粉末冶金烧结硬化材料在滚花装配式凸轮轴上的应用基础研究

Powder metallurgy sintering hardening material can have high surface hardness and strength without surface hardening process, and can be used for high-performance, low-cost cams applied in knurling fitting camshaft .It is apt to generate large internal stress on the cam during the assembling process, due to the low toughness of PM cam. Therefore, optimizing the material composition and structure of the PM cam to relieve the internal stress is definitely of important theoretical significance and application value. In this planned study, sinter hardening materials and combination sintering technology will be introduced to design and prepare layered composite cam. The stress distribution on the cams before and after the cams assembled onto the hollow steel tube will be analyzed, and the stress-absorbing characteristics of the inner material as well as the discipline of layered structure design and material composition design will be obtained. Meanwhile, the analysis of fatigue fracture behavior of the material of the cam with be carried out, and the forming source and extension mode of micro-cracks in the high cycle fatigue condition will be studied.

粉末冶金烧结硬化材料，无需表面淬火即可具备较高的表面硬度和强度，可用于高性能、低成本的滚花装配用凸轮。但烧结硬化材料韧性较低，装配时易在凸轮上产生较大的内应力，使得凸轮轴力学性能和可靠性下降。因此，对凸轮材料成分优化和结构设计，缓解装配内应力，具有非常重要的理论研究意义和应用价值。本课题拟在机械滚花装配方式的基础上，采用烧结硬化材料和液相组合烧结技术制备层状复合式凸轮，对层状凸轮烧结硬化后残余应力进行分析，并研究在滚花装配过程中凸轮各层材料的应力分布状态，获得内层材料对装配应力的吸收特性规律，提出基于材料成分设计和层状结构的复合式凸轮设计原则。在研究过程中，还将对凸轮材料的疲劳断裂行为进行分析，研究烧结硬化凸轮材料在高周疲劳状态下的微裂纹的行成和扩展方式。

进入 21 世纪以来，汽车产业进入高速发展阶段，我国自 2009 年连续三年成为世界汽车产销第一大国，汽车产业已成为国民经济重要的支柱产业，在促进经济发展，增加就业，拉动内需等方面发挥着极其重要的作用。随着汽车工业的快速发展，汽车发动机性能和节能减排要求的进一步提高，以凸轮轴为代表的发动机关键零部件所使用的材料需要具有更加出色的力学性能、耐磨性和抗疲劳性能。因此，对凸轮轴相关性能的研究具有重要意义。. 粉末冶金烧结硬化材料，无需表面淬火即可具备较高的表面硬度和强度，可用于高性能、低成本的滚花装配用凸轮。但烧结硬化材料韧性较低，装配时易在凸轮上产生较大的内应力，使得凸轮轴力学性能和可靠性下降。本项目通过有限元法模拟分析装配过程中的应力分布状态以及材料弹性模量、屈服强度等对应力分布及表面残余应力的影响，从而为复合式凸轮的设计提供理论依据。并根据应力分布规律设计专用模具，采用烧结硬化材料和液相组合烧结技术制备层状复合式凸轮，有效地解决了装配应力对凸轮的影响。. 本项目将铁基Fe-Cr-Mo-Cu-Si-P-C粉末冶金材料用于凸轮的制备，使用MR-H5型高速环块磨损实验机进行摩擦磨损性能测试，并通过白光干涉形貌法对该凸轮材料在不同转速下的摩擦磨损性能进行研究。结果表明，材料的磨损状况与转速密切相关，在1000~2000r/min转速范围内，磨损机制主要为磨粒磨损，随着转速提高，微凸体啮合程度不断降低，摩擦系数降低。磨损量则呈现先增加后减少的趋势。当转速达到3000r/min时，以粘着磨损为主，材料磨损严重。在同样的实验条件下，该粉末冶金凸轮材料的磨损量仅为传统球磨铸铁凸轮材料的1/3，显示了优异的耐磨性。同时本项目中搭建了简易的汽车凸轮轴台架试验机，对在循环载荷下的凸轮的摩擦磨损性能和疲劳行为进行了分析。