摘要：根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及使用工況情況，合理運(yùn)用粉末冶金成形和燒結(jié)原理，實(shí)現(xiàn)了上二下三凸輪軸信號(hào)盤的自動(dòng)成形、自動(dòng)整形,正確選用材質(zhì)以及工藝，使產(chǎn)品尺寸、性能滿足了工況使用要求。

關(guān)鍵詞：凸輪軸信號(hào)盤,粉末冶金,尺寸精度

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）04-0058-06

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源，而信號(hào)盤相當(dāng)于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)，其相位角度的設(shè)計(jì)及精確控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸的協(xié)調(diào)工作起著至關(guān)重要的作用，信號(hào)盤提供信號(hào)給轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器再把信號(hào)傳遞給ECU，ECU收到該信號(hào)就控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油及點(diǎn)火。當(dāng)信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁路中的氣隙就會(huì)周期性地發(fā)生變化，磁路的磁阻和穿過信號(hào)線圈磁頭的磁通量隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，傳感線圈中就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢，而產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢控制著氣缸點(diǎn)火時(shí)間及順序，需要信號(hào)盤具有精確的相位角度,由于電磁感應(yīng)式傳感器輸出電壓的峰值隨轉(zhuǎn)速的大小而變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的低速狀態(tài)下，感應(yīng)電壓很低，也需要信號(hào)盤的信號(hào)齒具有良好的磁感應(yīng)性能，以提高信號(hào)輸出靈敏度。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)

凸輪軸信號(hào)盤是傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)子，裝配在凸輪軸上，利用其外圓的4個(gè)凸齒，在磁場里旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生周期性交變電動(dòng)勢，控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序，保證點(diǎn)火正時(shí)。主要利用其良好的磁感應(yīng)性能及精確的相位角度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸的協(xié)調(diào)工作，因其產(chǎn)生的信號(hào)是通過電流傳遞給ECU，為了削弱磁場對(duì)電流的影響，信號(hào)盤本身的磁場強(qiáng)度應(yīng)有嚴(yán)格的限制。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪軸信號(hào)盤產(chǎn)品見圖1。信號(hào)盤外圓有4個(gè)凸齒，2個(gè)68°大凸齒，2個(gè)18°小凸齒，2個(gè)72°大缺齒，2個(gè)22°小缺齒。信號(hào)盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)凸齒，傳感器中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性交變電動(dòng)勢，并相應(yīng)地輸出一個(gè)交變電壓信號(hào)，故凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周會(huì)有4個(gè)交變信號(hào)產(chǎn)生，ECU每接收4個(gè)信號(hào)，即可知道凸輪軸旋轉(zhuǎn)了一圈。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

產(chǎn)品內(nèi)孔精度等級(jí)較高，達(dá)到了8級(jí)精度，銷孔精度達(dá)到7級(jí),產(chǎn)品外圓信號(hào)齒角度的精確性關(guān)系到裝機(jī)后信號(hào)的準(zhǔn)確性，另外根據(jù)產(chǎn)品的使用工況，要求產(chǎn)品具有較低的剩磁強(qiáng)度，較高的齒部密度。產(chǎn)品主要技術(shù)要求如表1所示。

根據(jù)上述分析，結(jié)合供應(yīng)商實(shí)際生產(chǎn)情況，確定此零件的生產(chǎn)應(yīng)該包含以下主要工序：

（1）成形：保證產(chǎn)品的外形以及密度要求，如相位角度，內(nèi)孔尺寸,

（2）燒結(jié)：保證產(chǎn)品基本性能的要求，如強(qiáng)度、硬度、密度等,

（3）整形：對(duì)燒結(jié)變形的產(chǎn)品進(jìn)行外形的校正，同時(shí)提高內(nèi)孔以及信號(hào)齒角度的精度,

（4）鉆孔、鉸孔：保證產(chǎn)品銷孔達(dá)到要求。

（5）退磁：保證產(chǎn)品有較低的剩磁強(qiáng)度。

3 成形方案設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)以及壓機(jī)選擇

（1）考慮產(chǎn)品的工藝性能、形狀、精度以及表面的要求，除了定位銷孔處必須采用機(jī)械加工外，其余均可以不采用后續(xù)機(jī)械加工。

（2）通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，零件上端面1個(gè)臺(tái)階面，下端面2個(gè)臺(tái)階，整體上構(gòu)成一個(gè)典型的上gGf0ak3dpou2LyZXd+dxh2/KfJPUmXOt5mHMUD5WXM=二下三結(jié)構(gòu)的粉末冶金結(jié)構(gòu)件，在粉末冶金壓坯形狀上定義為Ⅳ型壓坯，Ⅳ型壓坯必須由陰模，一個(gè)上模沖、三個(gè)下模沖和芯棒組成的模具成形，由于沿壓制方向橫截面有變化的不等高壓坯，要保證其密度的均勻性，必須按相同的壓縮比來計(jì)算裝粉高度，同時(shí)為了保證外圓凹槽根部的圓角能夠光滑過渡，采用臺(tái)階陰模結(jié)構(gòu)取代了1個(gè)下模沖。

方案1：成型方案采用上一下二結(jié)構(gòu)，信號(hào)盤正面信號(hào)齒部（A區(qū)）、齒根（B區(qū)）、臺(tái)階（C區(qū)）為一整體模沖，造成ABC區(qū)密度分布極不均勻，從其硬度分布可以得到驗(yàn)證（A區(qū)平均硬度32HRB， B區(qū)平均硬度52HRB，C區(qū)平均硬度70 HRB）。因?yàn)锳BC區(qū)為一整體模沖，在成型時(shí)，A區(qū)松裝填充不夠，造成成型后密度低，而A區(qū)恰好是信號(hào)作用區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度和產(chǎn)品的密度值直接相關(guān)，密度越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，若密度低，對(duì)其磁感應(yīng)強(qiáng)度及傳遞信號(hào)準(zhǔn)確度還是不容忽視的。矯頑力和磁導(dǎo)率都對(duì)孔隙雜質(zhì)敏感，孔隙和雜質(zhì)含量越少，矯頑力場就越小，磁導(dǎo)率就越高，若密度越低，孔隙就越多，對(duì)其矯頑力和磁導(dǎo)率影響就越大。故對(duì)于粉末冶金信號(hào)盤，其信號(hào)作用區(qū)齒部密度不宜過低。

方案2：成型方案采用上一下二+臺(tái)階陰模結(jié)構(gòu)（上一下三結(jié)構(gòu)），信號(hào)盤正面信號(hào)齒部（A區(qū)）、齒根（B區(qū)）為一模沖，臺(tái)階（C區(qū)）為臺(tái)階陰模。因?yàn)锳BC區(qū)是分沖結(jié)構(gòu)，在成型時(shí)，AB區(qū)和C區(qū)的松裝填充可調(diào)，使得成型后ABC各區(qū)密度均勻，從其硬度分布及波動(dòng)可以得到驗(yàn)證（A區(qū)平均硬度61 HRB， B區(qū)平均硬度66 HRB，C區(qū)平均硬度64 HRB）。A區(qū)的密度相對(duì)提高（方案2產(chǎn)品硬度61 HRB大于方案1產(chǎn)品硬度32 HRB），而A區(qū)恰好是信號(hào)作用區(qū)域，故方案2信號(hào)盤磁感應(yīng)強(qiáng)度比方案1產(chǎn)品要好。同時(shí)方案2產(chǎn)品整體密度均勻，在裝配過程中不會(huì)產(chǎn)生破裂，提高了產(chǎn)品各項(xiàng)性能要求。

（3）通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)計(jì)算此產(chǎn)品所需壓制壓力，需130 T的成形壓力。

（4）考慮到壓坯各部分的密度分布的均勻性，壓坯的精度、模沖的個(gè)數(shù)，以及成型過程中粉末的移動(dòng)以及供應(yīng)商成型壓機(jī)的特點(diǎn)、模架結(jié)構(gòu)，為充分體現(xiàn)粉末冶金的特點(diǎn)，此次選擇帶用上三下三模架的機(jī)械式S-200T壓機(jī)。

3.2 模具參數(shù)設(shè)計(jì)

新開發(fā)凸輪軸信號(hào)盤模具設(shè)計(jì)主要參數(shù)如表2所示。

3.3 成型動(dòng)作解析

成形動(dòng)作：裝粉→上沖下行→陰模強(qiáng)制拉下→下浮動(dòng)沖落在擋塊上→臺(tái)階陰模落在擋塊上→成形終了→上缸給保護(hù)壓力→陰模止擋打開脫陰?！赂?dòng)沖擋塊打開脫浮動(dòng)沖→脫芯棒→上缸回程→機(jī)械手夾持脫出產(chǎn)品。

（1）裝粉：因?yàn)樵摿慵诤褫^薄，粉末之間會(huì)產(chǎn)生拱橋效應(yīng)，為了使裝粉均勻，必須采用裝粉效果較好的吸入法裝粉。

（3）壓制成形：上沖下行與陰模合縫后，強(qiáng)制拉下陰模，下浮動(dòng)沖落在擋塊上，上沖與陰模繼續(xù)下行直至陰模落在擋塊上，調(diào)整陰模和外浮動(dòng)沖的壓制速率，避免因非同時(shí)成形而產(chǎn)生裂紋。

（4）脫模：采用陰模拉下式脫模，即陰模向下運(yùn)動(dòng)，逐漸脫出下外沖、下內(nèi)沖、芯棒。脫模時(shí)要注意采用保護(hù)脫模，即脫模過程中上模沖給予產(chǎn)品一定的壓力，待下外沖脫出陰模的同時(shí)撤去上外沖的保護(hù)壓力，上內(nèi)沖繼續(xù)保持壓力，直至下內(nèi)沖脫出陰模，最后中心缸將芯棒抽回。保護(hù)脫?？梢员苊猱a(chǎn)品出現(xiàn)掉塊、裂紋等外觀缺陷。

成形裝配示意圖如圖3所示。

4 材質(zhì)工藝設(shè)計(jì)

原材料選擇依據(jù)：根據(jù)凸輪軸信號(hào)盤的工作原理、粉末冶金件凸輪軸信號(hào)盤的綜合性能及尺寸要求，原材料應(yīng)該具備以下四個(gè)方面的性能：

（1）磁性能好。對(duì)于磁性材料，碳的存在降低一定的磁性能，故碳含量應(yīng)盡量低。同時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和產(chǎn)品的密度值有直接相關(guān)，密度越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高。矯頑力和磁導(dǎo)率都對(duì)燒結(jié)條件和間隙雜質(zhì)敏感，燒結(jié)溫度越高和雜質(zhì)含量越少，矯頑力場就越小，磁導(dǎo)率就越高。燒結(jié)溫度越高，時(shí)間越長，金相組織平均晶粒尺寸就越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好[1]。

（2）壓制性和穩(wěn)定性好，磁性材料，傳遞信號(hào)部位密度越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，傳遞信號(hào)就越準(zhǔn)確。磁性粉末又必須同時(shí)具備穩(wěn)定的粒度分布與粒度組成且化學(xué)成分均勻、無偏析、穩(wěn)定的流速以及穩(wěn)定的松裝密度等重要特性。由于在混料中可能產(chǎn)生的不均勻，包括比重偏析在內(nèi)的混合料不均勻性，在燒結(jié)中因燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間及壓坯密度不均勻等造成的擴(kuò)散不充分，則會(huì)引起組織不均勻，并使零件性能產(chǎn)生波動(dòng)。而采用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易發(fā)生偏析[2]，且Cu相對(duì)較軟，能提高壓制性能。

（3）尺寸穩(wěn)定性，凸輪軸信號(hào)盤信號(hào)齒角度精度越高，傳遞信號(hào)的準(zhǔn)確度就越高，其金相組織平均晶粒尺寸越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好。但對(duì)于粉末冶金件，要使其組織平均晶粒尺寸越大、孔隙越圓滑就需要較高的燒結(jié)溫度和較長的燒結(jié)時(shí)間。而燒結(jié)溫度越高，時(shí)間越長，尺寸變化又越大[3]，尺寸精度尤其是相位角度就難以保證。同時(shí)信號(hào)盤需裝配到凸輪軸上，其內(nèi)孔精度及材料的強(qiáng)度和韌性一定要保證。綜合以上各種因素，選擇添加少量的C及一定比例的銅，既能穩(wěn)定產(chǎn)品尺寸變化，提高強(qiáng)度、韌性，還能提高密度，降低孔隙率，后續(xù)再通過整形對(duì)零件的尺寸以及形位公差進(jìn)行校正。既保證了可靠磁性能，又保證了產(chǎn)品強(qiáng)度、韌性及尺寸要求。

（4）燒結(jié)后要滿足產(chǎn)品既定的性能要求：產(chǎn)品密度≥6.4 g/cm3 ，硬度≥40 HRB，抗拉強(qiáng)度≥300 MPa，延伸率≥1%。

根據(jù)以上提出的材料性能要求，經(jīng)過性能試驗(yàn)對(duì)比和燒結(jié)綜合參數(shù)測定，結(jié)合現(xiàn)有的材料標(biāo)準(zhǔn)提供的相關(guān)材質(zhì)達(dá)到的性能指標(biāo)，選取Fe-Cu-C材料。

綜上所述，選取供應(yīng)商牌號(hào)為F1407的鐵粉，其性能參數(shù)如表3所示。

5 燒結(jié)工藝設(shè)計(jì)

為保證凸輪軸信號(hào)盤在燒結(jié)過程中具有理想的金相組織，穩(wěn)定的尺寸，結(jié)合供應(yīng)商現(xiàn)有設(shè)備實(shí)際特點(diǎn)，選用德國進(jìn)口的步移梁式燒結(jié)爐，步進(jìn)梁式燒結(jié)爐具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)高溫?zé)Y(jié)，提高燒結(jié)溫度可以提高生產(chǎn)效率，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)提高55℃燒結(jié)溫度對(duì)致密化程度的影響效果相當(dāng)于延長燒結(jié)時(shí)間幾十倍或幾百倍[4]。

（2）在工作過程中可提供連續(xù)的、可重復(fù)的時(shí)間-溫度-氣氛曲線，這在粉末冶金生產(chǎn)中非常重要，當(dāng)爐子的舟速一定時(shí)，各個(gè)溫度可控帶設(shè)定的溫度以及氣氛組成、氣氛流量已經(jīng)確定時(shí)，則通過該燒結(jié)爐的所有壓坯都是在一組相同的工藝參數(shù)下燒結(jié)的，結(jié)果是建立了一條穩(wěn)定的加熱曲線，這就保證了燒結(jié)零件的質(zhì)量即零件尺寸、CkYRIPyemDJhRGlMq0I+0A==性能的均勻一致性[4]。

（3）操作簡單，自動(dòng)化程度高,輔料消耗和熱損失小，零件受熱均勻,依據(jù)所選燒結(jié)爐制訂燒結(jié)爐工藝，即各區(qū)溫度、燒結(jié)速度，以及氣氛流量的大小，結(jié)合燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的大小、加熱時(shí)間以及保溫時(shí)間并結(jié)合粉末具體參數(shù)變化，確定了以下擺放方式，即采用架燒模式，產(chǎn)品4x4均勻擺放在石墨墊板上，產(chǎn)品間隔10～20 mm，如圖4所示。

6 整形工藝設(shè)計(jì)

6.1 整形方式的選擇——全整形

為了保證信號(hào)盤的端面端跳、齒相位角度、平面度以及內(nèi)孔精度，必須對(duì)燒結(jié)后的毛坯進(jìn)行全整形，即內(nèi)外徑以及高度方向均產(chǎn)生塑性變形。全整形塑變充分，產(chǎn)品出模后彈性回彈小，制品的內(nèi)外徑尺寸精度可達(dá)到IT6-7級(jí)[5]，滿足本產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

6.2 整形方案設(shè)計(jì)

（1）因?yàn)楫a(chǎn)品成形和燒結(jié)后，產(chǎn)品下部兩個(gè)臺(tái)階面的高度可能會(huì)和預(yù)想的會(huì)有差異，所以下沖最好做成分沖，這樣根據(jù)燒結(jié)后產(chǎn)品上下兩個(gè)臺(tái)階的高度，可以調(diào)節(jié)好分沖之間的段差。

（2）理論上整形時(shí)應(yīng)先讓下外模沖和上模沖接觸產(chǎn)品，再讓下內(nèi)沖接觸產(chǎn)品，這樣可以避免產(chǎn)品在臺(tái)階圓角處出現(xiàn)裂紋，實(shí)際上整形時(shí)壓下量只有0.1 mm左右，在壓機(jī)上不易測量，可根據(jù)產(chǎn)品出模后的狀態(tài)做進(jìn)一步的調(diào)整。

6.3 壓機(jī)的選擇

根據(jù)產(chǎn)品的形狀以及整形方式，決定了整形壓機(jī)必須選擇帶上二下二或上二下三模架的壓機(jī)，同時(shí)該產(chǎn)品的整形壓力經(jīng)過計(jì)算需要100 T左右，結(jié)合供應(yīng)商的實(shí)際情況，選擇帶有上二下三結(jié)構(gòu)模架的315 T液壓機(jī)。整形裝配圖如圖5所示。

7 后加工工藝設(shè)計(jì)

凸輪軸信號(hào)盤銷孔精度達(dá)到7級(jí)，其位置與產(chǎn)品外圓齒開口角度的位置關(guān)系精確度關(guān)系到裝機(jī)后信號(hào)的準(zhǔn)確性，故其孔徑及孔位置精度的尺寸尤為重要。

（1）在樣件階段采用的是鉆孔、鉸孔方式，鉆孔和絞孔是分開完成的，設(shè)計(jì)了專用夾具及檢具，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）量產(chǎn)后考慮使用專機(jī)加工，設(shè)計(jì)一套專用夾具，保證在一次裝夾的情況下完成鉆孔、絞孔、檢測、壓裝，提高效率。

8 產(chǎn)品的性能及尺寸測試結(jié)果

對(duì)于不熱處理的粉末冶金零件，燒結(jié)后產(chǎn)品的性能已確定，故產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸檢測如表6所示。

產(chǎn)品所有關(guān)鍵尺寸PPK>1.67，過程能力充分。

9 結(jié)論

（1）合理的成形模具分沖設(shè)計(jì)，使得凸輪軸信號(hào)盤各區(qū)密度均勻，提高了信號(hào)輸出靈敏度。

（2）合理的燒結(jié)及全整形工藝設(shè)計(jì)，有效地提高了信號(hào)盤的相位角度、內(nèi)孔IT8級(jí)精度等要求，保證了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸工況的精確控制。

參考文獻(xiàn)：

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