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发表于 2020-7-17 09:05:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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粉末冶金结构零件铆接工艺研究与应用

庞亨江,谢锋

(东风格特拉克汽车变速箱有限公司,湖北 武汉 430000)


摘 要:简要介绍了粉末冶金件的应用情况,结合实例给出粉末冶金件与其他零件的铆接工艺要求,根据粉末冶金铆接特点设计了合理的工艺方案,通过在产品中的应用证实了粉末冶金件的可铆接性。

关键词:粉末冶金;铆接;连接装配

引言

近年来,通过不断引进国外先进技术,逐步与自主开发创新相结合,中国粉末冶金产业和技术都呈现出高速发展的态势,是中国机械通用零部件行业中增长最快的行业之一,每年全国粉末冶金行业的产值以35%的速度递增。

粉末冶金技术具有节能、省材、性能优异、产品精度高、且稳定性好等一系列优点,部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造。如今,汽车行业中粉末冶金制成的结构零件装配占据了重要位置,有时往往还需要将粉末冶金零件与其他材料相连接,制成一体零件。其中铆接因连接变形小、对连接环境要求低、操作方便,在批量生产的无须拆卸的装配体零部件产品上被广泛运用,特别适合薄件连接。本文将研究粉末冶金零件铆接的工艺方法,并用实例来证实粉末冶金件铆接的可行性。

产品应用环境介绍

本文介绍的是某汽车变速箱驻车系统零件,零件由异形粉末冶金件、薄壁冲压件、向心滚针轴承总成组成,见图1。

该零件主要工作原理是通过异形粉末冶金件沿轴心旋转,而使其凸轮结构实现相应功能,薄壁冲压件的内壁作为滚针轴承的滚道面,该零件与粉末冶金件采用过盈配合。根据产品设计要求,旋转过程中要防止薄板冲压件从粉末冶金件中松脱。该组件在台架试验中不能发生冲压件脱出粉末冶金件从而影响产品旋转功能,导致发生故障。

该产品初期设计时采用薄板冲压件和粉末冶金件压装的方式,配合方式为过盈配合,试制产品在台架试验中有松脱现象,为防止在运行过程中冲压件与粉末冶金件分离,需采用特定的方式连接,由于两种零件的含碳量均高于0.5%,且冲压件属于薄壁零件,不适于采用焊接工艺。采用胶粘的固定方法,对零件配合面的洁净度及表面质量要求较高,工序复杂劳动强度大。胶粘剂的挥发性对环境的污染以及对操作人员身体健康的影响都是巨大的,且使用胶粘和的零件仍然存在运行过程中受环境的影响而存在连接失效的风险。采用铆接的方式对粉末冶金件与冲压件进行连接,实现了两者的可靠固定连接,连接后的零部件经装配后的测试,能够满足产品的设计和使用要求。


   图1 产品组件

粉末冶金结构件铆接工艺要求

图1 中产品为粉末冶金件与薄板冲压件的铆接。要求装配完成后,粉末冶金件和铆钉不能产生裂纹;为了保证产品的合格率和可制造性,铆钉头包络圆直径应满足公差要求,根据包络圆直径转化计算,铆钉头的直径范围应控制在(4.8-5.6)mm;通过对此分总成的轴向尺寸链分析,薄板冲压件和粉末冶金件的轴向位移不能超过0.5mm。产品经检测无法达到工艺要求则会造成产品失效。

通过对粉末冶金件材料的机械性能的研究及选择、铆钉的选择及装配方法的设计以及铆接方式的研究综合考虑,制定出合理的铆接工艺,可提高粉末冶金件材料制成的零件的铆接后产品合格率。

铆接工艺方案设计

4.1 粉末冶金件机械性能研究,材料的选择

由于粉末压制而成的压坯,其内部的孔隙不能完全消除,粉末冶金件的物理力学性能较差,即使选择热处理状态的粉末冶金,抗拉强度也只能达到700Mpa,因此,粉末冶金的制品在强度和韧性上与相应成分的铸件、锻件相比要差,导致在铆接过程中易产生铆接微裂纹,影响总成产品的性能。为选择合适的粉末冶金的材料,开展如下分析:

分析对象:孔最薄壁厚度为2.3mm;

分析目的:确定最薄壁厚处铆钉孔部位的强度;

判断准则:采用第四强度理论的屈服准则判断,即Vonmiss 等效应力应小于屈服强度。


通过定义边界调节,对分析对象施加不同载荷,利用相关分析软件进行求解。

边界条件:

(1)固定凸轮环底部,约束X,Y,Z 向位移为0;

(2)对销孔施加压力PREESURE。

施加载荷:对分析对象施加不同的载荷,见表1:

表1 不同载荷及等效径向施加力对照表


利用分析软件求解器对目标对象进行求解后,得到不同载荷下的计算结果,图2 为受力图及不同载荷下的应力云图。


图2 边界受力图及不同施加力下的应力云图

从分析结果可知,销孔施加压力为400MPa 时,其最大应力为683.2MPa;销孔压力为500MPa,其最大应力为801.7MPa;销孔施加压力为600MPa 时,其最大应力为815MPa。通过对不同粉末冶金材料进行比较分析,最终选择MIBA SE4316 这种材料作为产品的粉末冶金材料,该材料的机械性能见表2. 采用了特殊的粉末材料及工艺得到的粉末冶金材料,其物理力学性能得到极大提升,从表中可知其屈服强度达到745MPa,抗拉强度为970Mpa。

表2 MIBA SE4316 材料的机械性能参数表


    4.2 铆钉的选择及铆钉防转动设计

铆钉分为实心铆钉、抽心铆钉及特种铆钉三大类。由于该分总成需要采用装配线装配,采用抽芯铆钉在定位和夹紧上不易实施,故考虑采用实心铆钉。实心铆钉可分为圆头铆钉、大扁头铆钉等。考虑到对手件的设计强度,且铆钉需要尽量扁平化,故选择采用大扁头铆钉。

该组件在汽车行驶过程中会做旋转运动,为防止铆钉在组件运转过程中发生松动。需要考虑增加铆接的防松设计,如图3 所示。将薄板冲压件的两个铆钉孔与中间大孔中心形成的夹角设计为20.51°,而粉冶件的两个铆钉孔中心与大孔中心形成的夹角设计为21.7°,二者压装配后因大孔中心重合,因此会在粉冶件上形成一个月牙型台阶。铆接时铆钉材料通过挤压会在月牙型台阶上形成堆积,从而提供了一个可防止铆钉转动的阻力。


    图3 铆钉防转动设计原理图

4.3 铆接方法的设计

图4 旋铆方式原理图

考虑粉末冶金件材料特性,在铆接过程中应尽可能减少对粉末冶金件铆钉孔的压力。因粉末冶金件的韧性较差,若采用直接压铆的方式进行铆接,铆钉在粉末冶金件孔壁内产生较大的挤压力,从而增加了粉末冶金件开裂的可能。经分析旋铆工艺能够极大的减小孔内壁的挤压力。旋铆动作包括径向运动和轴向运动。径向运动是由偏心主轴带动球面副形成径向运动轨迹,轴向运动是由偏心主轴与铆座形成偏心角度进行轴向运动,因此铆接安全稳定,无晃动。旋铆机铆接时铆头以一定的摆动角度与需要铆接的工件(铆钉)接触,这种铆接方式与传统的压铆机、吹铆或冲压铆不同,旋铆机是通过摆动铆接方式使铆钉局部变形逐渐延展到整体,消除内应力,防止铆钉墩粗、弯曲、变形等,有效提高铆接表面光洁度,从而达到理想的铆接效果,旋铆方式设计原理图见图4 所示。

实施效果

根据确定的粉末冶金材料、铆钉材料及铆接工艺,试生产3 批零件,进行产品工艺要求验证。

5.1 轴向位移验证

粉末冶金件与冲压件采用旋铆方式连接后,对通过台架试验的组合件,进行如图6 标识的三个测量点进行测量。


   图6 轴向位移测量


从图中可以看出三个测量点试验前后的测量结果,将测量后的结果归纳起来,见表2。

表2 轴向位移测量统计表


    从测量后的结果可以看出,实验前的厚度与试验后的厚度差值最大为0.47mm,完全满足产品轴向位移≤0.5mm 的要求。

5.2 开裂情况验证

对旋铆后的部件进行线切割后,采用着色探伤的方法确认,未见粉末冶金件在铆接后存在裂纹,图7 为着色探伤的零件图。


图7 着色探伤的零件图

5.3 压出力情况验证

压出力是评判连接件连接可靠的重要指标,对产品性能及可靠性有重要影响,通过制定测试方案,进行压出力的测量,从而比较铆接后的部件与未铆接直接压装的零件压出力大小。其试验方案如下:

(1)准备工装,零件,见图8 所示。


图8 试验工装及测试零件实物图

(2)对部件中的冲压件进行切割,露出支撑面,如图9所示。


图9 切割后的零部件实物图

(3)通过压力机施加力压出冲压件,同时记录压出力数据,试验装置及测试仪器见图10 所示。


    图10 试验装置实物图

对铆接后的20 件零件进行压出力试验得到铆接后的部件与未铆接直接压装的零件压出力大小,如图11 所示。从图中可以看出,铆接后的零部件压出力大小为4504.65N,而未铆接直接压装的零件其压出力为3761N,铆接后的压出力有较大幅度的上升,说明该连接方案在结合力增加上的有效性。


图11 压出力箱线图

在实际的铆接过程中,应综合考虑每个方面的因素,通过相互配合调整涉及到的各个参数,采用规范化的操作流程,才能获得满意的铆接效果。

结论

本文通过对粉末冶金结构零件与冲压件铆接工艺的研究,分析了粉末冶金件铆接特点以及可能产生的铆接缺陷,通过对粉末冶金件材料的调整以及受力状态的控制,极大提高了粉末冶金结构零件铆接后的产品合格率。在本文提到的采用铆接方式连接的驻车系统零件目前已进入批量生产状态,说明了粉末冶金结构零件是具有可铆接性的。本文提到的工艺方法对其他涉及到粉末冶金结构件的连接中亦可进行铆接工艺来实现。

参考文献
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