐齒輪的圓弧齒線大，因此，齒面寬不宜過大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 為節(jié)錐距。
3.螺旋角β 的選擇汽車主減速器錐齒輪的螺旋角多在βm=35~40°范圍內(nèi)。為了保證有較大的mF 使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選βm2=36°。
4.法向壓力角α 的選擇大壓力角可以增加輪齒強(qiáng)度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角使齒頂變尖及刀尖寬度過小，所以在輕負(fù)荷工作的齒輪中一般采用小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低。對于本設(shè)計中的“奧”制齒輪采用的齒面平均壓力角α=17.5°。論文參考網(wǎng)。
5.齒頂高系數(shù)及頂隙系數(shù)齒頂高系數(shù)取ha*=1；頂隙系數(shù)C*=0.25。
2.實(shí)際嚙合的粉末冶金燒結(jié)齒輪齒形的修正及校核
壓坯密度對于提高和穩(wěn)定燒結(jié)制品的強(qiáng)度與尺寸精度十分重要。為使壓坯密度均勻，順利脫模，結(jié)合齒輪設(shè)計的特點(diǎn)，對齒形以下幾部分進(jìn)行了改進(jìn)：
a.為了增高齒的強(qiáng)度和降低噪聲，同時考慮到實(shí)際當(dāng)中齒形模沖加工的特點(diǎn)，對齒輪的齒頂和齒根的齒形進(jìn)行了修正。
b.一般壓制成形都是沿著壓坯的軸向進(jìn)行的。而制品中徑向(橫向)的孔、槽、健、螺紋和倒錐，通常是不能壓制成形的，需要在燒結(jié)后用切削加工來完成的。論文參考網(wǎng)。但本齒輪的鍵槽是軸向的，并不影響壓坯的脫模。
c.從節(jié)省原料和不影響安裝的角度考慮，把原來的三個定位凹坑改成花鍵式，而且不影響脫模，且能節(jié)省原材料。
通過對改進(jìn)后的齒形進(jìn)行載荷計算和齒面接觸強(qiáng)度的理論校核，結(jié)果說明所設(shè)計的齒形參數(shù)能夠滿足服役要求。
3.齒輪模擬臺架試驗(yàn)
將上述材料的大齒輪，分別在100℃、200℃和250℃回火，硬度分別為HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后裝機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對磨件為40Cr鋼，硬度HRC48。臺架試驗(yàn)記錄結(jié)果：
第一套齒輪(硬度HRC43~45)：經(jīng)裝機(jī)試驗(yàn)當(dāng)試驗(yàn)到1.5h時，出現(xiàn)聲音異常，拆機(jī)檢查，小齒輪打崩二個齒，但大齒輪完好；換上鋼制的小齒輪，淬火硬度HRC42~43，經(jīng)測試10h，機(jī)器正常，拆機(jī)檢查，磨損正常，即進(jìn)行第二個項目測試 (空載實(shí)驗(yàn)) 55h，拆機(jī)檢查，一切磨損正常，(其中換了一個轉(zhuǎn)子，碳刷3副)；之后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)到10.5h時，機(jī)器冒煙，燒機(jī)，停止測試，拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，前軸承爆裂，定轉(zhuǎn)子燒毀，大齒輪打崩一個齒，小齒輪磨損比大齒輪嚴(yán)重。經(jīng)分析原因：大齒輪打崩是因?yàn)榍拜S承爆裂，而造成轉(zhuǎn)子亂跳而產(chǎn)生的，是意外發(fā)生的現(xiàn)象，并非齒輪強(qiáng)度問題所造成的，所以其材料可以繼續(xù)試驗(yàn)。
第二套齒輪(大齒輪硬度HRC38，小齒輪HRC42(材料 40Cr)：進(jìn)行模擬試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)16h時轉(zhuǎn)子燒毀，拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常，換轉(zhuǎn)子繼續(xù)進(jìn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)26.5h時電機(jī)燒毀拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常。換電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)7.5h時電機(jī)燒毀拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常。再換電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)12h時電機(jī)燒毀拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常。換電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)17h時電機(jī)燒毀，拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常。論文參考網(wǎng)。再換電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)15h電機(jī)燒毀，拆機(jī)檢查，齒輪磨損正常。停止試驗(yàn)。
第三套齒輪(硬度HRC30~32，小齒輪HRC35，大小齒輪均為粉末冶金材料)：經(jīng)裝機(jī)試驗(yàn)，通過工況測試，磨損正常；第二個項目測試 (空載實(shí)驗(yàn)) 30h時，大齒輪小齒輪磨損嚴(yán)重，停止測試。結(jié)論：硬度太低而造成磨損。在本測試條件下，滲碳燒結(jié)齒輪材料耐磨性優(yōu)于意大利和40Cr材料；在本測試條件下，改進(jìn)后齒形傳動平穩(wěn)，降低噪音；由此可以認(rèn)為，本課題研制的新材料和完成的齒輪齒形設(shè)計能滿足電動工具的使用要求。
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