一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮及其加工方法与流程

本发明涉及粉末冶金零件生产技术领域，具体涉及一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮及其加工方法。

背景技术：

粉末冶金主要适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等；军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹、鱼雷等，飞机坦克等刹车均需采用粉末冶金技术生产；粉末冶金汽车零件近年来已经成为中国粉末冶金行业最大的市场，约50％的汽车零部件为粉末冶金零部件。

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构,通常称之为“泡沫”材料。相对连续介质材料而言,多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。多孔材料的用途广泛，现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。

齿轮传动是在现代机械中应用的最为广泛的一种传动机构，它通过一对齿廓曲面的推压来传递空间任意两轴的运动和动力，具有结构简单、传动效率高、传动比准确、适用速度范围宽、工作可靠和寿命长等优点。但其制造和安装要求较高，对环境条件要求较严，减振性和抗冲击性不如带传动等柔性传动好。针对重型卡车变速箱齿轮，经高负荷、多颠簸、长周期运作后，尤其容易发生高频噪声与表面磨损，严重危害驾驶员的健康与安全。

汽车零件加工行业中，传统的粉末冶金齿轮采取的是标准化设计，即根据特定的工况，选择相应的参数，在此参数下根据已有的标准齿轮进行选择、设计和加工，然而由于车辆行驶地形的复杂性，必然导致变速箱齿中齿轮的不充分润滑，以致齿轮的硬碰硬接触，产生较大冲击震动与噪声，标准化的齿轮设计由于成本考虑以及技术实现的复杂性，选择性放弃此类不常出现的极端工况，采用提高加工精度提高系统刚性来预防点蚀和削弱震动。此类方法虽然极大程度避免了齿轮啮合面的疲劳破坏，但是值得注意的是，这样同样增加了成本，且对震动噪声的抑制往往不尽人意。

鞘翅目昆虫，是在恐龙时代之前就有的一种昆虫。其身体外部有硬壳(鞘翅)，是甲虫用来防御捕食者进攻的，也可以用来防止水分蒸发，固定自己的肌肉和身体内部器官等。仿生学者发现,凸包形态多存在于鞘翅目昆虫体表与土壤挤压、摩擦磨损较严重的部位。其头和鞘翅就分布有凸包,凸包在纵断面上又表现为水波纹形，这一表面结构赋予鞘翅更好的耐磨特性。利用这一生物自然特性进行对材料的表面修饰，可获得具有减阻耐磨特性的新型材料。

技术实现要素：

本发明提供一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮及其加工方法，目的是降低齿轮啮合过程中因油液分布不均造成的疲劳破坏与震动噪声。

本发明采取的技术方案是：一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮，由齿轮内层与多孔接触层固定连接组成，在多孔接触层的侧面分别开设集油环槽，分油沟槽分别与集油环槽联通、且分别位于各轮齿的侧面，轮齿的啮合面两侧上有经模压成型的凸包阵列微结构。

所述齿轮内层具有常规齿轮基本特征，起保证多孔齿轮整体刚度与支撑作用。

所述多孔接触层采用的金属多孔材料是采用雾化法制取的微米级合金粉末与nacl晶体粉末均匀混合，经模压烧结致使nacl挥发而成的具有一定孔隙度、并且分布通孔的金属多孔材料。

所述凸包阵列微结构的凸包是毫米级凸包。

一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮的加工方法，包括含下列步骤：

(1)选取所需齿轮钢种类，通过雾化法制备其对应的预合金粉末，对预合金粉末进行对应的粒度筛分，低碳钢粉末与低碳合金粉末钢筛分至53～80μm；中碳钢粉末与中碳合金钢粉末筛分至80～106μm，以纯预合金粉末制备致密的齿轮内层支撑层材料，以预合金粉末与占位材料的混合粉末制备具有通孔结构的多孔接触层的接触层材料，占位材料为nacl粉末，将nacl粉末筛分至15～45μm，通过控制其在混合粉末中的体积分数从而控制接触层材料的孔隙率，使其孔隙率大于20％；

(2)在冲压成型工作台上自下而上依次设置下凸模、凹模，上凸模上端与冲压系统压头相接，其中凹模内分为内外环，由分型套隔离；

(3)将步骤(1)中的合金粉末均匀布置于步骤(2)中的分型套内，将步骤(1)中的混合粉末均匀布置于步骤(2)中的分型套与凹模内腔间的外环；

(4)布粉后垂直取出步骤(2)中分型套，进行模压成型，步骤(2)中上凸模下端进入凹模腔内开始模压成型工作，上凸模升高离开凹模内腔，成型工作结束；

(5)更替步骤(2)中的下凸模为脱模套，更替步骤(2)中的上凸模为脱模压头，上下翻转凹模，以保护表面突起的楔片，进行后续脱模工作，实现模压毛坯与滑动模组的顺利脱模；

(6)在真空环境下，将样品放入烧结炉中进行高温烧结，烧结过程结束后，炉冷至室温；

(7)对齿轮进行烧结后处理。

本发明多孔齿轮分为齿轮内层与多孔接触层，内层具有类常规粉末冶金齿轮特征以保证其整体机械强度刚度，多孔接触层由金属多孔材料制备得到，利用多孔材料的孔隙分布特点，通过其通孔毛细作用进行啮合面润滑油补充；接触层侧面具有导油槽用以保证润滑油的收集与流动；利用仿生微结构非光滑表面改善了齿轮传动啮合的润滑条件，降低齿轮啮合过程中因油液分布不均造成的疲劳破坏与震动噪声。利用特制模具可以实现粉末冶金齿轮冲压成型，同时可以实现齿轮齿面仿生凸包阵列微结构成型，实现了将便捷高效的粉末冶金与仿生学功能性微结构的结合，以较低的成本解决齿轮传动中的高频噪声和恶劣工况下的表面磨损问题。

本发明的有益效果在于：在保证齿轮内层机械强度的基础上，利用多孔材料的孔隙分布特点，利用毛细管力驱动润滑油源源不断补充至啮合表面，同时利用仿生微结构非光滑表面的优良综合力学性能和耐磨特性，在齿面啮合区接触时挤压出润滑油，形成动压润滑。同时本发明的冲压模具针对现有的粉末冶金齿轮冲压模具无法进行齿面仿生微结构加工，进行相应的改进，本发明中成型模具可以实现齿轮齿面仿生凸包阵列微结构成型，脱模模具保证脱模后齿面仿生凸包阵列微结构的完整性；以较低的成本实现了粉末冶金、多孔材料与仿生学功能性微结构的有机结合，达到了粉末冶金齿轮传动的减阻耐磨与吸声降噪的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明多孔接触层的凸包阵列微的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是本发明成型模具的结构示意图；

图6是本发明脱模模具的结构示意图；

图7是本发明的成型模具成型工作的示意图；

图8是本发明的脱模模具在冲压成型后进行脱模的示意图；

图9是本发明的成型模具中上凸模表面纹理的结构示意图；

图10是本发明的成型模具中下凸模表面纹理的结构示意图；

图11是本发明的凹模装配滑动模组的结构示意图。

图12是本发明的滑动模组拆分及其凹坑阵列表面的结构示意图；

图中标记如下：

齿轮内层101、多孔接触层102、导油槽103、凸包阵列微结构104、下凸模2、凹模3、防爆套筒301、凹模腔302、燕尾槽303、定位凸台304、滑动模组4、左滑块401、右滑块402、楔片403、分型套5、上凸模6、脱模套7、脱模凸模8。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清晰，以下结合附图及实施为例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限于本发明。

参见图1、2、3、4，由齿轮内层101与多孔接触层102固定连接组成，齿轮内层101具有常规齿轮基本特征，起保证多孔齿轮整体刚度与支撑作用，多孔接触层102具有一定孔隙度并且分布大量通孔，在多孔接触层的侧面分别开设集油环槽103，分油沟槽105分别与集油环槽103联通、且分别位于各轮齿的侧面，轮齿的啮合面两侧上有经模压成型的凸包阵列微结构104。

所述齿轮内层具有类常规粉末冶金齿轮特征以保证其整体机械强度刚度，多孔接触层由金属多孔材料制备得到，多孔接触层侧面具有集油环槽和分油沟槽以保证润滑油的收集与流动，同时啮合表面具有凸包阵列微结构非光滑表面；所述集油环槽103可在甩油润滑条件中收集润滑油并联通分油沟槽105在齿轮离心旋转中导向啮合处侧边，经金属多孔接触层102的通孔毛细管力驱动，补充啮合面油液损失，啮合面上经模压成型的凸包阵列微结构104在受压时会挤压出经通孔孔隙运输的润滑油，形成动压润滑避免齿面直接接触，从而达到降低磨损、减轻震动的目的。

所述多孔接触层102采用的金属多孔材料是采用雾化法制取的微米级合金粉末与nacl晶体粉末均匀混合，经模压烧结致使nacl挥发而成的具有一定孔隙度的金属多孔材料。

所述集油环槽和分油沟槽通过成型模具的上下凸模纹路模压成型，转印于齿轮接触层侧面。

所述凸包阵列微结构104是根据形态仿生原理，经模压成型，混合粉末在具有凹坑阵列的成型模具中挤压形成接触层齿轮表面的阵列分布毫米级凸包。

一种具有凸包阵列微结构的金属多孔齿轮的加工方法，包含下列步骤：

(1)选取所需齿轮钢种类，如：低碳钢、低碳合金钢、中碳钢、中碳合金钢等，通过雾化法制备其对应的预合金粉末，对预合金粉末进行对应的粒度筛分，低碳钢粉末与低碳合金粉末钢筛分至53～80μm；中碳钢粉末与中碳合金钢粉末筛分至80～106μm，以纯预合金粉末制备致密的齿轮内层支撑层材料，以预合金粉末与占位材料的混合粉末制备具有通孔结构的多孔接触层的接触层材料，占位材料为nacl粉末，将nacl粉末筛分至15～45μm，通过控制其在混合粉末中的体积分数从而控制接触层材料的孔隙率，使其孔隙率大于20％；

(2)在冲压成型工作台上自下而上依次设置下凸模2、凹模3，上凸模6上端与冲压系统压头相接，其中凹模3内分为内外环，由分型套5隔离；

(3)将步骤(1)中的合金粉末均匀布置于步骤(2)中的分型套5内，将步骤(1)中的混合粉末均匀布置于步骤(2)中的分型套5与凹模3内腔间的外环，参见图5；

(4)布粉后垂直取出步骤(2)中分型套5，进行模压成型，步骤(2)中上凸模6下端进入凹模3腔内开始模压成型工作，上凸模6升高离开凹模内腔，成型工作结束，参见图7；

(5)更替步骤(2)中的下凸模2为脱模套7，更替步骤(2)中的上凸模6为脱模压头8，上下翻转凹模3，以保护表面突起的楔片，进行后续脱模工作，实现模压毛坯与滑动模组4的顺利脱模，参见图6、8；

参见图9、10，正是由于上下凸模表面纹理的存在，才可在一定压制力下实现多孔齿轮接触层导油槽的转印。

参见图11，凹模3的结构是防爆套筒301内圈与凹模腔302外圈为过盈装配，凹模腔302腔内开设燕尾槽303，槽内涂附导轨油，与滑动模组4形成过渡装配，燕尾槽303可使滑动模组4在脱模时沿其滑动，定位凸台304可实现滑动模组4在成型时的垂直地面方向定位，在翻转凹模后脱模时保证所有滑动模组4同时脱离燕尾槽303，从而实现保护齿面凸包微结构的目的。

参见图12，是本发明的滑动模组4拆分示意图及其凹坑阵列表面示意图，其左滑块401的左侧斜面与右滑块402的右侧斜面通过激光加工开设凹坑阵列，亦可根据需求选用其他微结构阵列，楔片403可在左滑块401与右滑块402接触面之间楔入或拔出，从而进行定位或脱模；

(6)在真空环境下，将样品放入烧结炉中进行高温烧结，烧结过程结束后，炉冷至室温；

(7)对齿轮进行烧结后处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。

下边以低速重载外啮合标准圆柱传动齿轮为例进行其多孔齿轮加工方法说明，包含如下步骤：

(1)选取三种齿轮钢作为本例说明，分别为：20#钢、20crmnti、35#钢，制取其对应预合金粉末，并将20#钢、20crmnti筛分至53～80μm，将35#钢筛分至80～106μm，以预合金粉末制备致密的支撑层材料，以预合金粉末与占位材料的混合粉末制备具有通孔结构的接触层材料，将占位材料nacl粉末筛分至15～45μm，以3：7比例混合占位粉末与预合金粉末，此混合粉末用来制备30％孔隙率的多孔接触层；

(2)在冲压成型工作台设置模具，下凸模2下端面放置于冲压成型工作台，上端面圆台限制定位凹模3，令左滑块401右端平面与右滑块402左端平面紧靠，加工有微结构阵列两面向外；沿燕尾槽303滑入直至接触下凸模2端面；将楔片403楔入同一燕尾槽内的左滑块401与右滑块402接触面之间，装配所有滑动模组4进入凹模3内，装配分型套于下凸模内环槽，将凹模分为内外环两部分，将上凸模6安装于冲压系统压头上；

(3)将步骤(1)中的齿轮钢预合金粉末均匀布置于步骤(2)中的分型套5内，将步骤(1)中的nacl粉末与部分预合金粉末所混合粉末均匀布置于步骤(2)中的凹模外环；

(4)布粉后垂直取出步骤(2)中分型套，进行模压成型，步骤(2)中上凸模下端进入凹模腔内开始模压成型工作，腔内粉末在压力作用下填充于滑动模组4两侧面凹坑阵列内，形成仿生凸包阵列微结构表面，检测压制压力至350mpa成型结束，令上凸模升高离开凹模内腔；

(5)更替步骤(2)中的下凸模为脱模套，更替步骤(2)中的上凸模为脱模凸模8，上下翻转凹模3，脱模时，脱模凸模8下端进入凹模3腔内开始脱模工作，直至冲压齿轮与滑动模组4一起滑入脱模套7内腔；在内腔中取出黏附有滑动模组4的冲压齿轮毛坯，固定左右滑块后，铁钩钩住钩孔后沿冲压齿轮径向拉出楔片403，沿冲压齿轮圆周切向方向分别取下黏附于齿间的左滑块401与右滑块402，至此脱模工作结束，至此获得齿面具有完整仿生凸包阵列微结构的冲压齿轮毛坯；

(6)将齿轮毛坯置于箱式真空烧结炉中，开启真空泵，将炉内抽至-0.01mpa真空环境，设置温度曲线，以7℃/分钟加热率升温至1250℃保温4小时，此时占位材料nacl蒸发，金属粉末致密化和相互扩散，此时烧结过程结束后，随炉冷却至室温，取出毛坯；

(7)对齿轮进行烧结后处理，根据该传动齿轮精度要求，进行精整加工，而后浸油保存，至此，该多孔齿轮制备完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。