金屬粉末件鋼模壓制成形模具設(shè)計(jì)計(jì)算方法

金屬粉末件鋼模壓制成形模具設(shè)計(jì)計(jì)算方法作者：北京科技大學(xué)余智勇李亞軍摘要：在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上，敘述并歸§§§納了金屬粉末鋼模壓制成形坯及相應(yīng)的壓制模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法、內(nèi)容和步驟；并介紹了一典型粉末件的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。關(guān)鍵詞：金屬粉末；鋼模壓制成形；燒結(jié)；壓制模具金屬粉末成形和傳統(tǒng)的金屬塑性加工工藝相類似，對于某一具體金屬粉末件，在確定了其鋼模壓制方法后（參見文獻(xiàn)［1］），就要根據(jù)該零件生產(chǎn)的有關(guān)技術(shù)要求和原始數(shù)據(jù)，包括制件的零件圖、粉末成分及其工藝性能、加工工藝流程、壓制方法和批量大小等，進(jìn)行壓制坯和壓制模具設(shè)計(jì)。一、金屬粉末的工藝特性和材料性能參數(shù)與壓制坯計(jì)算金屬粉末的工藝特性和材料性能參數(shù)在制定金屬粉末壓制成形工藝時(shí)，其基本特性參數(shù)有：（1）粉末松裝（或搖實(shí)）密度，即壓制前金屬粉末在凹模內(nèi)的平均密度po；（2）粉末的可壓縮性，按實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定；（3）粉末的可變形程度，按實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定；（4）粉末流動(dòng)應(yīng)力。而在進(jìn)行壓制成形模具設(shè)計(jì)時(shí)，還需知道以下參數(shù)：（1）預(yù)先給定的粉末壓制坯的密度pp；（2）壓制（和后續(xù)塑性加工）后制件線回彈量，用相對值ap（arp）或絕對量Ip（lrp）表示；（3）制件燒結(jié)后的線收縮量，用相對值B或絕對量￡表示；（4）燒結(jié)氧化或其他原因引起的質(zhì)量損耗量，用相對值Z表示；（5）后續(xù)塑性加工引起的制件密度增加量，用相對值n表示。上述回彈與收縮量等的相對值可按下式換算成絕對值：一； 廠「.亠，⑴式中A—制件的線尺寸ap，arp，B值預(yù)先給出。確定壓制成形方法具備了上述技術(shù)資料和數(shù)據(jù)后，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，選擇壓制設(shè)備型式以及相應(yīng)的壓制方法，并選好壓制方向，具體參見文獻(xiàn)［1］。壓制坯的計(jì)算壓制坯的計(jì)算，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)所加工的粉末零件，決定壓制坯的體積、質(zhì)量和相關(guān)尺寸以確定壓制凹模型腔的尺寸和檢驗(yàn)壓制坯的尺寸精度。具體如表1所示。表1金屬粉末壓制成形坯料計(jì)算計(jì)算內(nèi)容定義或計(jì)算公式有關(guān)說明壓制坯面積F(cm2)壓制坯在垂直于壓制方向的平面的投影面積—壓制坯體積V(cm3)V=(1+E/100)v；V—零件體積p e eE—相對質(zhì)量損耗量壓制坯質(zhì)量G(kg)pG=pVp ppp—壓制件平均密度P裝粉質(zhì)量G(kg)0G=CG；C=1.02?1.050 mp m系數(shù)C考慮了裝粉及壓制時(shí)的質(zhì)量損m失壓制坯高度H(mm)pH=H-l+￡+△；△—機(jī)加工余量，H—粉末零p p mm件尺寸l,￡的意義見上，其他線尺寸確定方P法相同裝粉高度H(mm)flH=KH；K=p/pK—粉末壓實(shí)系數(shù)、凹模與芯棒的工作尺寸所確定的尺寸包括凹?？偢叨?、凹模型腔及芯棒的工作尺寸，具體如下：凹?？偢叨热缥墨I(xiàn)［1］所述，凹模各段的裝料高度應(yīng)與制件中相對應(yīng)的各段高度成比例，以保證壓制坯密度分布均勻化。而凹模的總高度則主要取決于其裝料高度，同時(shí)還要考慮上、下沖頭進(jìn)入凹模的導(dǎo)向部分，如圖1a所示。圖1確定凹?？偢叨仁疽鈭DHd=Ho+hh+hi(2)式中Hd—凹模總高度H0—總裝料高度hh—上沖頭導(dǎo)入長度0—下沖頭導(dǎo)入長度對于固定式結(jié)構(gòu)，由于凹模本身沿高度方向具有分配粉料的作用，因此可以不考慮上、下沖頭的導(dǎo)入部分(見圖1b)，則Hd=H0(3)凹模型腔與芯棒工作尺寸凹模型腔的工作尺寸主要決定于粉末零件的外尺寸，同時(shí)必需考慮粉末體在壓制、燒結(jié)、后續(xù)精壓等工序這些外尺寸變化，以及凹模最大允許磨損量；而芯棒的工作尺寸則主要取決于零件的內(nèi)尺寸，同樣也要考慮其內(nèi)尺寸在各工序的變化，并按零件的上極限偏差確定，以保證芯棒留有最大的磨損余量。具體計(jì)算如表2所示。表2金屬粉末壓制成形模具凹模型腔與芯棒的工作尺寸—凹模型腔工作尺寸(mm)芯棒工作尺寸(mm)尺寸名稱計(jì)算公式與說明尺寸名稱計(jì)算公式與說明壓制模具型腔名義尺寸d=d—l±￡土nn min p rpD—零件最小允許尺寸minnrp—后續(xù)精壓余量芯棒名義尺寸d=d—l土￡土n±ln max p rp rpd—芯棒最大尺寸max型腔最大允許尺寸d'=d—l土￡土nn max p rpD—零件最大允許尺寸芯棒最大允許尺寸d' =d—l土￡土n土1n min p rp rpd=d+6—芯棒最小允許尺

寸d—零件孔徑；6—孔徑下偏差i型腔磨損余量△D=D'-D-6n nA6—型腔尺寸實(shí)際偏差A(yù)量芯棒磨損余量△d=d'-d-6n n a6—芯棒尺寸實(shí)際偏差量a后續(xù)精壓型腔名義尺寸D.=D.-l后續(xù)精壓芯棒直徑（孔件）d=d±lrp max rp“+”一精壓后回彈使孔徑減小時(shí)“-”一精壓后回彈使孔徑增大時(shí)型腔最大允許尺寸D=D-lrpmax max rp坯料燒結(jié)坯外尺寸d=d土ns min rp“+”一為正偏差精壓時(shí)“-”一為負(fù)偏差精壓時(shí)燒結(jié)坯內(nèi)尺寸d=d土ns rp rp“+”一為負(fù)偏差精壓時(shí)“-”一為正偏差精壓時(shí)壓制坯外尺寸D=D土￡p s“+”一粉體燒結(jié)后收縮時(shí)“-”一粉體燒結(jié)后膨脹時(shí)壓制坯內(nèi)尺寸d=d土￡p s“+”一燒結(jié)后內(nèi)尺寸減小時(shí)“-”一燒結(jié)后內(nèi)尺寸增大時(shí)注：公式中凡有“±”處則表示經(jīng)此工序后尺寸的實(shí)際增減。三、壓制力與凹模預(yù)應(yīng)力圈尺寸壓制力、頂出力和設(shè)備噸位金屬粉末的壓制力通常由其單位流動(dòng)壓力所決定：P=nF'式中?一金屬粉末平均單位流動(dòng)壓力，由壓制實(shí)驗(yàn)曲線或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)確定F—壓制坯截面積n—壓制模中型腔數(shù)量（對一次多件壓制）確定壓制力后，則可選擇壓力機(jī)噸位：PT=CpP⑸

式中Cp—壓力機(jī)噸位裕度系數(shù)，Cp=1.25?1.30而壓制后制件的頂出力由側(cè)壓力pc、粉體側(cè)表面面積Fc和粉體與模壁的摩擦系數(shù)p(=0.1?0-2)確定：P。嚴(yán)Fcpc⑹凹模預(yù)應(yīng)力圈尺寸為了提高壓制成形模具的壽命，并保證壓制件的尺寸精度，凹模常采用預(yù)應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其尺寸取決于壓制時(shí)凹模內(nèi)壁所承受的壓力大小。對于鐵粉末壓制，其側(cè)壓力可按經(jīng)驗(yàn)公式估算：Pc=Cfmp(7)ccp式中Cc=0.00725,m=6.8圖2圖2凹模預(yù)應(yīng)力圈尺寸關(guān)系而預(yù)應(yīng)力圈的尺寸，必須保證凹模具有最大剛度，設(shè)凹模筒內(nèi)半徑為門，則有:當(dāng)pcS200MPa時(shí)，r2=2H,r3=4H(8a)當(dāng)pc>200MPa當(dāng)pc>200MPa時(shí):: ■ 「 /~-(8b)此時(shí)，凹模與預(yù)應(yīng)力圈的過盈量為：式中E—模具材料的彈性模量根據(jù)上述一、二、三節(jié)的計(jì)算結(jié)果，便可繪制壓制坯圖、燒結(jié)坯圖、后續(xù)精壓坯圖、壓制凹模型腔圖、后續(xù)精壓凹模型腔圖。四、壓制模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度校核模具結(jié)構(gòu)形式在確定了凹模、沖頭和芯棒的基本尺寸，以及選擇了壓力機(jī)型號規(guī)格后，就可按生產(chǎn)計(jì)劃設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)。通常有3種模具結(jié)構(gòu)型式：組合式適用于批量不大的金屬粉末件壓制成形，凹模內(nèi)各段的裝粉高度由相應(yīng)的沖頭墊塊來調(diào)節(jié)；固定式適用于在通用壓力機(jī)上小批量金屬粉末件壓制成形，凹模內(nèi)各段的裝粉高度由浮動(dòng)模座上的沖頭調(diào)節(jié)；固定式專用壓力機(jī)上大批量金屬粉末件壓制成形所采用的結(jié)構(gòu)型式。模具封閉高度如圖3所示，當(dāng)采用固定式模具結(jié)構(gòu)時(shí)，上沖頭既可采用固定式，也可采用浮動(dòng)式，而其總高度可確定為：Lh=hht+hl+h2(10)圖3確定模具封閉高度示意圖同樣，下沖頭的總高度為：Ll=hlt+h3+h4(11)式中hht,hlt—上、下沖頭固定板的厚度h1,h4—分別為上沖頭壓制和下沖頭頂出行程h2—壓力機(jī)在下死點(diǎn)時(shí)凹模上端面與上沖頭固定板下端面之間的距離h3—下沖頭導(dǎo)入凹模筒部分的長度模具受力件的強(qiáng)度校核由于壓制成形模具在周期高載荷下工作，因此，必須對主要受力件進(jìn)行強(qiáng)度校核。沖頭一般處于壓應(yīng)力狀態(tài)，其強(qiáng)度校核式為：z=P/Fmiif (12)式中P—金屬粉末壓制力Fmin—沖頭最小截面積[z]—淬硬鋼許用壓應(yīng)力當(dāng)細(xì)長型沖頭(多為下沖頭)和芯棒的長徑比L/d>3時(shí)，還需進(jìn)行抗彎強(qiáng)度校核，具體步驟如下：計(jì)算縱向彎曲失穩(wěn)臨界載荷1汕— F(13)式中L—沖頭自由部分的長度，等于從沖頭固定板到?jīng)_頭導(dǎo)入凹模部分中間位置和距離Jmin—沖頭最小截面矩E—工具鋼材料的彈性模量，一般可取E=2.15x105MPaPcr—產(chǎn)生縱向失穩(wěn)的臨界載荷選取沖頭的抗彎安全系數(shù)：對于淬硬鋼沖頭，一般可取P/Pcrsn=2?3(14)確定沖頭最大允許長度:對支承模座和固定板也需進(jìn)行抗壓強(qiáng)度校核：z=P/Fs[z](16)通常，與沖頭模座投影面積相當(dāng)?shù)闹虚g固定板其厚度可取5?8mm。彈簧校核：在金屬粉末件壓制成形模具中，主要采用圓柱壓縮螺旋彈簧。其選擇和校核可按有關(guān)手冊進(jìn)行。五、設(shè)計(jì)實(shí)例簡述圖4鐵粉末零件圖對于圖4所示的有內(nèi)外凸緣的鐵粉末零件，要求其最終平均體積密度達(dá)到6.25g/cm3,年產(chǎn)50萬件。具體設(shè)計(jì)計(jì)算簡述如下：制件加工工藝流程此制件的加工工藝流程為：裝料(Fe+0.8%硬脂酸鋅：p0=2.54g*cm-3)i壓制-燒結(jié)(1110°C,2h)i精壓-成品。確定壓制成形方法如文獻(xiàn)[1]所示，對此制件，可采用浮動(dòng)壓制與彈性沖頭壓制相組合的壓制成形方法。坯料計(jì)算

按本文表2方法進(jìn)行坯料計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出壓制和燒結(jié)坯圖、壓制和精壓凹模筒圖，如圖5所示。TWlYIlal^LF冷d=PM巴巴P-ft6-23&￥d-H*0■H刃hl昶工"XQ皓刪角J*"0.ETWlYIlal^LF冷d=PM巴巴P-ft6-23&￥d-H*0■H刃hl昶工"XQ皓刪角J*"0.E圖5計(jì)算坯料與凹模筒圖(a)壓制坯圖(b)燒結(jié)坯圖(c)壓制凹模筒圖(d)精壓凹模筒圖模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如該粉末件是在帶頂出裝置的普通油壓機(jī)或機(jī)械壓機(jī)上壓制成形，則可采用圖6所示的模具結(jié)構(gòu)：由喂料裝置1將粉料裝入凹模筒4內(nèi)，此時(shí)置于頂桿上的彈性沖頭7應(yīng)處在最上位，以保證粉體底面為平面；壓制行程時(shí)，滑塊向下運(yùn)動(dòng)使沖頭2下移到楔形固定塊處停止，而沖頭3通過粉體迫使沖頭7同步向下運(yùn)動(dòng)到定位塊，以實(shí)現(xiàn)粉料沿高度分配；當(dāng)滑塊繼續(xù)下行，楔形固定塊被擠到一邊，沖頭2、3開始對凹模模腔內(nèi)的粉體進(jìn)行壓制成形，而壓制時(shí)，凹模4、沖頭6和凹模固定板5均可浮動(dòng)，其浮動(dòng)行程可由擋塊調(diào)節(jié)；壓制完后，由沖頭7頂出制件。

圖6壓制成形模結(jié)構(gòu)簡圖1.喂料裝置2.上外沖頭3.上內(nèi)沖頭4.凹模筒5.凹模固定板6.下外沖頭7.下內(nèi)沖頭圖7精壓模結(jié)構(gòu)簡圖1.凹模2.預(yù)應(yīng)力圈3.上沖頭4.下沖頭5、10.墊板6.下模座7.墊板8、9.模具固定板11.上模座12.頂桿13.燒結(jié)坯14、19?螺栓15.制件16.螺釘17.螺母18.墊圈燒結(jié)坯的精壓模結(jié)構(gòu)如圖7所示。燒結(jié)坯由其外凸緣定位，靠其內(nèi)孔負(fù)偏差的余量體積轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)體積精壓，由下沖頭將制件頂出。生產(chǎn)實(shí)際表明，采用上述的壓制與精壓成形工藝以及相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)，完全能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求。參考文獻(xiàn)1，余智勇，康永林，李亞軍.金屬粉末件鋼模壓制成形與質(zhì)量控制方法，鍛壓技術(shù)，2000(1).2，國家自然科學(xué)基金委.自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告：冶金與礦業(yè)