(上海電機(jī)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院, 上海 200245)

粉末冶金行星齒輪架的國(guó)產(chǎn)化分析與展望

潘慶慶

(上海電機(jī)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院, 上海200245)

分析了國(guó)內(nèi)外粉末冶金行星齒輪架的發(fā)展現(xiàn)狀,從原材料選擇、成形工藝、燒結(jié)釬焊及批量檢驗(yàn)四個(gè)方面研究行星架?chē)?guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn),選擇適合國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)的粉末冶金生產(chǎn)方式,再根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行成本與效益分析,驗(yàn)證了粉末冶金行星齒輪架的國(guó)產(chǎn)化可行性.

粉末冶金; 行星齒輪架; 國(guó)產(chǎn)化

0 前 言

隨著中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的迅速發(fā)展,汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,降低價(jià)格成為各大汽車(chē)廠商提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要策略.以成本管理作為主要手段,伴隨著整車(chē)成本的逐漸降低,零部件的價(jià)格也在不斷降低.為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,在傳統(tǒng)生產(chǎn)方法上進(jìn)行改進(jìn)已不能滿足產(chǎn)品的低價(jià)需求,必須以全新的生產(chǎn)方式追求質(zhì)量更輕、性能更好、效率更高的產(chǎn)品.

行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由于單位體積可傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩較大而廣泛用于汽車(chē)、飛機(jī)、重型機(jī)械的變速箱以及各種其他工業(yè)設(shè)備,它在由大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比而產(chǎn)生大的減速度時(shí),用來(lái)限制軸承負(fù)荷及減低振動(dòng)和噪音.其中,行星齒輪架是整個(gè)行星齒輪系統(tǒng)中承受外力矩最大的零件.其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量對(duì)各行星輪間的載荷分配以至傳動(dòng)裝置的承載能力、噪聲和振動(dòng)有非常重要的作用.

1 粉末冶金行星架發(fā)展概況

目前國(guó)內(nèi)的行星架生產(chǎn)大多數(shù)能通過(guò)鑄造和精加工來(lái)完成,由此生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品重量大、制造成本高,且生產(chǎn)效率低,無(wú)法滿足大批量生產(chǎn)的要求,導(dǎo)致該零件主要依賴進(jìn)口.而國(guó)外已經(jīng)在上世紀(jì)90年代成功開(kāi)發(fā)出粉末冶金的行星支架,其關(guān)鍵技術(shù)為燒結(jié)釬焊,該技術(shù)可以大大降低成本,減輕產(chǎn)品質(zhì)量.燒結(jié)釬焊行星架由上下兩體分別壓制后組裝在一起,燒結(jié)和釬焊一次完成.隨著汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)變速箱的需求越來(lái)越大,使該零件的國(guó)產(chǎn)化工作迫在眉睫.

由于許多國(guó)外著名粉末冶金公司如GKN、米巴、PMG、保來(lái)得等紛紛在國(guó)內(nèi)建立獨(dú)資和合資公司,已經(jīng)有部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了粉末冶金行星齒輪架的批量生產(chǎn),與此同時(shí),國(guó)內(nèi)粉末冶金公司的粉末冶金行星齒輪架也正在開(kāi)發(fā).

2 粉末冶金行星齒輪架?chē)?guó)產(chǎn)化分析

粉末冶金行星齒輪架的技術(shù)難點(diǎn)主要在原材料選擇、成形工藝、燒結(jié)釬焊及批量檢驗(yàn)這四個(gè)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(qiáng)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(dá)到密度要求,所以需要采用霧化鐵粉來(lái)滿足要求.目前市場(chǎng)上的霧化鐵粉生產(chǎn)廠家主要有國(guó)內(nèi)的鞍鋼、萊鋼和國(guó)外的赫格納斯、海格納士等.國(guó)產(chǎn)鐵粉與進(jìn)口鐵粉相比仍有一定差距.同時(shí),國(guó)外鐵粉生產(chǎn)廠家均已在國(guó)內(nèi)成立公司,可以直接實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)采購(gòu).

粉末冶金行星齒輪架的原材料鐵粉中通常添加碳、銅和潤(rùn)滑劑等,采用常規(guī)混料方式進(jìn)行混合,就可以滿足零件性能要求.根據(jù)美國(guó)MPIF協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),主要選用牌號(hào)見(jiàn)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(hào)材料均可以在國(guó)內(nèi)廠家或國(guó)外廠家中直接采購(gòu)混合好的原材料,無(wú)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(gè)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(gè)零件的成形工藝屬于常規(guī)工藝,只需按照噸位和成形結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的壓機(jī).由于產(chǎn)品還需要焊接,對(duì)零件接觸表面的平面度要求比較高,需要選用進(jìn)口壓機(jī)保證零件的穩(wěn)定性和均勻性.常規(guī)的壓制結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 壓制結(jié)構(gòu)與參數(shù)Tab.2 Pressing structure and parameters

進(jìn)口液壓CNC壓機(jī)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)比較普遍,只需要采購(gòu)大噸位的壓機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn).模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也完全可以在國(guó)內(nèi)找到相關(guān)供應(yīng)商.

2.3 燒結(jié)釬焊

燒結(jié)釬焊是在真空或控制(還原性)氣氛下進(jìn)行的焊接工藝.燒結(jié)釬焊溫度超過(guò)900°C.在燒結(jié)釬焊過(guò)程中,填充金屬熔化,并在毛細(xì)力的作用下被吸入待焊基體材料(未熔化)之間的焊縫內(nèi).冷卻后,即獲得高強(qiáng)度、無(wú)缺陷的冶金學(xué)焊縫.燒結(jié)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(jī)理本身很復(fù)雜,可能不十分了解,但一般做法相當(dāng)簡(jiǎn)單明了,可以減少制造調(diào)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(jié)氣氛間的相互作用.其中的核心就是釬焊合金材料,可以說(shuō)是燒結(jié)釬焊中的關(guān)鍵技術(shù).

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(shù)見(jiàn)表3[1].

表3 釬焊合金材料Tab.3 Brazing alloy material

2.4 釬焊驗(yàn)證

隨著粉末冶金行星齒輪架在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用,汽車(chē)廠商要求供應(yīng)商達(dá)到零缺陷(0 PPM)的供貨要求,同時(shí)燒結(jié)釬焊屬于特殊工序,容易因?yàn)闊Y(jié)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(jié)釬焊后增加驗(yàn)證工藝以保證釬焊的成功.為了不對(duì)零件進(jìn)行破壞性損傷,通常使用無(wú)損探傷(nondestructive testing-NDT)來(lái)進(jìn)行100%的全數(shù)驗(yàn)證.對(duì)于粉末冶金行星齒輪架,無(wú)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(chǎn)品型號(hào)見(jiàn)表4.

表4 探傷廠家Tab.4 Testing-NDT Co.

在購(gòu)買(mǎi)聲波共振探傷設(shè)備后,需要根據(jù)粉末冶金行星齒輪架的各種失效形式進(jìn)行樣本收集,然后根據(jù)這些樣本的聲波波段,剔除風(fēng)險(xiǎn)波段,保證驗(yàn)證效果.

3 成本與效益分析

與傳統(tǒng)鑄造行星齒輪架相比,粉末冶金行星齒輪架具有的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表5.

表5 粉末冶金優(yōu)勢(shì)對(duì)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(chǎng)開(kāi)拓打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).以一件普通的粉末冶金行星齒輪支架為例,以壓制壓機(jī)為瓶頸道序(法蘭和支撐架均在一個(gè)壓機(jī)上生產(chǎn)),年產(chǎn)量為100萬(wàn)件,需新增投資2 500萬(wàn)元,單件行星齒輪架利潤(rùn)為5元,則大約5年就可以收回投資.

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 粉末冶金行星齒輪架在國(guó)內(nèi)有很好的市場(chǎng)前景,且相對(duì)于傳統(tǒng)的鑄造加工,具有成本、效率、材料利用率和強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢(shì),是理想的替代產(chǎn)品.

(2) 粉末冶金行星齒輪架已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),在原材料、壓制、燒結(jié)釬焊和釬焊驗(yàn)證等關(guān)鍵工序中,都可以找到合適的供應(yīng)商,完全可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn).

(3) 批量的工藝開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作還需進(jìn)一步的探索和嘗試,才能不斷地提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低廢品率.

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

[2]韓鳳麟.粉末冶金——公認(rèn)的綠色制造技術(shù)[J].現(xiàn)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(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(sdj10011)

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

TF125

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