作者简介：潘庆庆(1984-),女,硕士,讲师,主要从事汽车粉末冶金方面的研究.
摘要：分析了国内外粉末冶金行星齿轮架的发展现状,从原材料选择、成形工艺、烧结钎焊及批量检验四个方面研究行星架国产化批量生产的技术难点,选择适合国内批量生产的粉末冶金生产方式,再根据研究结果进行成本与效益分析,验证了粉末冶金行星齿轮架的国产化可行性.
关键词： 粉末冶金; 行星齿轮架; 国产化
中图分类号： TF 125文献标志码： A
Analysis and Prospects of Powder Metal Planetary Carrier Localization
PAN Qingqing
(School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)
Abstract： The massproduction 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.
Key words： powder metallurgy; planetary carrier; localization
0前言
随着中国汽车市场的迅速发展,汽车行业的竞争越来越激烈,降低价格成为各大汽车厂商提高市场竞争力的主要策略.以成本管理作为主要手段,伴随着整车成本的逐渐降低,零部件的价格也在不断降低.为了保证产品质量,在传统生产方法上进行改进已不能满足产品的低价需求,必须以全新的生产方式追求质量更轻、性能更好、效率更高的产品.
行星齿轮传动系统由于单位体积可传递的功率、转矩较大而广泛用于汽车、飞机、重型机械的变速箱以及各种其他工业设备,它在由大转矩质量比而产生大的减速度时,用来限制轴承负荷及减低振动和噪音.其中,行星齿轮架是整个行星齿轮系统中承受外力矩最大的零件.其结构设计和制造质量对各行星轮间的载荷分配以至传动装置的承载能力、噪声和振动有非常重要的作用.
1粉末冶金行星架发展概况
目前国内的行星架生产大多数能通过铸造和精加工来完成,由此生产出来的产品重量大、制造成本高,且生产效率低,无法满足大批量生产的要求,导致该零件主要依赖进口.而国外已经在上世纪90年代成功开发出粉末冶金的行星支架,其关键技术为烧结钎焊,该技术可以大大降低成本,减轻产品质量.烧结钎焊行星架由上下两体分别压制后组装在一起,烧结和钎焊一次完成.随着汽车市场的不断发展,市场对自动变速箱的需求越来越大,使该零件的国产化工作迫在眉睫.
由于许多国外著名粉末冶金公司如GKN、米巴、PMG、保来得等纷纷在国内建立独资和合资公司,已经有部分企业实现了粉末冶金行星齿轮架的批量生产,与此同时,国内粉末冶金公司的粉末冶金行星齿轮架也正在开发.
2粉末冶金行星齿轮架国产化分析
粉末冶金行星齿轮架的技术难点主要在原材料选择、成形工艺、烧结钎焊及批量检验这四个方面.
2.1材料选择
由于行星架属于承载型的零件,有一定工作强度和载荷的要求,密度要求较高;而普通的还原粉压缩性差,不能达到密度要求,所以需要采用雾化铁粉来满足要求.目前市场上的雾化铁粉生产厂家主要有国内的鞍钢、莱钢和国外的赫格纳斯、海格纳士等.国产铁粉与进口铁粉相比仍有一定差距.同时,国外铁粉生产厂家均已在国内成立公司,可以直接实现国内采购.
上海有色金属第35卷
第2期 潘庆庆:粉末冶金行星齿轮架的国产化分析与展望
粉末冶金行星齿轮架的原材料铁粉中通常添加碳、铜和润滑剂等,采用常规混料方式进行混合,就可以满足零件性能要求.根据美国MPIF协会标准,主要选用牌号见表1.
表1粉末冶金材料成分与特性
Tab.1Composition and characteristics of
powder metallurgical materials
材料Cu的质量
分数/%C的质量
分数/%密度/
(g·cm-3)FC0200-241.5~3.90~0.36.9FC0208-501.5~3.90.6~0.96.7FC0205-401.5~3.90.3~0.66.7FC0505-504.0~6.00.3~0.66.7F0008-3500.6~0.97.0
表1中的各种牌号材料均可以在国内厂家或国外厂家中直接采购混合好的原材料,无需特别加工和处理.
2.2成形工艺
粉末冶金行星齿轮架主要是由两个粉末冶金零件焊接而成,分别是支撑架和法兰,如图1所示.
图1行星架示意图
Fig.1Planetary carrier
单个零件的成形工艺属于常规工艺,只需按照吨位和成形结构选择相应的压机.由于产品还需要焊接,对零件接触表面的平面度要求比较高,需要选用进口压机保证零件的稳定性和均匀性.常规的压制结构和参数见表2.
表2压制结构与参数
Tab.2Pressing structure and parameters
零件名称压制吨位/t成形结构模架要求推荐压机支撑架300～600上一下二或
上二下二上二
下二法兰400～800上二下二或
上一下二上二
下二进口Dorst
800T TPA
CNC
Osterwalder
800T UPP
进口液压CNC压机已经在国内比较普遍,只需要采购大吨位的压机就可以实现生产.模具设计和生产也完全可以在国内找到相关供应商.
2.3 烧结钎焊
烧结钎焊是在真空或控制(还原性)气氛下进行的焊接工艺.烧结钎焊温度超过900°C.在烧结钎焊过程中,填充金属熔化,并在毛细力的作用下被吸入待焊基体材料(未熔化)之间的焊缝内.冷却后,即获得高强度、无缺陷的冶金学焊缝.烧结钎焊是一种比较容易将零件有效连接在一起的方法.尽管钎焊机理本身很复杂,可能不十分了解,但一般做法相当简单明了,可以减少制造调整中的额外工序.成功的钎焊连接主要取决于钎焊合金、连接表面与烧结气氛间的相互作用.其中的核心就是钎焊合金材料,可以说是烧结钎焊中的关键技术.
钎焊合金材料主要是由瑞典赫格纳斯公司(Hoganas AB)和GKN下属海格纳斯公司(Hoeganaes Corporation)提供,具体参数见表3［1］.
表3钎焊合金材料
Tab.3Brazing alloy material
名称生产厂家主要成分
质量分数/%拉伸强度/
MPaAncorbraze 72海格纳斯公司Ni: 41;Cu :40
Mn:15;Si:1.8
B:1.5380～415Sinter Braze 90赫格纳斯公司Cu、Ni、Mn、Si、
B:共80
铁粉:20400
2.4钎焊验证
随着粉末冶金行星齿轮架在汽车上的广泛应用,汽车厂商要求供应商达到零缺陷(0 PPM)的供货要求,同时烧结钎焊属于特殊工序,容易因为烧结气氛、人工误操作、接触面不光洁等原因造成钎焊的不成功,所以必须在烧结钎焊后增加验证工艺以保证钎焊的成功.为了不对零件进行破坏性损伤,通常使用无损探伤(nondestructive testingNDT)来进行100%的全数验证.对于粉末冶金行星齿轮架,无损探伤中最为有效的是声波共振探伤(Resonant Acoustic Inspection).主要的厂家和产品型号见表4.
表4探伤厂家
Tab.4TestingNDT Co.
产品型号生产厂家NDT-RAM SystemsThe Modal Shop, IncSR20ATNDT Technologies (P) Limited
在购买声波共振探伤设备后,需要根据粉末冶金行星齿轮架的各种失效形式进行样本收集,然后根据这些样本的声波波段,剔除风险波段,保证验证效果.
3成本与效益分析
与传统铸造行星齿轮架相比,粉末冶金行星齿轮架具有的优势见表5.
表5粉末冶金优势对比［2］
Tab.5Advantage of powder metallurgy
over casting
制造
工艺生产
效率机加工材料
利用率极限
强度成本铸造低多70%左右低高粉末冶金高少90%左右高40%低35%
成本较低为粉末冶金行星齿轮架的市场开拓打下了坚实的基础.以一件普通的粉末冶金行星齿轮支架为例,以压制压机为瓶颈道序(法兰和支撑架均在一个压机上生产),年产量为100万件,需新增投资2 500万元,单件行星齿轮架利润为5元,则大约5年就可以收回投资.
4结语
(1) 粉末冶金行星齿轮架在国内有很好的市场前景,且相对于传统的铸造加工,具有成本、效率、材料利用率和强度等方面的优势,是理想的替代产品.
(2) 粉末冶金行星齿轮架已经实现批量化生产,在原材料、压制、烧结钎焊和钎焊验证等关键工序中,都可以找到合适的供应商,完全可以实现国产化生产.
(3) 批量的工艺开发和维护工作还需进一步的探索和尝试,才能不断地提高产品质量和降低废品率.
参考文献:
［1］Sokolowski P K,亓家钟,Bruce A L,等.烧结钎焊粉末冶金零件研究［J］.粉末冶金工业,2012,22(1):9-16.
［2］韩凤麟.粉末冶金——公认的绿色制造技术［J］.现代零部件,2010(11):28-31.第35卷第2期2014年6月上海有色金属SHANGHAI NONFERROUS METALSVol.35, No.2Jun. 2014