CN104728389A - 一种烧结接合的减振轻量化齿轮 - Google Patents

Abstract

一种烧结接合的减振轻量化齿轮，由含有轮齿(11)的轮缘(10)、含有轴孔的轮毂(20)与含有多孔金属材料的辐板(30)等预制件烧结接合制成，轮齿(11)的齿槽底部设有连通多孔金属辐板(30)的微孔润滑油通道(12)。轮缘预制件(10)为精锻或粉末锻造成形件，轮毂预制件(20)为机械加工件，辐板预制件(30)为多孔金属或钢板(32)夹芯-多孔金属(31)预成形件，钢板(32)上可以分布有若干小孔(33)，钢板(32)可以是平板或预成形的曲面钢板，曲面钢板的轴向截面轮廓可以是盆形或波形。烧结接合的方式是扩散焊或钎焊。

Description

一种烧结接合的减振轻量化齿轮

技术领域

本发明提供一种烧结接合的减振轻量化齿轮，属于齿轮结构设计领域，尤其是一种烧结接合的粉末冶金齿轮。

背景技术

减振阻尼性是齿轮的一项重要性能，高阻尼齿轮可以缓解因振动加剧的齿轮磨损、降低噪声，延长齿轮的工作寿命。轻量化是齿轮结构设计的一项主要指标，轻量化齿轮不仅减轻传动齿轮箱的总重，而且有利于降低冲击，提高系统启动与刹车的灵敏度。粉末冶金齿轮具有减振性与减摩润滑性、可(近)净成形、大批量制造成本低等优点，被广泛应用于汽车、摩托车、工业装备、机电工具等行业。然而，高致密度粉末冶金齿轮整体成形的难度较大，尤其是具有复杂辐板结构的轻量化齿轮，容易在锻压时导致开裂，其可制造性限制了齿轮结构设计的自由空间。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于烧结接合的减振轻量化齿轮，不仅降低了整体成形的工艺难度，而且可以使齿轮的轮缘、辐板与轮毂分别用不同特性与致密度的材料制成，大大增加了齿轮结构设计的自由度。轮齿轮缘部位采用高强度合金材料，并采用致密化工艺制造，以保证轮齿的抗弯强度、疲劳强度与耐磨性；辐板采用强度与塑性综合性能良好的合金材料，辐板结构可以是均质、异构或具有功能梯度的多孔金属件，在保证强度与刚度的前提下，可以大大提高齿轮的减振阻尼性与轻量化程度。此外，还可以利用多孔质材料来储存润滑油，提高齿轮的失油润滑性能，即在齿轮箱因故障失去润滑油时，仍能够正常运转一段时间，为避免故障发展为灾难性事故。

本发明采用的技术方案是：

一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：由轮缘、轮毂与辐板等预制件烧结接合制成；所述轮缘上分布有用于啮合传动的轮齿，所述轮毂内含有用于连接传动轴的内孔；所述轮缘预制件为精锻或粉末锻造成形件，所述轮毂预制件为机械加工件，所述辐板预制件为多孔金属或钢板夹芯-多孔金属预成形件，所述钢板夹芯中的钢板可以是平钢板，也可以是预成形的曲面钢板；所述烧结接合的方式是烧结扩散焊或烧结钎焊。

作为一种优先实施的方案，所述轮缘的轮齿在齿槽底部设有连通多孔金属辐板的微孔润滑油通道，所述微孔直径为0.2～0.5mm。

作为一种优先实施的方案，轮缘预制件是一种高强度铁基合金粉末锻造成形件，所述高强度铁基合金粉料内含有石墨、铜、钼、镍等减摩性材料，粉末锻造成形件的致密度不低于96％。

作为一种实施方案，所述辐板预制件是一种多孔金属预成形件，所述多孔金属预成形件的孔隙率为15～60％，所述多孔金属预成形件所用材料是一种强度与塑性综合性能良好的合金材料，可以是但不限于铁基合金或铁镍合金。

作为另一种实施方案，所述辐板预制件是一种钢板夹芯-多孔金属预成形件，由多孔金属层与钢板层相间叠加并预连接制成，预连接方式可以是但不限于粘接、钎焊或扩散焊等；所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中钢板的层数为1～3，钢板可以是平钢板，也可以是预成形的曲面钢板，曲面钢板的轴向截面轮廓为“盆形”或“波形”，其中“波形”轮廓可以是单峰波、双峰波或类正弦波；所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中多孔金属层的孔隙率为20～80％，多孔金属层所用材料是一种强度与塑性综合性能良好的合金材料，可以是但不限于铁基合金或铁镍合金。

作为一种优先实施的方案，所述钢板夹芯-多孔金属辐板中的钢板上可以分布有许多小孔，小孔的直径为0.5～5mm。

作为一种实施方案，所述轮缘、轮毂与辐板预制件烧结接合的方式是烧结扩散焊。所述烧结扩散焊的方法是：在烧结扩散焊之前，首先将轮缘、轮毂与辐板预制件以过盈配合方式进行组装，在接合界面处形成预压力。过盈组装前分别对辐板预制件的外圆与内圆表面进行机械加工，以获得所需的过盈量，并用较大的切削力对加工表面进行挤压，以实现多孔金属表面的致密化，将过盈连接的齿轮组装件放入气氛烧结炉中进行烧结扩散焊接合。

作为另一种实施方案，所述轮缘、轮毂与辐板预制件烧结接合的方式是烧结钎焊。所述烧结钎焊的方法是：在烧结钎焊之前，首先将轮缘、轮毂与辐板预制件在陶瓷工装上进行固定，在轮缘与辐板预制件、辐板与轮毂预制件的邻接表面留适当间隙，并在间隙中填充钎焊料，将工装固定的齿轮组装件放入气氛烧结炉中进行烧结钎焊接合。

附图说明

图1是一种多孔金属辐板齿轮示意图。

图2是一种传统的辐板式圆柱齿轮示意图。

图3是一种含微孔润滑油通道的多孔金属辐板齿轮示意图。

图4是一种双层平钢板夹芯-多孔金属辐板齿轮示意图。

图5是一种盆形钢板夹芯-多孔金属辐板齿轮示意图。

图6是一种双层波形钢板夹芯-多孔金属辐板齿轮示意图。

图7是轮缘预制件的结构示意图。

图8是轮毂预制件的结构示意图。

图9是一种双层平钢板夹芯-多孔金属辐板预制件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用具体实施案例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

一种烧结接合的减振轻量化齿轮，具体的是一种直齿圆柱齿轮，如图1所示，所述齿轮结构包括轮缘10、轮毂20与辐板30，所述轮缘10上分布有用于啮合传动的轮齿11，所述轮毂内含有用于连接传动轴的内孔，图2显示了相应的传统辐板式齿轮结构。

所述齿轮的制造方法为，首先制作轮缘预制件10(图7)、轮毂预制件20(图8)与辐板预制件30，然后将各预制件组装在一起，再放入气氛烧结炉中烧结接合为整体。

所述轮缘预制件10(图1、7)是用一种高强度铁基合金粉料压制、烧结并经过锻造致密化的工艺成形的，所述高强度铁基合金粉料中各合金元素的质量百分比为：1.5Cu、4Ni、0.5Mo、0.8C，其余为Fe，其中C是石墨形式，混料时加入适量润滑剂，所述润滑剂为EBS蜡。所述高强度铁基合金粉料在模具中压制成坯，压制压力为600MPa。将压坯放入气氛烧结炉内，首先加热到550℃，保温0.5小时，进行热脱脂，然后加热到1150℃，烧结1～2小时。将烧结坯稍冷却后，装入热锻模中，在压力机上轴向加压，得到轮缘的致密化粉末锻件，粉末锻件的密度达到合金理论密度的96％以上。

所述轮毂预制件20(图1、8)用合金钢棒料机械加工而成，所述合金钢为40Cr。

所述辐板预制件30(图1)是用一种铁基合金粉料压制并烧结成形的，所述合金粉料中合金元素的质量百分比为：4Ni、0.5Cu、0.3C，其余为Fe，混料时加入适量聚乙烯粉作为润滑与填充剂。将所述粉料在模具中压制坯件，压制压力为100～500MPa。将压坯后放入气氛烧结炉中进行热脱脂与烧结，烧结温度为850～1150℃。根据粉体颗粒粗细、压制压力与加入填充剂含量的不同，可以得到孔隙率为15～60％的辐板烧结件。

作为一种改进的实施方式，所述辐板预制件30可以是从大批量生产的多孔质金属板材上切割而成的，所述多孔质金属板材的材料及孔隙率与上述辐板烧结件相同，所述多孔质金属板材的切割方式可以是激光切割、电火花线切割、水刀切割或立铣刀机械切割等。

作为一种实施方式，将所述轮缘预制件10、轮毂预制件20与辐板预制件30的组装为齿轮组装件(图1)，组装方法为：以轮毂预制件20的外圆尺寸为参考尺寸，对辐板预制件30的内圆面进行机械加工，使轮毂预制件20的外圆面与辐板预制件30的内表面形成过盈配合；以轮缘10的内圆尺寸为参考尺寸，对辐板预制件20外圆面进行机械加工，使轮缘10的内圆面与辐板预制件30的外圆面形成过盈配合。辐板预制件在机械加工时，以较大的切削力对加工表面进行挤压，以实现多孔质表面的致密化。将辐板预制件分别与轮毂、轮缘预制件进行过盈配合连接，得到过盈连接的齿轮组装件。将过盈连接的齿轮组装件装入气氛烧结炉中进行烧结扩散接合，烧结温度为950～1150℃，保温时间为1～2小时，得到齿轮烧结件。

作为另一种实施方式，将所述轮缘预制件10、轮毂预制件20与辐板预制件30组装为齿轮组装件，组装方法为：在陶瓷板工装上对轮缘预制件10、辐板预制件30与轮毂预制件20进行固定，各预制件的相邻表面间保持一定间隙，间隙大小为0.5～3mm，在间隙内填满钎焊料，得到齿轮组装件。将工装固定的齿轮组装件装入气氛烧结炉中进行烧结钎焊，烧结温度为950～1150℃，保温时间为1～2小时，得到齿轮烧结件。

对齿轮烧结件再作以下后续处理：以轮齿外圆为加工基准，对轮毂内孔进行精加工，以保证轮毂内孔与轮齿齿顶圆的同轴度，再加工出轮毂内孔中的键槽。

作为一种改进的实施方式，在每个轮齿的齿槽底部加工出一排通往辐板内部的微孔润滑油通道，如图3所示，所述微孔直径为0.2～0.5mm，微孔的加工方法为电火花打孔或激光打孔。

齿轮再经过热处理等后续处理工艺，得到齿轮成品。

实施例二：

一种烧结接合的减振轻量化齿轮，如图4～6、9所示，除以下实施方案不同外，其余同实施例一。

所述辐板预制件30(图9)是一种钢板夹芯-多孔金属预成形件，由多孔金属层31与钢板层32相间叠加并预连接制成，预连接方式可以是但不限于粘接、钎焊或扩散焊等。所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中钢板的层数为1～3，钢板可以是平钢板，如图4、9所示，也可以是预成形的曲面钢板(图5～6)，曲面钢板的轴向截面轮廓为“盆形”(图5)或“波形”(图6)，其中“波形”轮廓可以是单峰波(图6)、双峰波或类正弦波；所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中多孔金属层31的孔隙率为20～80％，多孔金属层所用材料是一种强度与塑性综合性能良好的合金材料，可以是但不限于铁基合金或铁镍合金。

作为一种改进的实施方式，所述钢板夹芯-多孔金属辐板中的钢板32上可以分布有许多小孔33，如图6所示，小孔的直径为0.5～5mm。该方案可以进一步增加辐板的减振阻尼性能。

Claims (9)

1.一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：由轮缘、轮毂与辐板等预制件烧结接合制成；所述轮缘上分布有用于啮合传动的轮齿，所述轮毂内含有用于连接传动轴的内孔；所述轮缘预制件为精锻或粉末锻造成形件，所述轮毂预制件为机械加工件，所述辐板预制件为多孔金属或钢板夹芯-多孔金属预成形件，所述钢板夹芯中的钢板可以是预成形的曲面钢板；所述烧结接合是烧结扩散焊或烧结钎焊。

2.如权利要求1所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述轮缘的轮齿在齿槽底部有通往多孔金属辐板内部的一组微孔，所述微孔直径为0.2～0.5mm。

3.如权利要求1～2所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述轮缘预制件是一种高强度铁基合金粉末锻造成形件，所述高强度铁基合金粉料内含有石墨、铜、钼、镍等减摩性材料，粉末锻造成形件的致密度不低于96％。

4.如权利要求1～2所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述辐板预制件是一种多孔金属预成形件，所述多孔金属预成形件的孔隙率为15～60％，所述多孔金属预成形件所用材料是一种强度与塑性综合性能良好的合金材料，可以是但不限于铁基合金或铁镍合金。

5.如权利要求1～2所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述辐板预制件是一种钢板夹芯-多孔金属预成形件，由多孔金属层与钢板层间隔叠加并预连接制成，预连接方式可以是但不限于粘接、钎焊或扩散焊等；所述钢板夹芯所用的钢板可以是平板，也可以是预成形的曲面钢板，钢板的层数为1～3，所述多孔金属层的孔隙率为20～80％，多孔金属层所用材料是一种强度与塑性综合性能良好的合金材料，可以是但不限于铁基合金或铁镍合金。

6.如权利要求5所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中钢板的轴向截面轮廓为“盆形”或“波形”，其中“波形”轮廓可以是单峰波、双峰波或类正弦波。

7.如权利要求5～6所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述钢板夹芯-多孔金属预成形件中的钢板上含有许多预加工的小孔，小孔的直径为0.5～5mm。

8.如权利要求1～7所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述轮缘、轮毂与辐板预制件烧结接合的方式是烧结扩散焊，所述烧结扩散焊的方法是：在烧结扩散焊之前，首先将轮缘、轮毂与辐板预制件以过盈配合方式进行组装，在接合界面处形成预压力，过盈组装前对辐板预制件的内外圆表面进行机械加工，以获得所需的过盈量，并用较大的切削力对加工表面进行挤压，以实现多孔金属表面的致密化，将过盈连接的齿轮组装件放入气氛烧结炉中进行烧结扩散焊接合。

9.如权利要求1～7所述的一种烧结接合的减振轻量化齿轮，其特征在于：所述轮缘、轮毂与辐板预制件烧结接合的方式是烧结钎焊，所述烧结钎焊的方法是：在烧结钎焊之前，首先将轮缘、轮毂与辐板预制件在陶瓷工装上进行固定，对轮缘与辐板预制件、辐板与轮毂预制件的邻接表面留适当间隙，并在间隙中填充钎焊料，将工装固定的齿轮组装件放入气氛烧结炉中进行烧结钎焊接合。