CN112855304B - 凸轮轴信号盘组合结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种凸轮轴信号盘组合结构及其制备方法，该凸轮轴信号盘组合结构包括：信号盘，所述信号盘上设置有轴孔；凸轮轴，所述凸轮轴贯穿所述轴孔与所述信号盘连接；钎焊连接部，形成在所述信号盘上并将所述信号盘与所述凸轮轴连接；所述信号盘和所述钎焊连接部分别由粉末预制件和钎焊料通过烧结处理同时成型。该凸轮轴信号盘组合结构中，由于在信号盘上设计形成钎焊连接部，因而在烧结工序中，可以加入粉末冶金专用钎焊料，烧结过程中焊料熔化使信号盘与芯轴之间的界面形成牢固的冶金结合。

Description

凸轮轴信号盘组合结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种凸轮轴信号盘组合结构及其制备方法。
背景技术
凸轮轴是发动机配气系统的关键零部件之一，用于驱动气门的开闭。凸轮轴的制备工艺包括铸造、锻造和组合式制备工艺。其中，组合式制备工艺是目前最先进的凸轮轴制造工艺，其工艺流程是将凸轮轴分解成芯轴、端头、凸轮、轴颈等若干个部件，分别进行材料选择及精加工，然后经特定工艺使各部件与芯轴相互连接，得到组合式中空凸轮轴。与传统的铸造、锻造方法相比，组合式中空凸轮轴优势巨大，包括：1)易实现中空结构，减重明显；2)设计灵活、生产柔性；3)尺寸精度高，后续加工余量小，节能节材，因此广泛应用于多种中、高档汽油发动机和柴油发动机。
粉末冶金组合烧结工艺是一种新型的组合式中空凸轮轴制备工艺，所制备的凸轮轴被称为粉末冶金中空凸轮轴。该工艺的特点是：首先采用特殊粉末冶金材料压制凸轮，然后把凸轮装套在芯轴上，放入烧结炉进行烧结，上述粉末冶金凸轮材料在高温的持续烧结过程中能够产生大量液相，使材料密度显著提高，产生较大收缩量而抱紧钢制芯轴，由于液相的存在，凸轮材料与钢制芯轴的界面之间发生明显的元素扩散，而最终形成牢固的冶金结合。相对于其他机械过盈连接方式的组合式凸轮轴，粉末冶金中空凸轮轴具有连接强度高、抗扭转性能优越、耐磨性突出等优势。
一般情况下，凸轮轴上都安装有一片粉末冶金信号盘，用于感应确定凸轮轴的相位角度。对于某些型号设计的凸轮轴，其信号盘位于凸轮轴的两个凸轮之间，在应用粉末冶金组合烧结工艺制备这种中空凸轮轴时，由于信号盘材料一般为常规的粉末冶金Fe-Cu-C或Fe-C，在烧结过程中不产生液相，也没有尺寸的显著收缩，因此无法与芯轴形成冶金结合，导致连接强度不能满足使用要求，在凸轮轴高速旋转过程中可能会发生信号盘的相对位移、转动等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种凸轮轴信号盘组合结构及其制备方法，该凸轮轴信号盘组合结构中，由于在信号盘上设计形成钎焊连接部，因而在凸轮轴烧结工序中，可以加入粉末冶金专用钎焊料，烧结过程中焊料熔化使信号盘与凸轮轴之间的界面形成牢固的冶金结合，以解决现有技术中粉末冶金信号盘与钢制芯轴组合无法形成牢固冶金结合的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种凸轮轴信号盘组合结构。
该凸轮轴信号盘组合结构包括：
信号盘，所述信号盘上设置有轴孔；
凸轮轴，所述凸轮轴贯穿所述轴孔与所述信号盘连接；
钎焊连接部，形成在所述信号盘上并将所述信号盘与所述凸轮轴连接；所述信号盘和所述钎焊连接部分别由粉末预制件和钎焊料通过烧结处理同时成型。
进一步的，所述钎焊连接部包括：
侧向通孔，沿径向开设在所述信号盘上，并且所述侧向通孔连通所述轴孔；
浅沟槽，沿周向开设在所述轴孔的内侧壁上，并且所述浅沟槽与所述侧向通孔连通。
进一步的，所述浅沟槽开设在所述轴孔内侧壁的中间位置。
进一步的，所述浅沟槽开设在所述轴孔内侧壁的一侧且靠近边缘处位置。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种凸轮轴信号盘组合结构的制备方法。
该凸轮轴信号盘组合结构的制备方法包括以下步骤：
制备预烧信号盘，并且在所述预烧信号盘上形成侧向通孔和浅沟槽；
采用机械过盈配合方式将所述预烧信号盘与凸轮轴进行组装，得到组合好的凸轮轴；
将所述组合好的凸轮轴放入烧结炉，并且所述侧向通孔的开口朝上，然后向所述侧向通孔内放入钎焊料；
进行烧结。
进一步的，所述预烧信号盘的制备包括以下步骤：
采用模具压制成形制备粉末冶金信号盘生坯；其中，压制密度≥6.5g/cm3；
所述粉末冶金信号盘生坯的预烧，得到所述预烧信号盘。
进一步的，采用内孔机加工的方式在所述预烧信号盘上形成所述浅沟槽和侧向通孔；或者对所述模具进行优化设计，使得所述粉末冶金信号盘生坯上形成所述浅沟槽和侧向通孔；其中，所述浅沟槽的深度为0.03～0.30mm，所述浅沟槽的宽度为3～5mm。
进一步的，所述预烧的工艺为：采用还原性保护气氛或真空条件，预烧温度为800～1150℃，保温时间为30～60min。
进一步的，所述预烧信号盘的轴孔直径与所述凸轮轴的芯轴外径形成过盈配合，且过盈量为0.01～0.15mm。
进一步的，所述烧结的烧结温度为1080～1150℃，保温时间为30～120min；所述钎焊料的熔点为800～1070℃。
本发明中凸轮轴信号盘组合结构的烧结连接方法具有易操作、可靠性高的优点。
本发明中，将粉末冶金信号盘压坯进行预烧使之具备一定强度，并且通过预先的模具优化设计或对预烧后信号盘进行机加工的方式，使粉末冶金信号盘轴孔的内壁上制有一个浅沟槽，侧面制有一个侧向通孔，然后在凸轮轴组装工序过程中，将粉末冶金信号盘过盈装配于芯轴上。在凸轮轴烧结工序中，通过上述的侧向侧孔放入粉末冶金专用钎焊料，烧结过程中焊料熔化吸入浅沟槽内，使信号盘与芯轴之间的界面形成牢固的冶金结合。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的实施例中凸轮轴信号盘组合结构的结构示意图；
图2为本发明的一种实施例中粉末冶金信号盘的结构示意图；
图3为本发明的一种实施例中粉末冶金信号盘的纵向截面图；
图4为本发明的另一种实施例中粉末冶金信号盘的纵向截面图；
图5为本发明的实施例中烧结时芯轴与钎焊料的放置示意图。
图中：
1、信号盘；2、轴孔；3、侧向通孔；4、浅沟槽；5、凸轮轴；6、芯轴；7、信号齿；8、端头；9、凸轮；10、轴颈；11、钎焊料。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种凸轮轴信号盘组合结构，如图1～图5所示，该凸轮轴信号盘组合结构包括信号盘1、凸轮轴5和钎焊连接部，信号盘1上设置有轴孔2；凸轮轴5贯穿轴孔2与信号盘1连接；钎焊连接部形成在信号盘1上并将信号盘1与凸轮轴5连接；信号盘1和钎焊连接部分别由粉末预制件和钎焊料11通过烧结处理同时成型。
在上述实施例中，信号盘1上设计形成能够加入钎焊料11的钎焊连接部，并且在凸轮轴组装工序过程中，信号盘1通过轴孔2装配于凸轮轴5上，而且可以通过钎焊连接部加入粉末冶金专用钎焊料11，烧结过程中钎焊料11熔化使信号盘1与凸轮轴5之间的界面形成牢固的冶金结合。
作为本发明的另一种实施例，钎焊连接部主要由侧向通孔3和浅沟槽4组成，具体地，如图3和图4所示，侧向通孔3沿径向开设在信号盘1上，并且侧向通孔3连通轴孔2；浅沟槽4沿周向开设在轴孔2的内侧壁上，并且浅沟槽4与侧向通孔3连通。
在本发明中，可以向侧向通孔3中放入粉末冶金专用钎焊料11，烧结过程中钎焊料11熔化吸入浅沟槽4内，使粉末冶金信号盘与凸轮轴5之间的界面形成牢固的冶金结合。
作为本发明的另一种实施例，浅沟槽4开设在轴孔2内侧壁的中间位置，如图3所示。
作为本发明的另一种实施例，浅沟槽4开设在轴孔2内侧壁的一侧且靠近边缘处位置，如图4所示。
作为本发明的另一种实施例，信号盘1上设置有多个信号齿7。
作为本发明的另一种实施例，凸轮轴还包括端头8、凸轮9和轴颈10，也即端头8、凸轮9和轴颈10分别与芯轴6进行组装形成凸轮轴5。
本发明还公开了一种凸轮轴信号盘组合结构的烧结连接方法，该方法包括以下步骤：
采用中空钢管进行机加工的方式制备得到粉末冶金中空凸轮轴的芯轴。
对粉末冶金信号盘的成形模具进行优化设计，使得粉末冶金信号盘在预烧之后的内孔直径与芯轴外径形成过盈配合，且过盈量为0.01～0.15mm。
在本发明中，粉末冶金信号盘成形模具的优化设计包括：
(1)对信号盘的芯棒尺寸进行优化设计，使信号盘在预烧工序之后的内孔直径与凸轮轴芯轴钢管的外径形成过盈配合，过盈量为0.01～0.15mm。
(2)可选择对信号盘芯棒的结构进行设计，使芯棒具备台阶，从而使成形后的信号盘的内孔包含一个浅沟槽，如图3所示的内孔沟槽。
(3)可选择对信号盘的模具设计一个侧向芯棒，配合具备压制横向孔的粉末成形机，从而使成形后的信号盘包含一个侧向孔，如图3所示的侧向孔。
采用模具压制成形制备粉末冶金信号盘生坯；其中，压制密度≥6.5g/cm3。
在本发明中，采用常规的铁基粉末冶金信号盘的混合粉末通过模压成形的方式制备信号盘生坯，模具采用上述优化设计的模具。粉末冶金信号盘材料主成分为Fe，且包含但不限于Cu、C、Ni等添加元素的一种或多种。
粉末冶金信号盘生坯的预烧，得到预烧信号盘；其中预烧工艺为：采用还原性保护气氛或真空条件，预烧温度为800～1150℃，保温时间为30～60min。
在预烧信号盘上形成浅沟槽和侧向通孔。
在本发明的实施例中，可采用以下两种方法使信号盘内孔具备一个浅沟槽和一个侧向通孔，其中，方法一：对粉末冶金信号盘的模具优化设计。方法二：使用内孔机加工的方式，在预烧信号盘内孔加工出图3或图4所示的浅沟槽，在预烧信号盘侧向加工一个通孔。
在本发明的实施例中，浅沟槽的深度可以在0.03～0.30mm范围内，当然还可以根据实际需要进行选择设置。
在本发明的实施例中，浅沟槽的宽度可以在3～5mm范围内，当然还可以根据实际需要进行选择设置。
在本发明的实施例中，侧向通孔的孔径可以在3～4mm范围内，当然还可以根据实际需要进行选择设置。
采用机械过盈配合方式将预烧信号盘与凸轮轴进行组装，得到组合好的凸轮轴。
当然，与此同时还将凸轮轴的其他部件(如端头、凸轮、轴颈)，分别与芯轴进行组装形成凸轮轴。
将凸轮轴放入烧结炉，并且侧向通孔的开口朝上，然后向侧向通孔内放入钎焊料，钎焊料的熔点为800～1070℃。
进行烧结，其中，烧结温度为1080～1150℃，保温时间为30～120min。
在本发明的烧结过程中，钎焊料熔化进入粉末冶金信号盘内孔的浅沟槽，最终使粉末冶金信号盘和钢制芯轴形成牢固的冶金结合。
以下将通过具体实施例对本发明中的凸轮轴信号盘组合结构以及凸轮轴信号盘组合结构的烧结连接方法进行详细说明。
实施例1：
根据凸轮轴的芯轴图纸加工芯轴部件，其外径为26.00±0.02mm。设计信号盘压制成形模具，圆形芯棒直径为25.80mm，无台阶设计。使用Fe-1.8Cu-0.7C的粉末冶金材料进行信号盘生坯的压制，密度6.8g/cm3。然后将生坯放入网带式烧结炉中进行预烧，预烧温度1000℃，保温时间45min，气氛为氮氢混合气，预烧后，信号盘内孔为25.90±0.03mm。对信号盘内孔进行机加工，按照图4所示，加工一深度0.1mm、宽度4mm的浅沟槽，同时在侧向加工一个直径3.5mm的通孔。将信号盘与凸轮轴芯轴进行过盈装配，装配角度和轴向位置按照凸轮轴的图纸要求执行，并且将凸轮、轴颈、端头等其他部件与芯轴组合，得到完整的组合轴。将组合轴放入网带式烧结炉中，摆放时将信号盘的侧向孔朝上放置，孔内放入1g的粉末冶金专用钎焊料(如图5所示)。烧结温度1130℃，保温45min。冷却出炉，最终得到粉末冶金信号盘与钢制芯轴形成牢固冶金结合的粉末冶金中空凸轮轴。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，所述凸轮轴信号盘组合结构包括：
信号盘(1)，所述信号盘(1)上设置有轴孔(2)；
凸轮轴(5)，所述凸轮轴(5)贯穿所述轴孔(2)与所述信号盘(1)连接；
钎焊连接部，形成在所述信号盘(1)上并将所述信号盘(1)与所述凸轮轴(5)连接；所述信号盘(1)和所述钎焊连接部分别由粉末预制件和钎焊料通过烧结处理同时成型；其中，
所述钎焊连接部包括：
侧向通孔(3)，沿径向开设在所述信号盘(1)上，并且所述侧向通孔(3)连通所述轴孔(2)；
浅沟槽(4)，沿周向开设在所述轴孔(2)的内侧壁上，并且所述浅沟槽(4)与所述侧向通孔(3)连通；
所述浅沟槽的深度为0.03～0.30mm，所述浅沟槽的宽度为3～5mm；所述侧向通孔的孔径为3～4mm；
所述的制备方法包括以下步骤：
制备预烧信号盘，并且在所述预烧信号盘上形成侧向通孔和浅沟槽；所述预烧信号盘的制备包括以下步骤：采用模具压制成形制备粉末冶金信号盘生坯，压制密度≥6.5g/cm3；所述粉末冶金信号盘生坯的预烧，得到所述预烧信号盘；其中，采用还原性保护气氛或真空条件，预烧温度为800～1150℃，保温时间为30～60min；
采用机械过盈配合方式将所述预烧信号盘与凸轮轴进行组装，得到组合好的凸轮轴；
将所述组合好的凸轮轴放入烧结炉，并且所述侧向通孔的开口朝上，然后向所述侧向通孔内放入钎焊料；
进行烧结。
2.根据权利要求1所述的凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，所述浅沟槽(4)开设在所述轴孔(2)内侧壁的中间位置。
3.根据权利要求1所述的凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，所述浅沟槽(4)开设在所述轴孔(2)内侧壁的一侧且靠近边缘处位置。
4.根据权利要求1所述的凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，采用内孔机加工的方式在所述预烧信号盘上形成所述浅沟槽和侧向通孔；或者对所述模具进行优化设计，使得所述粉末冶金信号盘生坯上形成所述浅沟槽和侧向通孔；其中，所述浅沟槽的深度为0.03～0.30mm，所述浅沟槽的宽度为3～5mm。
5.根据权利要求1所述的凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，所述预烧信号盘的轴孔直径与所述凸轮轴的芯轴外径形成过盈配合，且过盈量为0.01～0.15mm。
6.根据权利要求1所述的凸轮轴信号盘组合结构的制备方法，其特征在于，所述烧结的烧结温度为1080～1150℃，保温时间为30～120min；所述钎焊料的熔点为800～1070℃。
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