9直流式手电钻行星齿轮组的研制

1直流式手电钻行星齿轮组的研制武国良（马鞍山华东粉末厂243012）摘要粉末冶金技术在电动工具行业有着广泛的应用，它以其低成本、高精度、效率高等优势在电动工具齿轮箱的研发制造中发挥着重要的作用。本文以我厂成功研发并批量生产的一套典型的电动工具-直流式手电钻行星齿轮组为例，从设计思路、选择原料、确定工艺、提高产品力学性能、去除异音减少噪音等方面进行了阐述。关键词粉末冶金；电动工具齿轮箱；工艺；精度；噪音1引言下图为该套电动工具齿轮箱的装配图，除输出轴以外其余13个组件均采用粉末冶金的方法来制造。与粉末冶金在其他行业的应用不同，该套粉末冶金件是作为齿轮箱的组件而组合使用的，要求通过扭矩测试及强度试验，齿轮箱整体运转平稳，无异音，噪音小于80dB。扭矩测试要求输出的最大扭矩大于30NM，强度试验要求手电钻在10mm的钢板上连续作业大于40小时。针对这些要求，我们在选择材料和制定工艺前对该套电动工具的结构进行了分析。该套手电钻齿轮箱为两级变速结构，变速主要靠图1中的活动齿圈轴向拨动来实现。图1所示状态为低档，活动齿圈向电机方向轴向移动，带动第一层行星架一起转动，以此来减小传动比，达到增加输出转速的目的。通过计算，我们得到在这两级变速中的总的传动比分别为51.3和14.9。电机额定输出扭矩为0.7NM，我们知道，扭矩与传动比和电机的输出扭矩成正比，所以该套电动工具的最大输出扭矩为35.9NM。这样的使用条件下，越靠近输出端的位置所需要承受的扭矩越大，对我们生产的零件的力学性能要求越高。另外，该套齿轮箱是周转轮系，在运转的过程中会产生滑移、共振等现象，从而造成噪音增大甚至出现异音，对齿轮的精度和齿轮的配合也提出了要求。通过对不同零件的使用环境的对比与分析，我们最终确定了材料、工艺，并最终通过了装机测试，实现了批量生产。图1手电钻装配图1：电机齿轮2：第一层行星轮3：第一层行星架4：第二层行星轮5：第二层行星架6：第三层行星轮7：第三层行星架8：止动圈9：止动块10：含油轴承11：定齿圈12：活动齿圈13：内齿圈14：输出轴2研制过程为了选用原材料和工艺制定的方便，我们将零件分为四种类型，分别为齿圈类、齿轮类、行星架类、止动组件类。22.1零件的分类与原材料的选择图1中的零件10，要求多孔，烧结后有连通孔隙，自润滑及耐磨，选用一般的还原铁粉。零件2、3、4、5、13中，2、3、4、5齿轮齿型较小不易充填，彼此配合使用且远离输出端承受的扭矩不大。13在实际运转中不直接承受扭矩，所以选用流动性较好的雾化铁粉。而在实际生产中这4个零件采用同样的粉料，一是简化了工艺，二是由于材料的涨缩比例相同，为批量生产中的配合侧隙的稳定控制提供了方便。零件1、6、7、11、12分别位于输入端和输出端且直接参与传动，选用加入了合金元素Ni的预合金钢粉，能大大增加零件的强度同时改善韧性。而活动齿圈12需要在换挡后高速旋转，与换挡的卡簧配合使用，、强度与韧性更是必不可少的。零件8、9直接与输出轴相连，在整套零件中受到的扭矩最大，且在使用中还会受到一定的冲击力，所以我们选用压缩性更好的温模铁粉配合温模装置来制作这两个零件。我们在材料的选择方面尽量根据零件的工作要求来确定最为合适的粉料，保证了整体的工作要求的同时节约了成本。表1原材料的技术要求类别材料牌号纯度（质量分数）%制备方法粒度/目还原Fe粉MHF100.27≥99还原-100雾化Fe粉AHC100.29≥99.6水雾化-100Cu粉FTD3≥99.8电解-200石墨粉MGF4995≥99.5天然-200预合金钢粉DistaloyAB≥99.6预合金-100温模粉DistaloyAE≥99.6预合金-1002.2工艺的确定成形设备使用的是全自动干粉机械压机，笔者以几个典型零件为例，来说明它的工艺过程。图2所示为活动齿圈，该零件的难点在于壁薄装粉不稳定、下模冲端面内齿容易掉粉、烧结变形比较大等。我们采用上二下二的模具结构来压制该零件。选用了流动性比较好的铁粉，并适当增加了填料时间解决了装料问题。在压制过程中让上内冲进入下外冲从内向外挤压下壁来增加下半部分的密度，解决了端面掉粉问题。后续增加了整形工序修正了烧结变形，同时修正了齿型，提高了精度。最后定下它的工艺流程为：压制→烧结→整形→机加工→热处理→抛光清洗→包装→入库。图2活动齿圈零件图图3制动块图3所示为止动块，该零件直接与输出轴连接，在输出端起到了传递扭矩的作用，在枪钻堵转中还会一定的冲击力，对零件的力学性能要求很高。所以我们选用了压缩性能比较好的温模粉配合加热装置来压制，在单位压制压力5.5T的情况下即成功压制出密度7.2以上的零件，加上合金元素Ni、Mo的强化作用，大大提高了零件的物理性能。3图4齿轮件零件图图4所示为齿轮的零件图，该零件作为行星轮使用，且不与输出端直接相连，承受的扭矩虽不大，但在周转过程中也需要一定的韧性，从寿命考虑，也需要有一定的耐磨性。另一方面，该行星轮模数较小，齿部纤细装粉不易，但装料时料靴前后对产品的密度偏差影响较小。所以我们选用了一般的雾化铁粉，并在装料时我们采用吸入式充填方式，解决了充填的问题。后续通过热处理来保证其表面有一定硬度，延长其使用寿命。图5行星架零件图图5为行星架零件图，该零件为双联齿行星架，与输出端行星轮配合使用。在运转过程中，不承受冲击力与扭矩。但其结构中两种齿形在运转中均参与啮合，要求齿部有一定的精度，一般在8级以内即可满足要求。我们采用上一下二的模具结构来成形该零件，在实际生产的管控中，保证两种齿齿部密度的均匀与稳定显得尤为重要。除了确保粉料流动性比较好，我们还适当增加了充填时间，再通过给定各模冲装粉与模冲动作的方法进行了有效的控制。后续同样通过热处理来保证其表面有一定硬度，而芯部有一定韧性。2.3装配噪音、异音的检验与改善在第一次完成样件的试制后，进行了齿轮箱的装机声音测试，结果发现在低档时声音尖锐且略大，高速档时声音略大且变换角度后声音有明显且不间断的异音。通过对表现出来的声音以及啮合数据的整体，我们认为问题主要还是出现在配合上。后在基粉不变的前提下对材料进行了微调整，试压了一批齿圈来进行装机对比，并对装机情况进行了记录，如下表所示。最后将第一、二级的侧隙均控制在0.05-0.1后，异音完全消除，噪音也达到了70/78dB的较好水平。表2第一次样机齿圈参数第一次样机齿圈件公法线长度/mm定齿圈W7活动齿圈W6内齿圈W714.14-14.1912.32-12.3714.24-14.294表3第一次样机行星架参数第一次样机行星架中心距/mm第一层行星架第二层行星架第三层行星架19.9-19.9520.15-20.221.55-21.6表4仅更换定齿圈的装机测试装机情况跨齿公法线14.14-14.1919.19-19.2419.26-19.31侧隙0.050.05-0.10.08-0.12异音低档、高档均无异音低档高档均无异音低档无异音，高档有打齿声噪音（dB)80/8875/8478/85声音总体情况两档声音均尖锐且噪音较大低档、高档声音均较好低档声音较好，高档有间断的打齿声表5仅更换活动齿圈的装机测试装机情况跨齿公法线12.18-12.2412.24-12.2912.32-12.37侧隙0.050.05-0.10.08-0.12异音低档、高档均无异音低档、高档均无异音低档无异音，高档伴有连续打齿声噪音（dB)78/8879/8278/92声音总体情况两档声音均尖锐低档噪音大低档声音较好，高档声音沉闷，噪音大表6仅更换内齿圈的装机测试装机情况跨齿公法线14.17-14.2214.24-14.2914.30-14.35侧隙0.050.05-0.10.08-0.12异音低档、高档均无异音低档/高档均无异音低档高档均无异音噪音(dB)80/8882/8682/89声音总体情况低档声音尖锐，高档伴有间断打齿声低档声音尖锐，高档伴有剧烈打齿声低档声音尖锐，高档伴有剧烈打齿声表7最终确定的齿圈方案装机情况齿圈类型定齿圈活动齿圈内齿圈公法线19.19-19.2412.24-12.2914.24-14.29侧隙0.05-0.1异音无噪音（dB)70/78整体情况齿轮运转平稳，无明显抖动，不同角度均无异音，噪音80dB。5由以上表格，我们可以看出，表7所示的方案为最佳方案。它说明振动与噪音、异音是伴生出现的，在做好精度、配合等的把控工作后，这些都是可控制的。2.4噪音发生原因的总结与分析我们知道，引起电动工具齿轮箱噪音的因素有很多，大致有如下几类：一是齿轮箱中的齿轮本身的精度问题，不同的误差类型导致产生的声音也不相同。齿轮本身精度取决于很多因素，包括齿形、齿向、齿距、齿顶圆、齿根圆以及齿轮啮合的侧隙等。二是安装中齿轮箱外壳、垫片等对齿轮装配高度、轴向装配间隙的影响，从而造成的零件间轴向的干涉。具体如下：1、齿形误差。齿形误差不会造成齿轮箱异音，但如果齿形误差超差，会造成齿形磨损加快，音调较高，而且运转后齿廓会有明显的磨损的痕迹。从而影响到齿轮传动的平稳性。2、齿向误差。齿向误差通常导致载荷沿齿宽方向分布不均，易发生轮齿断裂的现象。齿向误差超差严重，会导致啮合的齿轮侧隙过小甚至没有侧隙，引起剧烈连续性的尖叫。如果齿向超标严重，在轮齿运转后，磨合的光亮面分布也将不均匀，侧重于轮齿轴向的两端。3、齿距误差。齿距误差及齿距累积误差超差的情况下，将导致明显的间断的或者不间断的异音，超差越严重，则不间断的异音越大，且伴有强烈的振动。此外，齿距误差也将影响齿轮啮合侧隙。在电动工具中，轮齿转速越快，其齿距误差对其声音的影响越大。对于手电钻齿轮箱而言，齿距误差控制在0.03以下，是比较理想的。可以通过公法线变动公差来间接反应出齿距误差的超差与否。4、侧隙。为了储存润滑油和补偿由于温度、弹性变形、制造误差及安装误差引起的尺寸变动，防止齿轮被卡死，轮齿啮合必须预留一定的侧隙。在手电钻中，一般控制在0.05-0.1。行星轮系一般是通过公法线、行星架销钉中心距来间隙控制侧隙。公法线、中心距过大，侧隙变小，会有出现尖叫噪音的危险。而公法线、中心距过小，间隙过大，对行星轮系的内啮合而言，会出现将齿轮箱换方向运转时出现打齿的异音，且会降低齿轮的寿命。5、装配高度、轴向间隙。齿轮组零件是与齿轮箱塑料外壳配套使用的，如果齿轮组零件的轴向高度超差，高度的累积误差会造成零件轴向上的干涉，引起噪音甚至异音。6、齿轮的光洁度、毛刺、异物等。齿轮的光洁度超差或者毛刺没有去除干净，会造成产品噪音变大，异物则会直接导致出现间断的异音。用粉末冶金方法制造的齿轮，光洁度差、毛刺、异物等问题主要出现在抛光清洗的环节，零件表面在热处理后留下的氧化皮、脏污以及前工序产生的毛刺、飞边未在抛光清洗的环节处理干净，将直接影响零件的使用以及整机的质量状况。2.5整机强度测试与扭矩试验通过以上对这套齿轮组的分析与分类以及在生产过程中对各零件进行有针对的把控，齿轮组总成在装机后成功通过了强度测试和满足了扭矩试验的要求。我们进行了10组抽样的实验，在10mm上的钢板上连续工作55h没有损坏。另外，在客户的配合下，使用专用的扭矩测试装置，测试结果也显示合格。并实现了批量稳定的生产。3结论粉末冶金在电动工具行业的运用越来越广泛，通过对电动工具传动结构的分析，有针对地选择适用、经济的原料，合理地改良零件的工艺、对零件之间的配合尺寸进行有效控制，实现配套使用产品批量稳定的生产。参考文献[1]汪志锋.高性能铁基预混合粉的温压工艺性能研究.现代制造工程，2003,11（2）：10-12[2]韩凤麟粉末冶金技术.2002