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合肥學院化工系 題目: 粉末冶金模具設計 專業(yè): 粉體材料科學與工程 班級: 14粉體(1)班 姓名: 劉 迪 學號: 1403011008 指導老師: 趙娣芳 2017年 12 月 20 日 粉末冶金模具設計任務書 粉末冶金零件壓模結構設計 二、設計要求 1. 根據(jù)所給零件結構圖繪制壓坯結構圖、裝粉圖、脫模圖各一張，并對壓坯的尺寸、重量進行計算和標注。 2. 根據(jù)所繪壓坯結構圖繪制模架模具裝配圖一張，對相關模具尺寸進行詳細計算。 3. 選擇成形該壓坯所用的設備并描述選擇依據(jù) 4. 對設備結構特點及模具動作過程進行詳細介紹并繪制模壓成形動作曲線。 前言 3 1. 壓模設計的基本要求和方法 4 1.1模壓成形過程及壓模設計基本要求 4 2.壓坯設計及計算 6 2.1壓坯精度的設計 6 2.2壓坯尺寸計算 6 3.壓機的選擇 9 3.1壓機類型 9 3.2壓機的選擇依據(jù) 9 3.3油壓機的選型及計算 10 4.壓模設計基本原理 13 4.1壓制過程中粉體的密實化過程和力的分析 13 4.2單向壓制方式對壓坯密度分布的影響 13 5.粉體材料模壓成形設備與壓制工具系統(tǒng) 14 5.1成形設備 14 5.2壓制工具系統(tǒng) 15 5.3壓制過程對成形設備及壓制工具系統(tǒng)的動作要求 15 6.壓模結構設計 15 6.1壓模結構分析 15 6.2壓制過程自動化與自動壓模結構設計 16 6.3模架的選擇 17 7.壓模和壓模零件的尺寸計算 18 7.2壓模零件尺寸計算 18 7.3提高模具壽命的途徑 20 8.結束語 21 參考文獻 22 前言 粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結，制造金屬材料、復合以及各種類型制品的工藝技術。近些年來,由于一些新技術的興起,如機械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、噴射成形、微波燒結、放電等離子燒結、自蔓延高溫合成、燒結硬化等,使得粉末冶金材料和技術得到了各國的普遍重視,其應用也越來越廣泛。目前,粉末冶金技術正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展。通過不斷引進國外先進技術與自主開發(fā)創(chuàng)新相結合，中國粉末冶金產(chǎn)業(yè)和技術都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，是中國機械通用零部件行業(yè)中增長最快的行業(yè)之一，每年全國粉末冶金行業(yè)的產(chǎn)值以35%的速度遞增。 全球制造業(yè)正加速向中國轉移，汽車行業(yè)、機械制造、金屬行業(yè)、航空航天、儀器儀表、五金工具、工程機械、電子家電及高科技產(chǎn)業(yè)等迅猛發(fā)展，為粉末冶金行業(yè)帶來了不可多得的發(fā)展機遇和巨大的市場空間。另外，粉末冶金產(chǎn)業(yè)被中國列入優(yōu)先發(fā)展和鼓勵外商投資項目，發(fā)展前景廣闊。 我國粉末冶金行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了近10年的高速發(fā)展，但與國外的同行業(yè)仍存在以下幾方面的差距：(1)企業(yè)多，規(guī)模小，經(jīng)濟效益與國外企業(yè)相差很大。(2)產(chǎn)品交叉，企業(yè)相互壓價，競爭異常激烈。(3)多數(shù)企業(yè)缺乏技術支持，研發(fā)能力落后，產(chǎn)品檔次低，難以與國外競爭。(4)再投入缺乏與困擾。(5)工藝裝備、配套設施落后。(6)產(chǎn)品出口少，貿易渠道不暢。隨著我國加入WTO以后，以上種種不足和弱點將改善，這是因為加入WTO后，市場逐漸國際化，粉末冶金市場將得到進一步擴大的機會；而同時隨著國外資金和技術的進入，粉末冶金及相關的技術水平也必將得到提高和發(fā)展。據(jù)《中國粉末冶金制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預測與轉型升級分析報告前瞻》數(shù)據(jù)顯示，目前，中國粉末冶金零件及含油軸承總產(chǎn)值超過55億元，占全球市場比重較小，發(fā)展空間也較為廣闊。通過不斷引進國外先進技術與自主開發(fā)創(chuàng)新相結合，中國粉末冶金產(chǎn)業(yè)和技術都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，是中國機械通用零部件行業(yè)中增長最快的行業(yè)之一，每年全國粉末冶金行業(yè)的產(chǎn)值以35%的速度遞增。全球制造業(yè)正加速向中國轉移，汽車行業(yè)、機械制造、金屬行業(yè)、航空航天、儀器儀表、五金工具、工程機械、電子家電及高科技產(chǎn)業(yè)等迅猛發(fā)展，為粉末冶金行業(yè)帶來了不可多得的發(fā)展機遇和巨大的市場空間。另外，粉末冶金產(chǎn)業(yè)被中國列入優(yōu)先發(fā)展和鼓勵外商投資項目，發(fā)展前景廣闊。 1. 壓模設計的基本要求和方法 1.1模壓成形過程及壓模設計基本要求 1.1.1模壓成形過程 是將一定質量（體積）的金屬（合金）粉末或金屬粉末與無機非金屬粉末及一定成形劑的混合物裝入剛性模腔，然后通過上、下磨沖沿單一軸向方向對粉末施加一定大小的壓力，使松散的粉料在封閉的模腔中壓縮成具有一定尺寸、形狀、密度與強度的壓坯，再將壓坯從模中脫出的工藝過程。整個過程包括裝粉，壓制，脫模三個步驟。 1）裝粉前，首先應根據(jù)設計計算，確定滿足壓坯單重、密度要求的粉末質量，然后采用量重法或容量法將一定量的粉末均勻裝入陰模腔內。 2）壓制時，可以通過控制單位壓制壓力或采用高度限位塊控制壓縮粉末的距離來保證壓坯所需高度尺寸與密度。 3）脫模：可采用頂出式脫?；蛞率矫撃Ｊ箟号鲝哪Ｇ恢忻摮?。 1.1.2壓模設計基本要求 一般來講，在壓制過程中，要達到一定的尺寸、形狀和平均密度是比較容易的，但要使壓坯密度分布均勻卻比較困難。形狀越復雜，越難使壓坯密度分布均勻。壓坯密度分布的不均勻性不但最終影響產(chǎn)品的力學性能，而且也是引起壓坯開裂、分層、掉邊掉角、燒結收縮不均、產(chǎn)品變形、精度超差等壓制廢品的重要原因。因此： 第一：除了要盡量保證壓坯的尺寸、形狀和精度，以便在壓坯燒結后滿足產(chǎn)品尺寸、形狀和精度要求，減少后續(xù)輔助機械加工，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本，充分發(fā)揮這種零件制造技術和方法的優(yōu)勢外，還要盡量保證壓坯密度分布的均勻性，減少壓制廢品，提高半成品的合格率，降低生產(chǎn)成本。這就要求根據(jù)產(chǎn)品尺寸形狀，合理進行壓坯設計，合理配置粉末數(shù)量，并使壓坯各部分盡可能達到一致的壓縮程度（注意不是一致的壓縮量），周密考慮壓模結構，合理選擇合適的壓制方式和脫模方式，充分利用摩擦的有利作用，克服摩擦作用的不利影響； 第二：在根據(jù)所要生產(chǎn)的零件的尺寸、形狀、精度和性能要求、生產(chǎn)批量、生產(chǎn)工藝和有關設備條件、所用的粉末原料有關工藝參數(shù)等設計資料進行壓坯和壓模結構設計時，在滿足上述要求的前提下，既要考慮生產(chǎn)的經(jīng)濟性，盡量簡化模具結構，合理選擇模具材料，合理提出模具加工要求（包括尺寸公差、表面粗糙度、形狀與位置精度、熱處理要求等），減少模具加工難度，降低模具制造費用，又要容易調節(jié)，方便操作，降低勞動強度，改善勞動條件。 第三：要盡可能采用先進的計算機輔助設計與制造技術，盡量采用通用模架和通用模具零件，逐步實現(xiàn)模具零部件的通用化和模具零件生產(chǎn)的批量化，以提高模具設計制造效率，降低模具設計制造成本。 1.1.3壓模設計的基本方法和步驟 壓模設計的基本方法有兩種，一種是傳統(tǒng)的人工設計方法，另一種是計算機輔助設計方法。人工設計方法步驟： （1）設計前首先需要認真收集、了解和掌握有關設計資料，為模具設計提供基本的依據(jù)； （2）根據(jù)所掌握的上述資料，先要對所有生產(chǎn)的產(chǎn)品零件圖紙進行全面的技術與經(jīng)濟可行性分析； （3）壓坯設計確定后，就要根據(jù)壓坯的尺寸、形狀、精度和密度要求，結合成產(chǎn)批量和壓機設備進行壓模結構的設計，具體考慮如何實現(xiàn)裝粉、壓制和脫模這幾個基本動作要求。 （4）壓模結構確定后，就要對壓模零件的結構、尺寸進行設計計算（包括強度校核與計算）。 2.壓坯設計及計算 2.1壓坯精度的設計 壓坯精度設計正確與否，不但關系到產(chǎn)品的最終精度，也關系到模具零件加工精度要求的高低，從而影響到模具零件加工方法的選擇和模具制造費用的高低，同時還涉及對壓機精度、壓模結構及模具安裝調試等方面的要求。此外，壓坯精度要求也是生產(chǎn)管理、質量控制和半成品檢驗的重要依據(jù)。因此，壓坯精度設計是壓坯設計的重要內容之一。壓坯精度設計既然考慮產(chǎn)品精度要求，又要考慮粉末冶金產(chǎn)品零件制備技術所能達到的精度水平及生產(chǎn)的經(jīng)濟性。 首先考慮產(chǎn)品零件的精度要求，一般來講，產(chǎn)品的零件精度要求越高，壓坯精度也應相應提高。 采用模壓成形、燒結方法生產(chǎn)的產(chǎn)品零件的精度，不但與壓坯精度有關，而且與粉末類型（還原粉、霧化粉、電解粉、羥基粉等）、化學成分、雜質種類及其含量、粉末顆粒形狀、粉末粒度與粒度組成、壓坯密度的均勻性、燒結工藝條件（溫度、時間、氣氛等）、后續(xù)加工處理等許多因素有關?？梢韵冗x用低的壓坯精度，然后采取輔助加工等后續(xù)處理加工更經(jīng)濟、更合理。 此外，壓坯的徑向（垂直于壓制方向）的尺寸精度和表面粗糙度一般比軸向（平行于壓制方向）的尺寸精度和表面粗糙度高，且比較容易獲得較高的精度等級。這是因為，壓坯徑向的精度主要取決于模具（陰模、芯桿等）的尺寸精度和模壁的粗糙度。則，徑向精度要求設計得高一點，而軸向精度要求則適當放寬一些。 2.2壓坯尺寸計算 2.2.1壓坯的彈性后效 壓坯的彈性后效是表示壓坯彈性膨脹程度的一個重要參數(shù)，用壓坯徑向或軸向的膨脹量同膨脹前壓坯的徑向或軸向尺寸的百分比來表示，即 t=(l－l0)/l0100% 式中，t-壓坯的彈性后效，l-壓坯脫模后的尺寸，l0-壓坯脫模前的尺寸。 從生產(chǎn)實際中知道，壓坯沿高度方向（壓制方向）的彈性膨脹常常大于徑向（垂直于壓制方向）的彈性膨脹。另外，壓坯彈性后效的大小無論軸向還是徑向都受粉末的特性（粉末顆粒本身的塑形、粉末粗細、粉末顆粒形狀等）、壓制單位壓力、成形劑的種類和數(shù)量以及壓模的材質、結構、剛度等的影響。對于相同壓坯來說，組合陰模所引起的彈性后效比單層厚壁筒陰模小，硬質合金陰模比鋼模小?？傊?，影響壓坯彈性后效的因素是多方面的，在選擇壓坯彈性后效時應根據(jù)具體的情況恰當選擇。 表1 部分金屬粉末壓坯的徑向彈性后效 密度/( g/cm3) 彈性后效/% 粉末壓坯 5.6~6.1 6.1~6.5 6.5~7.2 7.2~7.6 鐵基 0.1~0.2 0.15~0.25 0.20~0.30 6-6-3 青銅 0.05~0.15 0.10~0.20 0.15~0.25 紫銅 0.08~0.12 0.10~0.20 2.2.2燒結收縮率 壓坯燒結收縮的程度通常用燒結收縮率來表示。它一般是用壓坯在燒結過程中的線性收縮量同燒結前壓坯尺寸的百分比S來表示，即： S=（D坯－D燒）/D坯100% 式中，S-燒結收縮率，D坯-壓坯燒結前的尺寸，D燒-壓坯燒結后的尺寸。 壓坯的燒結收縮率受許多因素的影響，其中主要的有粉末的化學成分、壓坯密度、燒結工藝（溫度、時間、氣氛）等。不同金屬的粉末，其燒結收縮率不同；不同合金元素對燒結收縮率的影響也不同。一般來講，燒結溫度越高，時間越長，收縮就越大。保護氣氛也是個不能忽視的因素，真空和良好的還原性保護氣氛可增大收縮率，反之則阻礙收縮，甚至根本燒不好。另外，有利于燒結過程進行的其他措施（如鐵、銅基制品的預氧化燒結、振動燒結、 氣氛中加入少量的鹵化物等）也可增大收縮。表2為部分壓坯的燒結收縮率，設計計算時應根據(jù)實際情況，合理選擇。 表2 部分壓坯的燒結收縮率 成分 密度/（g/cm3） 收縮率/% 工藝條件 純鐵 5.6~6.1 0.5~0.8 燒結溫度1080~1150℃ 6.1~6.5 0.3~0.7 6.5~7.1 0.2~0.4 鐵-碳 （含碳1%~3%） 5.6~6.1 0.5~1.0 燒結溫度1080~1120℃ 6.1~6.5 0.4~0.8 6.5~7.1 0.3~0.5 鐵-銅-碳 （銅2%~8%碳0.5%~1.5%） 5.6~6.1 0.4~0.7 燒結溫度1120~1150℃ 6.1~6.5 0.1~0.5 6.5~7.1 0.2 6-6-3 青銅 6.5~7.1 1.2~2 燒結溫度780~830℃ 對于純鐵制品，根據(jù)表格，選擇密度為6.1~6.5g/cm3之間的進行計算（假定為6.5g/cm3）。則其對應的徑向彈性后效為0.15%~0.25%（取0.25%），徑向收縮率為0.3%~0.7%（取0.7%）。而軸向彈性后效高達1.2%~1.5%（取1.5%），軸向收縮率為1.8%~2.5%（取2.5%）。 2.2.3壓坯密度與單重的確定 確定壓坯的密度與單重也是壓坯設計不可缺少的內容之一。壓坯的密度和單重是兩個相互關聯(lián)的壓坯參數(shù)，確定其中一個，另一個即可根據(jù)壓坯的體積（由壓坯尺寸求得）來確定： 壓坯的密度=壓坯的單重/壓坯的體積 壓坯的單重=壓坯的密度x壓坯的體積 在壓坯密度未知的情況下，壓坯的單重就不能由上式來確定，而是根據(jù)用戶對產(chǎn)品密度（或是產(chǎn)品的相對密度、產(chǎn)品的孔隙度）要求和產(chǎn)品的體積（如果出于模壓成形要求，對產(chǎn)品尺寸形狀進行了修改的話，應以修改后的產(chǎn)品尺寸形狀計算其體積）來確定。即： W產(chǎn)品=V*d產(chǎn)品=ρ*d理論V=（1-θ）d理論V 由產(chǎn)品的單重或產(chǎn)品的密度（相對密度或孔隙度）和體積就可以確定壓坯單重?？紤]到混合料添加有少量的成形劑（硬脂酸眼、油酸、汽油橡膠、石蠟等），另外壓制過程中模具間隙也會引起少量粉末的損失，壓坯的單重應比產(chǎn)品的單重大一點，應乘上大于1的系數(shù)K，K值一般為1.05左右，所以： W坯=KW產(chǎn)品=KV*d產(chǎn)品=Kρ*d理論V=K（1-θ）d理論V 需要指出的是：壓坯的單重和密度設計既不是可有可無和隨意的事，也不是一經(jīng)確定就絲毫不能改變的。 則根據(jù)所給零件尺寸，得出對應壓坯尺寸為A1：20.20；A2：16.07；A3: 12.03；B1: 6.05; B2：18.31。 3.壓機的選擇 3.1壓機類型 目前壓機的類型主要為機械式壓機和液壓機兩種，其中機械式壓機主要分為凸輪式機械壓機、杠桿式粉末壓機、曲軸式壓機（沖床）及肘桿式壓機，而液壓機根據(jù)液體介質不同，可分為油壓機和水壓機。 3.2壓機的選擇依據(jù) 機械式壓機的生產(chǎn)效率較高，一般為液壓式壓機的1.5~5倍。由于機械式壓機的動作行程由凸輪輪廓形狀、曲軸或者偏心輪半徑等決定，對于具體的一臺壓機而言其尺寸是設計制造時確定了的，而且壓制行程也可以進行調節(jié)。因此，機械式壓機所壓的壓坯高度上的尺寸精度較高。因受壓機結構的限制，機械式壓機的噸位較低，行程較短，允許的裝粉高度和壓塊高度不高，因此，機械式壓機比較適合尺寸較小、高度較矮的零件模壓成形。另外機械式壓機沖擊作用較油壓機大，安全防護、過載保護的難度也較大，普通的機械式壓比較容易發(fā)生安全事故。所以機械式壓機不適合此次零件的加工設計。 沖床的工作原理一般是曲柄壓力機，通過電動機驅動飛輪，并通過離合器，傳動齒輪帶動曲柄連桿機構使滑塊上下運動，帶動拉伸模具對鋼板成型。所謂的雙動就是指壓力機有兩個滑塊，分為內滑塊和外滑塊，內滑塊帶動模具的凸?；虬寄?，外滑塊帶動模具上的壓邊圈，在拉伸時壓邊圈首先動作壓住鋼板邊緣,內滑塊再動作進行拉伸。 而液壓機則是利用帕斯卡定律制成的利用液體壓強傳動的機械，種類很多。當然，用途也根 據(jù)需要是多種多樣的。如按傳遞壓強的液體種類來分，有油壓機和水壓機兩大類。水壓機產(chǎn)生的總壓力較大，常用于鍛造和沖壓、液壓機是一種以液體為工作介質，用來傳遞能量以實現(xiàn)各種工藝的機器。液壓機除用于鍛壓成形外，液壓機也可用于矯正、壓裝、打包、壓塊和壓板等。液壓機包括水壓機和油壓機。以水基液體為工作介質的稱為水壓機，以油為工作介質的稱為油壓機。液壓機的規(guī)格一般用公稱工作力（千牛）或公稱噸位（噸）表示。鍛造用液壓機多是水壓機，噸位較高。為減小設備尺寸，大型鍛造水壓機常用較高壓強（35兆帕左右），有時也采用 100兆帕以上的超高壓。其他用途的液壓機一般采用 6～25兆帕的工作壓強。油壓機的噸位比水壓機低。 液壓機通常用來給模具（熱固型橡膠模具，拉伸金屬薄板模具等等）施加壓力，動作頻率較低。它施加給被壓物體的總壓力通常比沖床更大。水壓機的壓制壓力很大，多用于重型機械廠和造船廠等。油壓機的壓制壓力較水壓機小，在許多工業(yè)部門都得到了廣泛應用。粉體材料模壓成形使用的液壓機主要是油壓機。 所以綜合考慮，壓機選擇油壓機更為合適。 3.3油壓機的選型及計算 3.3.1油壓機的類型 （1） 油壓機按結構形式分類 現(xiàn)主要分為：四柱式油壓機（三梁四柱式、五梁四柱式）、雙柱式油壓機、單柱式油壓機（C形結構）、框架式油壓機等。 （2） 按油壓機的用途分類 主要分為金屬成型油壓機、折彎油壓機、拉伸油壓機、沖裁油壓機、粉末（金屬，非金屬）成型油壓機、壓裝油壓機、擠壓油壓機， 擠壓成型等。 3.3.2油壓機的選型及計算 根據(jù)零件形狀及壓坯結構，我們選擇下缸式四柱油壓機，如下圖所示： 下缸式四柱油壓機性能特點：通過四根立柱把上下橫梁連接起來，且?guī)Фㄎ惶椎幕顒訖M梁靠四根立柱導向，機器具有結構簡單，制造成本低等特點，故應用最為廣泛。 下缸式四柱油壓機產(chǎn)品特點：主油缸采用合金鋼整體鍛造或優(yōu)質球墨鑄鐵整體鑄造，并經(jīng)精密研磨，在高壓狀態(tài)下使用可靠；主活塞采用合金鋼整體鍛造，表面精磨并鍍硬鉻，耐磨性好；立柱采用高強度合金鋼制作，整體調質加工，表面精磨并鍍硬鉻，耐磨性好。 壓機技術參數(shù)的選擇及計算： 令最大行程為Smax,則受力行程： XDF-S系列下缸式四柱油壓機技術參數(shù) 型 號 單位 XDF-100S XDF-150S XDF-200S XDF-300S XDF-500S 主缸公稱力 ton 100 150 200 300 500 主缸最大行程 mm 100 120 150 150 200 工作臺距地面高度 mm 820 820 820 820 900 開口高度 mm 400 400 400 400 600 活動工作臺運動速度 最大快速下行 mm/s 210 210 180 140 135 最大工進速度 mm/s 5/10 4/7 4/7 3/6 3/6 最大回程速度 mm/s 180 180 120 110 110 活動工作臺尺寸 左右 mm 400 400 450 550 700 前后 mm 500 500 550 650 800 有無T形槽、聯(lián)接螺釘尺寸 無-M16 無-M16 無-M16 無-M20 無-M20 電機功率 kw 5.5 5.5 5.5 7.5 15 機器參考重量 kg 2300 2600 3200 4500 7500 由于壓坯高度約為18mm,所以由上式可計算得Smax為150mm~180mm。所以可以從符合要求的XDF-150S、XDF-2000S中選擇；同時當產(chǎn)品批量大，形狀簡單、尺寸小，要求生產(chǎn)效率高時，宜選用每分鐘行程次數(shù)多的、速度快的壓機，所以進一步選擇XDF-2000S為所需的壓機型號。 4.壓模設計基本原理 4.1壓制過程中粉體的密實化過程和力的分析 4.1.1壓制過程中粉體的密實化過程 （1）當松裝的粉體在封閉的鋼模中受到外加壓力作用時，粉體內的“拱橋”現(xiàn)象遭到破壞，粉末顆粒通過位移、轉動與變形等方式重新排列，一些孔隙被填充，顆粒之間進一步靠攏，接觸面積增加，整個體積明顯減少，密度明顯增加。 （2）隨著壓坯密度的增加，粉體內孔隙越來越少，顆粒之間的接觸面越來越大，顆粒之間的機械嚙合程度更緊，彈性變形程度增加，粉末顆粒移動變形的阻力越來越大，因而粉末顆粒進行移動和轉動的難度也增加，密度增加，速度變慢。 （3）隨著壓力的進一步提高，當施加到粉末顆粒上的力超過它的彈性極限時，粉末顆粒將發(fā)生一定程度的塑性變形。 4.1.2壓制過程中力的分析 粉體在壓制過程中不但有引起粉末顆粒位移、變形或斷裂，從而導致內部孔隙減少，顆粒之間接觸面積增加，壓坯密度提高的外力作用，而且也存在粉末與粉末、粉末與模壁之間的摩擦阻力，模壁與壓坯之間的側壓力和使壓坯從模腔中脫出所需要的脫模壓力。壓制壓力與脫模壓力是模具設計和設備選擇的基本依據(jù)。 （1） 壓制壓力 壓制壓力是為獲得所要求的壓坯密度和強度施加到粉末體上的外加總壓力。在進行模具設計及設備選型時，需要知道壓制壓力的大小。壓制壓力的大小隨粉體的單位壓制壓力和壓坯橫截面積的不同而不同。 （2） 脫模壓力 粉體作為一種非連續(xù)可壓縮體在封閉的模腔中在外力作用下被壓縮時，壓坯中會產(chǎn)生很大的內應力。在這種內應力的作用下，壓坯力圖向外膨脹，其中在垂直于壓制方向上，壓坯對模壁產(chǎn)生一個水平方向的側壓力，引起陰模發(fā)生彈性膨脹。與此同時，模壁也會給壓坯一個大小相等、方向相反的正壓力，以阻止壓坯的膨脹。 4.2單向壓制方式對壓坯密度分布的影響 單向壓制示意圖 密度變化 摩擦壓力損失與坯塊尺寸的關系： 單向壓制只有一個活動模沖，通常是上模沖動，下模沖不動。坯塊高度越高，坯塊上下密度差越大，原因是摩擦壓力損失的存在。為了減小坯塊上下密度差，單向壓制只壓制比較薄的坯塊。 壓坯密度分布不均勻：用石墨粉作隔層的單向壓制實驗，各層的厚度和形狀均發(fā)生了變化，由圖可知在任何垂直面上，上層密度比下層密度大；在水平面上，接近上模沖的斷面的密度分布是兩邊大，中間小；而遠離上模沖的截面的密度分別是中間大，兩邊小[8]。 因為粉末體在壓模內受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側壓力。側壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。 為了改善壓坯密度的不均勻性，一般采取以下措施： 1）減小摩擦力：模具內壁上涂潤滑油或采用內壁更光潔的模具； 2）采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性； 3）模具設計時盡量降低高徑比。 5.粉體材料模壓成形設備與壓制工具系統(tǒng) 5.1成形設備 從粉體成形的方法來講，粉體密實成形除了廣泛使用的鋼模冷壓成形（通常稱之為模壓成形）之外，還有粉末注射成形、粉末擠壓成形、粉末溫壓成形、粉末軋制、粉末鍛造、冷熱等靜壓等。 不同的成形方法需要采用不同的成形設備。 成形設備的水平在一定程度上代表了一個國家、一個企業(yè)的粉體材料及零件的制造生產(chǎn)能力和水平。 5.2壓制工具系統(tǒng) 由壓機、模架及模具組成的具有不同動作功能特征，能滿足壓制過程動作要求的工作系統(tǒng)稱之為壓制工具系統(tǒng)，分為： （1）帶多模板模架的多動作壓機配置結構相對簡單的壓模所組成的工具系統(tǒng)； （2）簡單動作壓機配置結構比較復雜的模架和模具所組成的工具系統(tǒng)。 5.3壓制過程對成形設備及壓制工具系統(tǒng)的動作要求 （1）不同裝扮高度及裝扮方式的動作要求； （2）不同壓制方式的動作要求； （3）不同壓制壓力、壓制先后順序； （4）壓制速度及壓制行程的動作要求； （5）不同脫模方式的動作要求。 5.4模壓成形動作曲線 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 6.壓模結構設計 6.1壓模結構分析 6.1.1單向自動壓模 相同點：單向自動壓模和單向手動壓模一樣，都是用來成形壓坯側面積與橫截面積的比值S側/S截<=K，或圓柱體壓坯的高徑比H/D<=K/4及圓環(huán)狀壓坯的高厚比H/D<=K/2的壓坯。 不同點：單向手動壓模結構簡單，制造容易，有些模具的脫模桿、脫模座、高度限制塊、墊板等可以共用或搭配使用，靈活性較大，勞動強度較大，一般用于科學研究，新產(chǎn)品試制或小批量生產(chǎn)； 單向自動壓模采用自動裝粉、自動壓制、自動脫模，生產(chǎn)效率高、勞動強度低、產(chǎn)品質量也比較穩(wěn)定，適合較大批量的生產(chǎn)。 6.2壓制過程自動化與自動壓模結構設計 6.2.1壓模過程自動化對壓模結構設計的基本要求 壓制過程自動化是指壓機及其工具系統(tǒng)按照要求連續(xù)不斷、自動有序、安全高效完成送粉、壓制、脫模、復位等壓制成形動作。 自動壓模結構設計就是根據(jù)壓坯尺寸，形狀和壓機結構，設計一種能自動完成壓制成形過程的壓模結構，包括壓模和模架的基本結構。這種自動壓模結構主要包括自動送粉、自動壓制、自動脫模與自動復位這三部分。 首先滿足對送粉高度、送粉方式、壓制方式、壓縮距離（壓縮量）、壓制先后順序、壓制速度、脫模方式等設計要求外，還要從設計上滿足連續(xù)不斷、自動有序、安全高效地完成壓制動作要求。 6.2.2壓模結構設計要求 粉體模壓成形模具主要零件包括：陰模、芯桿、模沖。在進行模具零件結構設計時，應考慮壓制成形過程要求、安全（人身、設備、模具）要求、與模架連接要求、裝配要求、制造要求等。 陰模要求：①陰模高度應能容納壓制所需的松散粉末，并使上、下模沖有良好的定位和導向；②能保證壓坯外形的幾何形狀和尺寸精度；③工作面的粗糙度Ra≤0.8um；④工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性；；⑤在工作壓力下應具有足夠的強度和剛性； ⑥根據(jù)產(chǎn)品的批量和復雜程度，選擇合適的陰模材料⑦結構上應便于制造和維修，使用安全，操作方便⑧能使壓坯完好的脫出⑨平磨后需退磁。 芯棒要求：①保證壓坯內腔的幾何形狀和尺寸精度②工作面的粗糙度Ra≤0.8um；③與上下模沖應有良好的配合、定位和導向④工作段應有高的硬度④平磨后需退磁。 模沖要求：①工作表面要有足夠高的硬度和良好的耐磨性，材料的選擇與處理應考慮有適當?shù)捻g性；②上、下模沖對陰模和芯棒應有良好的配合、定位和導向，并有合理的配合間隙，復合的模沖（即有壓套時）應能脫出壓坯③上下模沖的工作面和配合面的粗糙度Ra≤0.8um，非工作段的外徑可適當縮小，內徑可適當放大，減少精加工量和陰模、芯棒之間的摩擦④有關部位應能保證垂直度、平行度和同軸度等技術要求④平磨后需退磁。 6.3模架的選擇 6.3.1零件形狀分析 從所給的零件結構圖來看，所要設計的零件為等截面件，其形狀示意圖如下： 6.3.2模架的選擇 模架的結構不但與壓機的結構密切相關，而且還隨壓坯尺寸、形狀的不同而異。對于垂直于壓制方向上截面尺寸形狀不發(fā)生變化的等截面（等高）壓坯來說，無論截面形狀是圓形、環(huán)形、矩形、多邊形，還是其他不規(guī)則形狀，都只帶有上下兩個平行端面。成形這類壓坯，只需要一個陰模、上下兩個模沖和一至數(shù)根芯桿（對于帶通孔的壓坯而言）即可。成形這類壓坯的模架相對比較簡單，一塊安裝固定上模沖的上模板、一塊（個）安裝固定下模沖的下模板、一塊（個）安裝陰模的陰模板（或陰模座）和安裝固定芯桿的模板及必要的導向、連接類零件即可。這種用來成形上述等高壓坯的模架就是所謂“一上一下”式A型模架，其結構示意圖下型模架所示。 由于設計的零件為等截面的壓坯，所以選用簡單的A類模架結構，即一上一下式模架。 7.壓模和壓模零件的尺寸計算 7.2壓模零件尺寸計算 7.2.1壓縮比 壓縮比是表示粉末壓縮參數(shù)的基本參數(shù)之一，是指粉末未被壓縮之前的體積與壓縮后壓坯的體積比，即 k=V粉/V坯 式中，k為壓縮比，V粉為松裝粉末體積，V坯為壓坯的體積。 因為在壓制過程中，鋼模的截面積可認為沒有發(fā)生變化，對于整個高度方向上的截面積形狀與尺寸一樣的柱形模腔來說，壓制前粉末的橫截面積與壓制后壓坯的橫截面積相等，即S粉=S坯。于是松裝粉末的體積與壓坯的體積之比等于它們的高度之比。因此，壓縮比也可用粉末的松裝高度與壓坯高度之比表示，即 k=V粉/V坯=H粉S粉/h坯S坯=H粉/h坯 式中，H粉為松裝粉末的高度，h坯為壓坯高度。 需要指出，不同的產(chǎn)品，由于材質不同，性能要求不同，對壓坯的密度要求也不同。另外，不同的粉末，由于成分、顆粒形狀與大小、粒度分布、添加的成形劑種類與數(shù)量不同，粉末的松裝密度也不同，實際生產(chǎn)中在一定范圍內有些波動。表3提供了壓縮比數(shù)據(jù)范圍，設計時需根據(jù)具體情況適當選擇。 表3 某些粉末冶金制品的壓縮比 壓坯類型 壓縮比 壓坯類型 壓縮比 黃銅制品 2.4~2.6 鐵氧體 3.0 青銅軸承 2.5~2.7 銅-石墨 2.0~3.0 鐵基零件，低密度 2.0~2.4 硬質合金 3.0 鐵基零件，中密度 2.1~2.5 鎢 2.5 鐵基零件，高密度 2.4~2.8 鈦 2.5 根據(jù)表格，選擇鐵基零件，中密度壓坯類型，則其壓縮比范圍為2.1~2.5（取為2.5）。 根據(jù)壓坯尺寸，得出對應粉裝高度為H粉=45。 7.2.2模沖高度的確定 下模沖的定位高度是根據(jù)下模沖與陰模之間的裝配需要而選定的?？偟膩碚f，以能滿足下模沖在陰模中的定位需要為原則，一般取10~30mm（取20mm）。手動模的定位高度要比自動模大些；如果壓機或模架的導向精度不高，也應適當增大定位高度。 在采取容量法裝粉的自動壓模中，粉末與陰模上端面持平，上模沖是采取機械夾固方式連接在墊板上進行定位的。因此，在計算陰模高度時不必留意這個高度（即h上=0）。 故，模沖高度為：h上=0，h下=20。 7.2.3陰模高度的計算 陰模高度應滿足裝粉高度和模沖定位的需要。因此，陰模高度一般包括松裝粉末的高度、下模沖的定位高度和上模沖壓縮粉末前進入陰模的深度，即 H陰=H粉+h下+h上 式中，H陰為陰模高度，h下為下模沖定位高度，h上為上模沖壓縮粉末前進入陰模的深度。則 H陰=35.78+20+0=65.78 7.2.4芯桿長度的確定 芯桿的長度應不超過陰模上端面或略短一點，以便于自動送粉，但不宜過低，以免引起夾粉，磨損芯桿。芯桿不宜過長，以免給芯桿的加工帶來麻煩。特別是細長桿件在熱處理時容易變形，加工精度也難保證。為此，在模具結構需要較長的芯桿時，可分成幾段，然后組裝起來。 故本組選取兩段芯桿組裝，兩段芯桿長各為35.00。 7.2.5陰模內徑的計算 壓坯的外徑是由陰模的內徑直接決定的。因此，陰模的內徑應根據(jù)壓坯的外徑要求進行確定。當需要精整外徑時，還應留有精整余量（取0.02mm）。因此 故陰模內徑為：D陰內=20.32。 7.2.6芯桿外徑的確定 和陰模內徑的確定方法類似，芯桿的外徑是根據(jù)壓坯內孔尺寸的要求確定的。但應注意：當要求壓坯內孔有精整余量或機加工余量（取0.02mm）時，芯桿外徑應減少相應的余量。 故芯桿外徑為：d芯=16.05。 7.2.7模沖內外徑的確定 模沖的內、外徑是按照與之配合的芯桿外徑和陰模內徑來確定的。具體來講，模沖內孔直徑（內徑）的基本尺寸應與芯桿外徑的基本尺寸一樣，而模沖外徑基本尺寸則應與內徑的基本尺寸一樣。一般情況下，需要根據(jù)壓模零件的尺寸大小、壓坯的精度要求、粉末的粒度等合理選擇配合間隙。一般選取0,。01~0.03mm。（本組選取0.02mm） 故模沖內、外徑為：d模內=16.03，D模外=20.44。 7.2.8陰模外徑的確定 在壓制過程中，陰模及模套承受很高的側壓力。若其強度不足，工作中的陰?；蚰Ｌ拙蜁?；若剛性不足，卸載時會使壓坯產(chǎn)生層裂。但是，陰模和模套又不能過厚，以免浪費材料，并造成制造和使用困難。但是，根據(jù)經(jīng)驗，在壓制一般機械零件時，若陰模外徑與內徑的比值m在2~3范圍內（取m為2），可不進行剛度計算。 D外=mD內=65.78 7.3提高模具壽命的途徑 （1） 研究和選用新型模具材料 為了節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)效率、降低成本，世界各國的制造業(yè)廣泛地采用各種模具成型工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。 國外工業(yè)發(fā)達國家的模具制造業(yè)發(fā)展很快，從20世紀80年代以來，不少國家模具制造業(yè)已經(jīng)超過機床制造業(yè)的產(chǎn)值，模具制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個獨立的工業(yè)部門。 （2） 革新熱處理工藝 熱處理發(fā)展的主要趨勢是，不斷改革加熱和冷卻技術，發(fā)展真空熱處理，可控氣氛形變熱處理等，以及創(chuàng)造新的表面熱處理工藝。新工藝和技術的發(fā)展主要是：（1）為了提高零件的強度、韌性；增強零件的抗疲勞和耐磨損能力；（2）減輕加熱過程中的氧化和脫碳；（3）減少熱處理過程中零件的變形；（4）節(jié)約能源，降低成本，提高經(jīng)濟效益；（5）減少或防止環(huán)境污染等。 （3） 模具表面的強化處理 模具是各工業(yè)部門的重要工藝裝備，它的使用性能，特別是使用壽命反映了一個國家的工業(yè)水平，并直接影響到產(chǎn)品的更新?lián)Q代和在國際市場上的競爭能力。因此，各國都非常重視模具工業(yè)的發(fā)展和模具壽命的提高工作。目前，我國模具的壽命還不高，模具消耗量很大，因此，提高我國的模具壽命是一個十分迫切的任務。模具熱處理對使用壽命影響很大。我們經(jīng)常接觸到的模具損壞多半是熱處理不當而引起。據(jù)統(tǒng)計，模具由于熱處理不當，而造成模具失效的占總失效率的50%以上，所以國外模具的熱處理，愈來愈多地使用真空爐、半真空爐和無氧化保護氣氛爐。模具熱處理工藝包括基體強韌化和表面強化處理?；w強韌化在于提高基體的強度和韌性，減少斷裂和變形，故它的常規(guī)熱處理必須嚴格按工藝進行。表面強化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。表面強化處理方法很多，主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。 8.結束語 本次課程設計之前，我們已經(jīng)學習了《粉體材料成形設備與模具設計》、《粉末冶金原理》、《硬質合金生產(chǎn)原理》等相關課程的知識。 這次在老師的指導下，和同學的互幫互助之下，不斷的己查閱資料，基本上懂得了模具設計的步驟和方法。相信經(jīng)過這次設計后，對以后的工作會有很大的幫助。 參考文獻 [1] 熊春林.粉體材料成形設備與模具設計.北京：化學工業(yè)出版社，2007。 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