粉末冶金齿轮学习笔记分享

有一段小段时间没有更新了，不知道小伙们有没有忘记我。最近总听到粉末冶金齿轮这个概念，花点时间来学习一下，总结一篇笔记分享给大家。废话不多说，直接开始：

“粉末冶金”是一种制造工艺，包括在高压下压实金属粉末，然后在高温下烧结以形成固体部件。 使用一系列金属粉末，例如铁、钢和合金，具体取决于特定的应用要求。而粉末金属齿轮广泛应用于汽车、工业设备和动力传输应用等各个行业。

粉末冶金的核心工艺包括粉末混合、制模、粉末压制、绿色加工、烧结、定型、包装和最终检验。二次工艺包括感应淬火、热处理、机械加工和氮化。
上图：粉末冶金的核心工艺包括粉末混合、模具加工、粉末压制、绿色加工、烧结、定型、包装和最终检验。二次工艺包括感应淬火、热处理、机械加工和氮化。

粉末冶金齿轮类型

粉末金属齿轮与使用其他制造技术生产的齿轮一样，可以根据特定的应用要求具有各种齿形。齿形至关重要，因为它决定了齿轮在负载能力、效率和噪音特性方面的性能。粉末金属齿轮的一些常用齿形包括：
正齿轮具有与齿轮轴平行的直齿。它们是最简单和最常见的齿轮类型。正齿轮适用于在平行轴之间传递动力，效率高，但由于其啮合特性会产生噪音。

斜齿轮的齿与齿轮轴成一定角度，形成螺旋形状。与正齿轮相比，这种斜齿轮廓可使运转更平稳、更安静。斜齿轮可在平行或非平行轴之间传递动力，并具有更高的承载能力。
这些只是粉末金属齿轮中常用的齿形的最常见示例。值得注意的是，齿形的选择取决于应用要求、所需齿轮比、扭矩传输和效率考虑等因素。设计工程师在确定特定粉末金属齿轮应用的合适齿形时通常会考虑诸如负载分布、噪音产生、效率和制造可行性等因素。

粉末金属材料

在选择齿轮粉末冶金材料时，需要考虑以下几个因素：

机械性能：齿轮承受着巨大的应力，包括弯曲、扭转和疲劳。因此，所选材料必须具有足够的强度、硬度和耐磨性。粉末冶金齿轮常用的材料包括低合金钢、铁基合金和一些有色合金。

密度：粉末冶金齿轮材料的密度影响其有效传输动力的能力。密度越高的材料强度和承载能力越好。然而，密度必须与成本和可加工性等其他因素保持平衡。
润滑和磨损：齿轮需要润滑以尽量减少摩擦和磨损。一些粉末冶金材料具有固有的自润滑特性，例如铜基合金或铁铜石墨组合物。这些材料减少了对外部润滑的需求，并提高了齿轮系统的性能和耐用性。

成本：与传统制造方法相比，粉末冶金通常可以节省成本。必须评估材料成本以及加工和热处理等二次操作的难易程度，以确保性能和成本之间的最佳平衡。

Miba 粉末金属齿轮以其出色的强度、耐用性和精度而闻名。凭借其专利致密化工艺，该公司实现了 >7.6g/cm 3的密度。高密度主要用于电力驱动和汽车行业的齿轮。Miba 的专利致密化工艺可 用于内花键和外花键。由于这种致密化工艺，其粉末金属齿轮表面可实现实心钢的强度。

应用

粉末金属齿轮广泛应用于各种汽车系统，包括：

1. 变速器：粉末冶金齿轮广泛应用于自动和手动变速器，为发动机和车轮之间提供可靠、高效的动力传输。其高强度和耐磨性确保换挡平稳、齿轮啮合良好、变速器寿命延长。

2. 电动动力系统：随着汽车行业向电动汽车 (EV) 转型，粉末冶金齿轮在电动动力系统中发挥着至关重要的作用。这些齿轮用于电动机驱动器、变速箱和差速器，提供实现最佳 EV 性能所需的必要扭矩和速度。

3. 转向系统：转向系统采用粉末冶金齿轮将动力从方向盘传输到车轮。粉末冶金齿轮耐用、精确且运行安静，有助于实现灵敏而准确的转向控制。
   粉末冶金齿轮的验证过程了解

粉末金属齿轮的验证过程涉及全面的测试和分析，以评估其性能特征。目标是验证齿轮是否符合所需规格并能承受预期的操作条件。该过程通常包括以下阶段：

设计验证

第一步是使用计算机辅助工程 (CAE) 工具验证齿轮设计。有限元分析 (FEA) 用于模拟齿轮在不同负载、速度和操作条件下的行为。此分析有助于识别潜在的设计问题，例如应力集中、偏转或过度磨损，这些问题可以在物理原型制作之前解决。

材料验证

粉末冶金齿轮是使用特定的金属粉末和添加剂制造的。所用材料必须经过严格测试，以验证其性能和是否适用于齿轮应用。进行机械测试，例如抗拉强度、硬度和疲劳测试，以确保粉末冶金工艺产生的材料具有所需的强度和耐用性。

组件测试

齿轮制造完成后，将进行一系列组件级测试以评估其性能。这些测试包括：

齿轮齿强度：齿轮要经过测试，以评估其抗齿断裂或磨损的能力。这包括使齿轮承受高负荷并测量齿的挠度、应力分布和疲劳寿命。

齿轮啮合效率：评估齿轮的啮合特性以确定其效率并尽量减少因摩擦造成的功率损失。这是通过分析齿轮啮合模式、齿隙和接触比来实现的。

噪音和振动分析：评估粉末金属齿轮在运行过程中的噪音和振动水平。加速度计和声级计用于测量和分析齿轮系统产生的振动和噪音。这有助于识别潜在问题并优化齿轮设计以实现更安静的运行。

系统级验证

粉末冶金齿轮被集成到目标系统（例如变速器或动力传动系统）中，以进行全面的系统级验证。这涉及使齿轮经受真实运行条件，包括不同的速度、负载和温度。齿轮系统的性能和耐用性通过广泛的测试进行评估，包括耐久性测试、热循环和加速寿命测试。

符合标准

粉末冶金齿轮必须遵守行业标准和法规。验证包括验证是否符合 ISO、AGMA、IATF 等标准或特定的汽车 OEM 要求。这些标准定义了齿轮质量、材料特性和性能标准等参数，确保整个行业的一致性和可靠性。

使用粉末冶金技术对齿轮有哪些好处？

材料选择：根据具体应用要求，采用铁、钢、合金等多种金属粉末。这些材料具有高强度、耐磨性和抗疲劳性。

精密制造： 采用先进的粉末冶金技术，确保严格的公差和高尺寸精度。这种精密制造工艺允许以最少的后处理生产复杂的齿轮几何形状。

成本效益：与传统机加工齿轮相比，粉末冶金齿轮具有成本优势。能够生产复杂的几何形状，并且无需进行机加工和热处理等二次操作，有助于节省成本。

提高效率： 粉末金属齿轮的设计旨在最大程度地减少摩擦和磨损，从而提高效率并减少功率损耗。它们还具有出色的噪音和减震性能。

定制： 可以根据客户的特定要求定制粉末金属齿轮的设计和性能。这种灵活性可优化齿轮在负载能力、速度和降噪方面的性能。

可靠性： 粉末金属齿轮经过严格的测试和质量控制程序，确保高可靠性和长使用寿命。它们旨在承受苛刻的操作条件并提供一致的性能。

重量轻：与实心钢相比，粉末冶金齿轮的重量约轻10％。

增强噪音和振动阻尼：粉末金属齿轮固有的孔隙率可充当天然阻尼机制，减少齿轮运转期间的噪音和振动。这使得粉末金属齿轮特别适合降噪至关重要的应用，例如变速箱和传动系统。减震能力有助于提高驾驶员的舒适度和更安静的驾驶体验。

设计灵活性：粉末冶金技术能够生产出传统制造方法难以实现或无法实现的复杂齿轮形状和特征。这种设计灵活性可以优化齿轮性能，包括改善负载分布、减轻重量和提高效率。

一致性和质量：粉末冶金技术可对制造过程进行出色的控制，从而实现一致的齿轮质量。该工艺可实现严格的公差、高尺寸精度和整个齿轮的均匀材料特性。这种一致性可确保可靠的性能并减少对后处理或二次操作的需求。

环境可持续性：与其他制造工艺相比，粉末冶金技术被认为更加环保。它产生的废物更少，消耗的能源更少，并且减少了对原材料的需求。此外，回收和再利用多余粉末的能力有助于整体可持续性。

哪些合金/金属可用于粉末冶金齿轮？

大部分粉末冶金齿轮都是由铜和铁合金制成。铜合金包括黄铜和青铜，而铁合金包括碳钢、合金钢、不锈钢和铸铁。
黄铜含有铜和锌。制造商可以改变锌的含量来改变合金的延展性。
青铜可以是磷基青铜，也可以是铝基青铜。它们具有较高的强度、耐腐蚀性和高耐磨性。

碳钢的加工性极佳，耐磨性好，容易硬化。碳钢应用广泛，价格也相当实惠。

不锈钢合金含有锰、氮、硫和硅。不同类型的不锈钢具有不同程度的耐磨性和耐腐蚀性。
说了这么多的好处，当然这是建立在可靠受管控的良好工艺下的情况，使用它当然还有一些限制：一般粉末冶金齿轮的螺旋角必须小于30°，齿顶和齿根的圆弧半径应该大于0.25mm，模数一般是大于0.5，在某些情况下也可以达到0.25，当然太大也不适合，一般直径都在150mm以内，需要高精度齿不精度和光洁度时，仍需进行精加工（磨削或者抛光）。要另外使用它一般需要有一定的批量，才会划算哦！

当然，技术还在不停地发展，谁又能预测未来10年或者20年后的技术水平呢？