粉末冶金模具設(shè)計(jì)算

6、模具主要零件設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)知者。——孔子《論語(yǔ)》1

6.1模具主要零件設(shè)計(jì)2模具主要零件包括：陰模、芯棒、模沖36.1.1對(duì)模具主要零件的一般要求：（一）成形模具1.陰模要求1）高度；2）保證壓坯的幾何形狀和尺寸精度3）粗糙度要低；4）硬度高、耐磨性好5）足夠的強(qiáng)度和剛性；6）合適的陰模材料7）便于制造，使用安全，便于操作8）容易脫模；4單層整體陰模5雙層組合陰模672.芯棒要求1）保證壓坯的幾何形狀和尺寸精度；2）粗糙度要低；3）與模沖配合良好；4）高的硬度；5）壓坯容易脫出芯棒，方便操作，利于加工；6）較長(zhǎng)較大芯棒采用組合結(jié)構(gòu)。83.模沖1）高硬度和耐磨性，適當(dāng)?shù)捻g性；2）模沖與陰模、芯棒配合良好，有合理的配合間隙；3）表面有較低的粗糙度；4）保證平行度、垂直度、同軸度；9（二）精整模具1.陰模要求1）根據(jù)產(chǎn)品要求選擇精整方式；2）全精整陰模精整段應(yīng)能容納壓坯，并有上下模沖的定位與導(dǎo)向長(zhǎng)度；3）陰?？谝袌A弧或錐度；4）表面有較低的粗糙度；5）高硬度和耐磨性。102.芯棒要求1）全精整和內(nèi)外徑同時(shí)精整：芯棒精整段長(zhǎng)度大于零件高度；單整內(nèi)孔：芯棒精整段長(zhǎng)度可小于零件高度；2）表面有較低的粗糙度；3）端部要有圓弧或錐度；4）高硬度和耐磨性。113.模沖參考成形模沖要求。126.1.2鑲拼式成形陰模13141516（一）拼模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)內(nèi)曲面型面→外曲面型面，解決了內(nèi)曲面加工的困難2)陰模高度可較大，型腔尺寸精度和幾何精度較高3)拼塊容易熱處理4)便于修復(fù)磨損了的陰模拼塊5)陰模拼塊加工工藝較復(fù)雜171819206.2模具主要零件尺寸計(jì)算模具主要零件包括陰模、芯棒、模沖由產(chǎn)品尺寸精度、形狀、技術(shù)性能→生產(chǎn)工藝→模具尺寸計(jì)算方法→選擇工藝參數(shù)影響工藝參數(shù)因素：原材料、成分、密度、工藝和設(shè)備等21

6.2.1不精整制品成形模徑向尺寸計(jì)算226.2.2不同精整方式制品成形模徑向尺寸計(jì)算23Dmin—產(chǎn)品外徑最小尺寸dmax—產(chǎn)品內(nèi)徑最大尺寸Acp—中心距平均尺寸c—燒結(jié)收縮率（%）e—壓坯壓制回彈率（%）δ外—外徑精整回彈量δ內(nèi)—內(nèi)徑精整回彈量△外--外徑精整余量△內(nèi)—內(nèi)徑精整余量i—全精整回彈率q—全精整余量率（%）24全精整精整模陰模內(nèi)徑Dt芯棒外徑dtDt=Dmin（1-i）Dt=dmax（1+i）成形模陰模內(nèi)徑Dm芯棒外徑dmDm=Dt（1+c-e-q)Dm=dt（1+c-e+q)256.2.3軸向尺寸計(jì)算軸向尺寸計(jì)算的主要部分是裝粉高度，其它高度方向的尺寸，往往由結(jié)構(gòu)上的需要（如定位、脫模、裝粉、連接和強(qiáng)度等）來(lái)選定，從而確定陰模、芯棒和上下模沖的軸向尺寸。

26(一)裝粉高度的計(jì)算

裝粉高度由裝粉體積可算出，裝粉體積取決于壓縮比和壓坯體積;壓縮比是指壓坯密度與粉末松裝密度之比。裝粉高度的計(jì)算公式見(jiàn)下表。

2728(一)裝粉高度尺寸計(jì)算公式H0—裝粉高度H—壓坯高度ρ0—粉末松裝密度ρ--壓坯密度V0--粉末體積V—壓坯體積C—壓縮比29Hf—陰模高度H1—壓坯臺(tái)階高度H2—壓坯總高度H10—壓坯臺(tái)階1的裝粉高度H20—壓坯臺(tái)階2的裝粉高度

30（二）模具高度的計(jì)算

（1）陰模陰模高度Hf一般由三部分高度組成,即Hf=H0+H1+H2式中Hf——陰模高度（mm）；H0——裝粉高度（mm）；H1——下模沖定位高度。一般為10~50mm；H2——手動(dòng)模裝粉錐高度（mm)。不需要時(shí)H2=031（1）陰模高度計(jì)算示圖32（2）芯棒長(zhǎng)度計(jì)算在計(jì)算芯棒長(zhǎng)度時(shí)，要考慮以下幾點(diǎn)：1）芯棒上端面應(yīng)與陰模上端面平，或略低一點(diǎn)，便于自動(dòng)送粉。2）芯棒成形面的長(zhǎng)度應(yīng)與陰模高度相等。3）采用手動(dòng)模時(shí)，芯棒長(zhǎng)度可與陰模高度相等。

4）采用機(jī)動(dòng)模時(shí)，芯棒除了成形面長(zhǎng)度外，

還應(yīng)加上根據(jù)壓制方式、脫模方式和連接方式等

具體結(jié)構(gòu)條件來(lái)選定的其它長(zhǎng)度。

33（3）模沖的高度計(jì)算

下模沖定位高度H1選擇的原則是:

1）手動(dòng)模比機(jī)動(dòng)模的下模沖定位高度H1要大。

2）對(duì)于機(jī)動(dòng)模，當(dāng)壓機(jī)或模架導(dǎo)向差時(shí)，H1選較大的值。

3）壓坯高度大時(shí)H1選較大值。344）在計(jì)算模沖高度時(shí)，要考慮以下幾點(diǎn)：

①足夠的壓縮行程。

②足夠的脫模行程。③適宜的定位高度。

④連接所需要的高度。

35下模沖軸向尺寸計(jì)算公式366.3模具設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)在尺寸計(jì)算過(guò)程中，所涉及到的工藝參數(shù)有:1)金屬粉末的松裝密度ρ0,2)壓坯的回彈率e,3)燒結(jié)收縮率c,4)整形余量Δ,5)整形回彈量δ,6)復(fù)壓裝模間隙b,7)復(fù)壓壓下率q等.

37除上述參數(shù)外,還有一些參數(shù)是事先給定的,或可計(jì)算出來(lái)的,如壓坯密度ρ,壓縮比c,單位壓力p等。38（一）金屬粉末的松裝密度

金屬粉末的松裝密度直接影響模腔的高度。此參數(shù)選擇不當(dāng)，自動(dòng)裝粉時(shí)則會(huì)造成粉料裝不下，或粉料裝得太多的現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)中，松裝密度在一定范圍內(nèi)有波動(dòng)，為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般考慮了調(diào)節(jié)裝粉高度的裝置，但調(diào)節(jié)范圍不宜過(guò)大。391.松裝密度的影響因素1）粉料的成分、2）顆粒形狀、3）粒度組成4）流動(dòng)性等。402.調(diào)節(jié)松裝密度措施有：1）將成分相同而松裝密度不同的各批粉末按比例混合，以獲得所需要的松裝密度。例如，可合批或?qū)⑦€原鐵粉與霧化鐵粉混合等。2）改變粉末的粒度組成。一般粗中細(xì)粉末按適當(dāng)比例相配，可增大松裝密度。3）改變混料工藝。如延長(zhǎng)混料時(shí)間，可提高松裝密度。4）增加潤(rùn)滑劑。如硬脂酸鋅或少量的機(jī)油，可降低松裝密度。413.鐵、銅基粉末的松裝密度42（二）壓坯的回彈率（彈性后效）及影響因素1.壓坯的回彈率（彈性后效）的計(jì)算公式4344452.回彈率的影響因素1）粉末的塑性，不僅與其成分有關(guān)，而且相同成分但加工工藝不同時(shí)，其塑性差異亦較大。塑性好，則回彈率小。2）壓坯密度高，則壓制壓力大，側(cè)壓力亦大，模具型腔變形（外脹）隨之增大，回彈率也就增大。

3）陰模的剛性對(duì)回彈率影響較大。剛性差則變形大，回彈率也大。4）當(dāng)壓坯高度大于一定值(如10~15mm)后,高度對(duì)回彈率影響不大。但當(dāng)高度小于一定值（如10~15mm)時(shí)，則高度對(duì)回彈率影響逐漸明顯。當(dāng)壓坯高度小到3~5mm以下時(shí)，回彈率大大降低。

46（三）燒結(jié)收縮率及影響因素1.燒結(jié)收縮率的計(jì)算公式4748492.燒結(jié)收縮率的影響因素1）化學(xué)成分對(duì)收縮率有一定的影響。不僅不同的金屬粉末收縮率差異較大，而且少量的合金元素添加劑，對(duì)收縮率也有一定的影響。

2）提高壓坯密度，可使收縮率減小。3）燒結(jié)工藝對(duì)收縮率影響最為明顯。提高燒結(jié)溫度，收縮率增大。這一因素最敏感，尤其對(duì)于收縮率大的材料。延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使收縮率增大。

50（四）精整余量和回彈量及其影響因素1.精整余量和回彈量精整方式不同，則精整余量的分配和回彈量的大小也不相同。51522.精整余量的選擇依據(jù)1)精整的目的，主要是為了提高燒結(jié)件的尺寸精度和表面粗糙度，其次是適當(dāng)增加燒結(jié)件的密度和表面硬度。

2)過(guò)小的精整余量，一則工藝上較難控制，另則不能很好地達(dá)到精整的目的。3)過(guò)大的精整余量造成模具磨損加??；燒結(jié)件表面過(guò)硬，于跑合性不利；對(duì)減摩類燒結(jié)件表面孔隙封閉，使?jié)櫥焕?，甚至產(chǎn)生表面裂紋。

533.

回彈量的影響因素1）精整余量大，回彈量增大

2）燒結(jié)件的硬度高，塑性差，則回彈量大。

3）燒結(jié)件密度高，則回彈量大。

4）精整模剛性差，則回彈量大。

5）全精整時(shí)，適當(dāng)?shù)膲合侣剩瑒t因塑性變形大而回彈量減小，過(guò)大的壓下率，則使回彈量增大

6）單精整某個(gè)面（如內(nèi)徑或外徑），因塑性變形小，彈性變形大，因而回彈量增大。54(五）機(jī)加工余量5556576.4陰模與模套的強(qiáng)度和剛度計(jì)算在壓制過(guò)程中陰模與模套在側(cè)壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，若其強(qiáng)度不足，工作中的陰模與模套會(huì)破裂；若剛性不足，卸載時(shí)會(huì)使壓坯產(chǎn)生層裂。58（一）強(qiáng)度和剛度計(jì)算程序1.側(cè)向壓力59陰模在側(cè)壓強(qiáng)的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所受的側(cè)壓強(qiáng)，來(lái)驗(yàn)算陰模的強(qiáng)度和剛性。在保證模具安全和壓坯完好的情況下，盡量減小陰模外徑尺寸。

根據(jù)陰模受到的最大應(yīng)力不得大于模具材料的許用應(yīng)力，來(lái)建立強(qiáng)度條件。根據(jù)壓坯受到陰模彈性變形恢復(fù)時(shí)，收縮引起的剩余側(cè)壓強(qiáng)，不得大于壓坯允許的側(cè)向抗壓應(yīng)力，建立剛性條件。

602.強(qiáng)度和剛度計(jì)算的兩種類型和物理參量1）.兩種類型（1）.單層圓筒陰模（2）.組合圓筒陰模61（1）.單層圓筒陰模m=R/r62（2）.組合圓筒陰模r中=(rR)1/2632）.物理參量材料泊松比ν材料彈性模量E材料許用應(yīng)力σ材料側(cè)向許用抗壓強(qiáng)度[σ壓]側(cè)向64不同陰模材料許用應(yīng)力值σ（MPa)65壓坯的側(cè)向抗壓強(qiáng)度[σ壓]側(cè)向取決于粉料的成形性能及壓坯密度。如塑性好的粉料[σ壓]側(cè)向則大；粉料中多加石墨、硬脂酸鋅等降低壓坯強(qiáng)度的添加劑，則[σ壓]側(cè)向降低；壓坯密度提高時(shí)，[σ壓]側(cè)向則增大，但與此同時(shí)p側(cè)也劇增。具體粉料壓坯的[σ壓]側(cè)向應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。66鐵基壓坯側(cè)向許用抗壓強(qiáng)度[σ壓]側(cè)向67從表可看出：1）相同成分的壓坯，壓坯密度越高，雖然[σ壓]側(cè)向提高，但p側(cè)增加得更快，對(duì)強(qiáng)度條件不利；2）石墨含量增加，使[σ壓]側(cè)向下降，對(duì)剛性條件不利。3）表中所列的前五種情況，由于[σ壓]側(cè)向/

p側(cè)均大于0.7，故無(wú)需驗(yàn)算剛性條件；唯最后一種情況，需要?jiǎng)傂耘c強(qiáng)度同時(shí)驗(yàn)算。683.計(jì)算流程對(duì)于密度為6.6g/cm3的鐵基壓坯，若已知壓坯所承受的側(cè)向壓力p側(cè)和側(cè)向許用應(yīng)力[σ壓]側(cè)向，應(yīng)按下列條件確定計(jì)算流程，以保證壓坯不會(huì)開(kāi)裂并具有足夠的模具剛度。69

1)不驗(yàn)算模具鋼度，按強(qiáng)度條件確定壁厚2)模壁需增厚，以滿足剛度條件3)同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算70（二）強(qiáng)度計(jì)算

（1）.單層圓筒陰模強(qiáng)度計(jì)算71由上式推出：7273747576（二）組合圓筒陰模強(qiáng)度計(jì)算（1）計(jì)算步驟：1、根據(jù)壓坯形狀，計(jì)算m單值2、根據(jù)m單值，按下表確定K177K1與m的關(guān)系m1.52.02.53.04.0K10.880.770.700.640.57783、重算m組值4、求出預(yù)緊力p預(yù)795、計(jì)算陰模與模套間過(guò)盈量6、計(jì)算熱套溫度△t=(△+0.1)/arb△t——熱裝時(shí)所需加熱溫度△——半徑過(guò)盈量a——線膨脹系數(shù)0.1——熱裝時(shí)所需的間隙80三、剛度計(jì)算壓坯成形時(shí)，陰模內(nèi)側(cè)在p側(cè)作用下，在外側(cè)半徑R處產(chǎn)生變形量⊿R即

81當(dāng)卸載后，p側(cè)消失，陰模產(chǎn)生彈性回復(fù)，向中心收縮。隨著收縮的進(jìn)行，壓坯產(chǎn)生向心的壓縮變形，同時(shí)產(chǎn)生抗壓應(yīng)力，在某一個(gè)新的位置上，達(dá)到力的平衡。這時(shí)陰模外側(cè)并未能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，而有一個(gè)剩余變形⊿R剩

82剛性條件是：p側(cè)余不得大于壓坯側(cè)向允許承受的抗壓強(qiáng)度，否則壓坯未脫模時(shí)已裂了。即83m與j的關(guān)系(鐵基壓坯密度6.6g/cm3)m1.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.22.53.04.0∞j0.890.820.760.700.690.670.640.630.610.600.580.560.540.530.5084四、模具壁厚推薦數(shù)據(jù)根據(jù)理論計(jì)算，并通過(guò)多年來(lái)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)鐵基粉末冶金壓坯成形模具的陰模壁厚推薦數(shù)據(jù)可參見(jiàn)下表85（1）套類和多尖角壓坯組合模具壁厚推薦值86（2）陰模為拼塊式或硬質(zhì)合金制造的組合模具壁厚推薦值876.5模具設(shè)計(jì)實(shí)例一、氣門(mén)導(dǎo)管零件模具設(shè)計(jì)示例下圖是柴油機(jī)氣門(mén)導(dǎo)管，年產(chǎn)100萬(wàn)件，粉末冶金工藝生產(chǎn)。（一）產(chǎn)品分析要求徑向壓潰強(qiáng)度大于250Mpa，材料：選用鐵-碳-銅系材料。工藝：壓制-燒結(jié)-外箍?jī)?nèi)精整88氣門(mén)導(dǎo)管零件圖及模具設(shè)計(jì)工藝參