粉末压制成形模具设计

粉末压制成形模具设计李文虎一、金属粉末的工艺特性和材料性能参数与压制坯计算1.金属粉末的工艺特性和材料性能参数在制定金属粉末压制成形工艺时，其基本特性参数有:(1)粉末松装(或摇实)密度，即压制前金属粉末在凹模内的平均密度ρ0；(2)粉末的可压缩性，按实验数据或有关标准确定；(3)粉末的可变形程度，按实验数据或有关标准确定；(4)粉末流动应力。而在进行压制成形模具设计时，还需知道以下参数：(1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp；(2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示；(3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量ε表示；(4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用相对值ζ表示；(5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相对值τ表示。其他参数上述回弹与收缩量等的相对值可按下式换算成绝对值：lp=αp·b/100;(1)lrp=αrp·b/100;(2)ε=β·b/100(3)式中：b—制件的线尺寸αp，αrp，β值预先给出。2.确定压制成形方法具备了上述技术资料和数据后，可根据实际生产条件，选择压制设备型式以及相应的压制方法，并选好压制方向。3.压制坯的计算压制坯的计算，其实质就是根据所加工的粉末零件，决定压制坯的体积、质量和相关尺寸，以确定压制凹模型腔的尺寸和检验压制坯的尺寸精度。计算内容定义或计算公式有关说明压制坯面积Fp(cm2)压制坯在垂直于压制方向的平面的投影面积-压制坯体积Vp(cm3)Vp＝(1+ξ/100)Veξ—相对质量损耗量；Ve—零件体积压制坯质量Gp(kg)Gp＝ρpVpρp—压制件平均密度装粉质量G0(kg)G0＝CmGp系数Cm＝1.02～1.05，考虑了装粉及压制时的质量损失压制坯高度Hp(mm)Hp＝H-lp+ε+ΔmH—粉末零件尺寸，Δm—机加工余量，lp，ε的意义见上装粉高度H0(mm)H0＝KρHpKρ—粉末压实系数，Kρ＝ρp/ρ0表1金属粉末压制成形坯料计算二、凹模与芯棒的工作尺寸1、凹模总高度凹模各段的装料高度应与制件中相对应的各段高度成比例，以保证压制坯密度分布均匀化。而凹模的总高度则主要取决于其装料高度，同时还要考虑上、下冲头进入凹模的导向部分，如图1a所示。Hd＝H0+hh+hl(4)式中Hd—凹模总高度H0—总装料高度hh—上冲头导入长度hl—下冲头导入长度对于固定式结构，由于凹模本身沿高度方向具有分配粉料的作用，因此可以不考虑上、下冲头的导入部分(见图1b)，则Hd＝H0(5)所确定的尺寸包括凹模总高度、凹模型腔及芯棒的工作尺寸2.凹模型腔与芯棒工作尺寸凹模型腔的工作尺寸主要决定于粉末零件的外尺寸，同时必需考虑粉末体在压制、烧结、后续精压等工序这些外尺寸变化，以及凹模最大允许磨损量；而芯棒的工作尺寸则主要取决于零件的内尺寸，同样也要考虑其内尺寸在各工序的变化，并按零件的上极限偏差确定，以保证芯棒留有最大的磨损余量。具体计算如表2所示。-凹模型腔工作尺寸(mm)芯棒工作尺寸(mm)尺寸名称计算公式与说明尺寸名称计算公式与说明压制模具型腔名义尺寸Dn＝Dmin-lp±ε±ηrpDmin—零件最小允许尺寸ηrp—后续精压余量芯棒名义尺寸dn＝dmax-lp±ε±ηrp±lrpdmax—芯棒最大尺寸型腔最大允许尺寸Dn′＝Dmax-lp±ε±ηrpDmax—零件最大允许尺寸芯棒最大允许尺寸dn′＝dmin-lp±ε±ηrp±lrpdmin＝d+δl—芯棒最小允许尺寸d—零件孔径；δ1—孔径下偏差型腔磨损余量ΔD＝Dn′-Dn-δAδA—型腔尺寸实际偏差量芯棒磨损余量Δd＝dn′-dn-δaδa—芯棒尺寸实际偏差量后续精压型腔名义尺寸Drpmin＝Dmin-lrp后续精压芯棒直径(孔件)drp＝dmax±lrp“+”—精压后回弹使孔径减小时“-”—精压后回弹使孔径增大时型腔最大允许尺寸Drpmax＝Dmax-lrp坯料烧结坯外尺寸Ds＝Dmin±ηrp“+”—为正偏差精压时“-”—为负偏差精压时烧结坯内尺寸ds＝drp±ηrp“+”—为负偏差精压时“-”—为正偏差精压时压制坯外尺寸Dp＝Ds±ε“+”—粉体烧结后收缩时“-”—粉体烧结后膨胀时压制坯内尺寸dp＝ds±ε“+”—烧结后内尺寸减小时“-”—烧结后内尺寸增大时凹模型腔与芯棒的工作尺寸表2金属粉末压制成形模具三、压制力与凹模预应力圈尺寸1.压制力、顶出力和设备吨位P＝nFPT＝CpPCp—压力机吨位裕度系数，Cp＝1.25～1.30Pout＝μFcpc_p:金属粉末平均单位流动压力，由压制实验曲线或实际经验确定F:压制坯截面积n:压制模中型腔数量(对一次多件压制)压制后制件的顶出力由侧压力pc、粉体侧表面面积Fc和粉体与模壁的摩擦系数μ(＝0.1～0.2)确定pc＝Ccρmp(6)(7)(8)2.凹模预应力圈尺寸为了提高压制成形模具的寿命，并保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于压制时凹模内壁所承受的侧压力大小。对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公式估算：pc＝Ccρmp(9)式中Cc＝0.00725，m＝6.8而预应力圈的尺寸，必须保证凹模具有最大刚度，设凹模筒内半径为r1，则有：当pc≤200MPa时，r2＝2r1,r3＝4r1(10a)当pc＞200MPa时：r3＝(pc/140+0.67)r1,r2＝(r1r3)½(10b)此时，凹模与预应力圈的过盈量为：△=2pcr2/E(11)四、压制模具的结构设计及其强度校核1.模具结构形式(1)组合式：适用于批量不大的金属粉末件压制成形，凹模内各段的装粉高度由相应的冲头垫块来调节；(2)固定式：适用于在通用压力机上小批量金属粉末件压制成形，凹模内各段的装粉高度由浮动模座上的冲头调节；(3)固定式：专用压力机上大批量金属粉末件压制成形所采用的结构型式。2.模具封闭高度如图3所示，当采用固定式模具结构时，上冲头既可采用固定式，也可采用浮动式。其总高度可确定为：Lh＝hht+h1+h2。(12)同样，下冲头的总高度为：Ll＝hlt+h3+h4(13)式中：hht,hlt—上、下冲头固定板的厚度h1,h4—分别为上冲头压制和下冲头顶出行程h2—压力机在下死点时凹模上端面与上冲头固定板下端面之间的距离h3—下冲头导入凹模筒部分的长度3.模具受力件的强度校核(1)冲头一般处于压应力状态，其强度校核式为：σ＝P/Fmin≤［σ］(14)式中:P—金属粉末压制力Fmin—冲头最小截面积［σ］—淬硬钢许用压应力(2)对支承模座和固定板也需进行抗压强度校核：σ＝P/F≤［σ］(15)通常，与冲头模座投影面积相当的中间固定板其厚度可取5～8mm。(3)当细长型冲头(多为下冲头)和芯棒的长径比L/d≥3时，还需进行抗弯强度校核(a)计算纵向弯曲失稳临界载荷Pcr=2∏EJmin/L2(16)L—冲头自由部分的长度，等于从冲头固定板到冲头导入凹模部分中间位置和距离;Jmin—冲头最小截面矩;E—工具钢材料的弹性模量，一般可取E＝2.15×105MPa;Pcr—产生纵向失稳的临界载荷.(b)选取冲头的抗弯安全系数：对于淬硬钢冲头，一般可取P/Pcr≤n＝2～3(17)(c)确定冲头最大允许长度：L≤(2∏EJmin/nP)1/2(18)