汽车变速箱粉末冶金齿轮：工艺原理

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  汽车变速箱粉末冶金齿轮内部发生了什么
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  为什么密度决定汽车变速箱粉末冶金齿轮的承载能力
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  汽车变速箱粉末冶金齿轮必须遵循的几何规则
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  无需补加工即可保证的公差
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  汽车变速箱粉末冶金齿轮不适用的情况
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  密度路线及各自带来的收益

汽车变速箱粉末冶金齿轮的起点是雾化铁粉、铜、镍、钼和润滑剂的混合粉。混合粉落入模腔，上下两个冲头以 400–800 MPa 双向压制。脱模的压坯保持形状，但几乎没有强度，脆弱到用手指就能掰断薄腹板。

烧结是零件成为金属的环节。压坯在氮氢气氛炉中于 1,120–1,150 °C 保温 20–40 分钟。铜熔化并沿铁颗粒边界铺展。镍和钼扩散较慢，基本停留在原位。颗粒间的颈部长大，孔隙球化，零件线性收缩约 0.5–1.5%。

结果是齿轮体积残留 10–12% 的孔隙。孔隙是该工艺的决定性特征，也是后续所有限制的来源。孔隙是应力集中点、油路通道，也是切削刀具会中断切削的位置。

渐开线斜齿轮比直齿轮更难压制，因为螺旋角必须从模具中脱出。约 30° 以内的螺旋角可用旋转下冲头压制，但超过约 20° 后模具成本快速上升。

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  压坯密度烧结前通常为 6.8–7.2 g/cm³
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  烧结密度一次压制烧结为 6.9–7.4 g/cm³
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  孔隙率体积 10–12%，烧结后多为闭孔
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  收缩率线性 0.5–1.5%，可预测但随模具而异

弯曲疲劳强度随密度近似指数增长。密度 7.0 g/cm³ 时，烧结齿轮的弯曲疲劳极限约为 250–300 MPa。密度提高到 7.4 g/cm³，同一合金可达 400–450 MPa。因此指定汽车变速箱粉末冶金齿轮时，密度是第一个要确定的数值。

一次压制烧结可达约 7.1 g/cm³。二次压制二次烧结可达 7.3–7.4 g/cm³，但工艺步骤和成本翻倍。温压工艺在压制前将混合粉加热到约 130 °C，无需第二次压制循环即可再提高 0.1–0.2 g/cm³。烧结后滚压齿面的表面致密化可使齿面接近全密度，而芯部仍保持多孔。

密度每提高一级，尺寸窗口就收紧。高密度压坯回弹更大，模具磨损加快。在 7.0 g/cm³ 时齿形可保持 ±0.05 mm 的模具，在 7.4 g/cm³ 下压制 100,000 次后可能漂移到 ±0.08 mm。

即使齿面已致密化，芯部仍保持多孔。这不是缺陷。孔隙中的油供给接触区，因此在轻载应用中粉末冶金齿轮往往比机加工齿轮运行更安静、温度更低。

粉末无法像熔融金属那样向上流入薄垂直壁。压制齿轮的每个非平行于压制方向的壁都需要拔模斜度。薄于 2.5 mm 的壁难以均匀填充，薄于 1.5 mm 的壁通常会出现密度梯度，在脱模时开裂。

孔必须平行于压制方向。横向钻出的油道无法压制。要么压制直孔后钻孔，要么更改供油设计。每个不平行于压轴的 feature 都会增加一道二次工序。

孔的深径比也很重要。深度超过直径约 8 倍的孔底部无法正常填充，成型芯棒会在载荷下弯曲。可将孔做成阶梯孔，或接受钻孔加工。

尖锐内角是敌人。内角最小 0.5 mm 的圆角可让粉末流动，并让冲头有机会存活。零半径尖角在机加工齿轮中可行，在压制齿轮中不可行。

烧结态齿轮齿形通常保持 ±0.05 mm，外径保持 ±0.10 mm。这对现代变速箱输入齿轮不够，因为侧隙和接触斑点以几十微米为单位规定。因此烧结齿轮通常还要经 CNC 加工内孔、端面，有时加工齿面。

将内孔镗至 H7 并磨削端面，使零件进入公差带。在钜亮五金（GreatLight），加工特征公差控制在 ±0.005 mm，磨削面 Ra 0.8–1.6 μm，使用五轴加工中心以烧结齿面而非压制内孔作为定位基准。

这里有一个常见错误。设计者给烧结齿轮标注严格的内孔公差，指望压制工序达到。压制做不到。内孔由会磨损并回弹的芯棒成形。从一开始就应为精镗内孔工序预留余量。

如果以内孔作为基准，烧结齿轮还需要整形或精压工序。省略这一步，CNC 装夹就必须以齿面找正零件，增加加工节拍。

在三种情况下，该工艺不如棒料加工。第一，低产量。斜齿轮压模成本数万美元。年产量低于约 20,000 件时，用 4140 或 4340 棒料加工通常单件成本更低。

第二，高扭矩密度。齿面接触载荷达 500 N·m 以上的变速箱齿轮需要全密度和洁净钢材。密度 7.4 g/cm³ 的烧结齿轮经表面致密化可用于该范围，但成本优势缩小，疲劳数据也更难论证。机加工或锻造后切齿的齿轮是更稳妥的选择。

第三，无法压制成形的几何形状。退刀槽、交叉孔和非平行特征都违反压制规则。如果齿轮有内部油道或阻挡冲头路径的台肩，就不能用粉末冶金。

还有供应链方面的问题。粉末冶金模具交期为 8–14 周。如果下个月需要原型齿轮验证变速箱设计，就采用机加工。粉末冶金模具用于已确定不会变更的零件。