粉末冶金模具设计.ppt

粉末冶金原理及模具粉末冶金原理及模具材料科学与工程学院材料科学与工程学院2024/5/26 周日1.3.1 3.1 压制制过程和精整程和精整过程中力的程中力的计算算 3.2 3.2 压坯密度分布与坯密度分布与压制方式的关系制方式的关系 3.3 不等高压坯压模的设计原理粉末装填系数相同或相近压制时压缩比相同或相近压制速率相同或相近 3.4 组合模具的设计原理 第3章 粉末冶金模具设计原理目的目的 压坯：相坯：相对均匀的均匀的压实密度密度形状完整，具有一定形状完整，具有一定强度度3.5 压制制过程的程的图示示2024/5/26 周日2.压制制压力的力的计算算模压过程的总压制力等于净压力与外摩擦力之和单位压制压力与压坯密度定量关系的研究，是近60年来粉末成形理论研究的主要内容脱模力的脱模力的计算算压制压力去掉后，侧压力因为高度方向的弹性后效，侧压力会下降3577%2024/5/26 周日3.在低速高单位压制压力条件下，塑性金属粉末易发生“模瘤”；模具表面质量差、润滑不良和模温过高，加重模瘤现象。严重时脱模压力超过压制压力，使得模具拉伤。无润滑塑性金属粉末应当避免高压压制 F脱静P侧剩S侧 P侧剩ER剩(m2-1)/2R P侧剩=j0P2024/5/26 周日4.其中：R剩：卸压后阴模半径上剩余的变形量；j：剩余侧压强与侧压强之比，决定于模具的刚度；m：阴模外径与内径之比；：压坯的相对密度当相对密度为：0.800.85时，m=24，可粗略估算：对于铁基：P侧剩=0.180.20P对于铜基：P侧剩=0.200.22P2024/5/26 周日5.精整精整压力的力的计算算外箍内的精整：精整压力Fc=F1+F2+F3其中：F1为实现轴套纯变形所需要的力；F2为克服整形区外摩擦所需的力；F3克服内摩擦所需的力。精整压力计算公式Fc=Pc(S+Q)+0.58S2其中：Pc 为精整区的平均单位压力；Q为阴模精整区的工作面积；为精整件的塑性变形抗力(三向压力)；为阴模入口端的角度；S2为精整区轴套的横截面积2024/5/26 周日6.内胀外精整精整压力计算与外箍内时相同；整形区的单位精整压力为 Pc=/1+(S+Q)/2S2在此：为单向压缩条件下材料塑性变形的抗力通常内胀外精整方式的精整压力几乎只有外箍内精整方式的十分之一材料塑性变形抗力与材质、组织和孔隙率密切关连2024/5/26 周日7.压坯密度分布与坯密度分布与压制方式的关系制方式的关系压坯密度分布不均匀的地方，常常是压坯截面积发生变化的分界处；脱模时这种部位也容易产生裂纹，烧结时易引起变形。影响压坯密度分布均匀性的因素：粉末成分和性能模具表面质量摩擦力压制时粉体产生柱式流动，几乎不产生明显的横向流动2024/5/26 周日8.压坯中中立层的位置可以表示压坯密度分布的均匀程度。通过压制方式和压模结构合理选择使中立层2边受相同压缩，提高密度分布均匀性2024/5/26 周日9.d粉粉粉末松装密度；粉末松装密度；d1第一次第一次压制后制后压坯平均密度；坯平均密度；第一次第一次压制后：制后：d粉粉H粉粉=d1h1x=h1-hd粉粉H粉粉=d1(h+x)x=(d粉粉H粉粉-d1h)/d1第二次第二次压制后：制后：d粉粉H粉粉=dhd粉粉=d h/H粉粉x=(d-d1)h/d1;k=H粉粉/h=(l+h)/hx=(d-d1)l/d1(k-1);y=x/l 100%2024/5/26 周日10.压力相等力相等时双向双向压制与非同制与非同时双向双向压制的效制的效果相同果相同非同时双向压制中第二次压制的模冲移动距离：x=(d2-d1)h/d1 或者 y=x/l=100(d2-d1)/d1(k-1)其中：d2为要求的压坯平均密度；d1为单向压制的平均密度；h为压坯高度；k为压缩比；l为装粉高度与压坯高度之差。2024/5/26 周日11.非同非同时双向双向压制原理制原理为压模模结构构设计提供了提供了压坯密度均匀分布的理坯密度均匀分布的理论基基础；也；也为粉末粉末压机的机的设计提供了重要基提供了重要基础，使得多凸，使得多凸轮和凸和凸轮曲柄粉末曲柄粉末压机更好地机更好地满足粉末足粉末压坯密度均坯密度均匀分布的要求。匀分布的要求。2024/5/26 周日12.摩擦摩擦压制制在压制过程中，让阴模或芯杆与样品侧面产生同向相对移动，即运动得更快，借助粉末与模壁之间的摩擦，带动与阴模或芯杆接触的粉末层移动，从而可改善沿压坯高度方向的密度分布均匀性。2024/5/26 周日13.2024/5/26 周日14.2024/5/26 周日15.压制方式的制方式的选择依据依据压制方式和方法不同，上、下模冲、芯杆和阴制方式和方法不同，上、下模冲、芯杆和阴模相模相对于粉末于粉末压坯的相坯的相对运运动方向及速度也不方向及速度也不同，从而使外摩擦同，从而使外摩擦对压坯密度的均匀分布坯密度的均匀分布产生生有害或者有利的影响。有害或者有利的影响。单向向压制制S侧max/S=1-(下下/上上)m/=K当柱状当柱状压坯坯S侧/SK或者或者圆柱体柱体压坯高径比坯高径比H/DK/4时，采用，采用单向向压制可以制可以满足足压坯密度坯密度分布均匀性的要求分布均匀性的要求2024/5/26 周日16.2024/5/26 周日17.双向压制S侧max/S=1-(中/上)m/=2K当柱状压坯KS侧/S2K，或者圆柱体K/4H/DK/2时，采用双向压制、非同时双向压制、浮动阴模双向压制或者下拉式压制可以满足压坯密度分布均匀性要求2024/5/26 周日18.2024/5/26 周日19.摩擦芯杆压制上模冲强迫芯杆一起向下移动，且芯杆下移的速度大于粉末下移的速度，因而靠芯杆与粉末之间的摩擦力带动粉末向下移动。(S侧阴-S侧芯)/Smax=1-(下/上)m/=K对于圆筒形压坯的高与壁厚之比：h/T=K(1+D内/T)/2摩擦芯杆压制特别适合于大孔薄壁压坯2024/5/26 周日20.选择原原则(S侧阴阴+S侧芯芯)/SK或者或者圆筒形筒形压坯坯h/TK时，如果，如果(S侧阴阴+S侧芯芯)/2(S侧阴阴-S侧芯芯)，或者，或者圆筒形筒形压坯坯D内内K时，如果，如果(S侧阴阴+S侧芯芯)/2(S侧阴阴-S侧芯芯)，或者，或者圆筒形筒形压坯坯D内内T，可采用摩擦芯杆，可采用摩擦芯杆压制制2024/5/26 周日21.2024/5/26 周日22.2024/5/26 周日23.不等高不等高压坯坯压模的模的设计原理原理影响影响压制制过程中粉末流程中粉末流动方式的因素：方式的因素：粉末的流粉末的流动性性装粉方法装粉方法外摩擦力外摩擦力上下模冲上下模冲设计压坯横截面形状坯横截面形状在在压制的不同制的不同阶段，粉末流段，粉末流动方式也不同方式也不同2024/5/26 周日24.装粉装粉阶段段粉末以散状流粉末以散状流动的方式充填模腔，由于摩擦力的的方式充填模腔，由于摩擦力的影响容易影响容易产生生“拱拱桥”现象。象。采用添加采用添加润滑滑剂、振、振动装粉、装粉、过量装粉和吸入装量装粉和吸入装粉方法可以消除拱粉方法可以消除拱桥现象。象。压制开始制开始阶段段拱拱桥现象被破坏；当象被破坏；当压坯各横截面上的粉末受到坯各横截面上的粉末受到相同程度的相同程度的压缩时，只，只发生柱状流生柱状流动；如果；如果压坯坯各横截面上的粉末受到不同程度的各横截面上的粉末受到不同程度的压缩，先受，先受压缩或者受或者受压缩程度大的截面上的粉末会向其他程度大的截面上的粉末会向其他处发生横向流生横向流动。是否是否发生横向流生横向流动取决于各截面的受取决于各截面的受压缩程度和程度和模冲形状模冲形状2024/5/26 周日25.压制最后制最后阶段段相相邻截面由于高截面由于高压力的作用可能形成滑力的作用可能形成滑动面，面，导致剥落和裂致剥落和裂纹，该现象特象特别容易容易发生在生在压坯的截坯的截面面变化分界化分界处不等高不等高压坯坯压模的模的设计原理原理粉末填装系数相同或相近粉末填装系数相同或相近压坯密度分布的均匀性首先决定于装粉高度坯密度分布的均匀性首先决定于装粉高度粉末填装系数粉末填装系数K=H粉粉/h压=d压/d粉粉，其大小等于，其大小等于压缩比比先受先受压缩或者受或者受压缩程度大的横截面上的粉末填程度大的横截面上的粉末填装系数装系数应比高度小的横截面上大比高度小的横截面上大0.10.52024/5/26 周日26.压制制时压缩比相同或相近比相同或相近保保证各横截面上的粉末受到相同或相近的各横截面上的粉末受到相同或相近的压缩比比各个模冲的移各个模冲的移动距离不同：距离不同：l=(k-1)H粉粉/k组合模冲合模冲设计中，各个模冲在中，各个模冲在压制制过程中程中应该按照按照压缩比相同或相近的要求移比相同或相近的要求移动不同距离不同距离压制速率相同制速率相同为了避免滑了避免滑动面，面，压坯各横截面上粉末的坯各横截面上粉末的压制速率制速率应该相等相等压制速率制速率=(V粉粉-V压)/V粉粉t；即；即单位位时间内粉末被内粉末被压缩减小的体减小的体积与与压制前粉末松装体制前粉末松装体积的比的比2024/5/26 周日27.在在压制不等高制不等高压坯坯时，各个模冲移，各个模冲移动的距离和速度的距离和速度是不同的，但各个模冲的是不同的，但各个模冲的压制速率制速率应该相同相同对于高度不同的于高度不同的A、B横截面，当横截面，当压制速率相同制速率相同时满足以下关系：足以下关系：VA/H粉粉A=VB/H粉粉B，V为压制速度制速度为减少粉末横向流减少粉末横向流动实际常用的常用的压制方法：先制方法：先压缩装粉高度装粉高度较大的粉末，待大的粉末，待压到相同高度到相同高度时再同再同时压缩整个整个压坯；采用非同坯；采用非同时双向双向压制，在粉末的等高制，在粉末的等高端端进行后行后压。特。特别是由于目前通常使用的是由于目前通常使用的压机和机和压模不能模不能够满足各模冲的足各模冲的压制速率相同的要求。制速率相同的要求。压制速率相同和最后制速率相同和最后压制速度相同的制速度相同的设计要求，是要求，是不等高不等高压坯坯压模模设计的重要原的重要原则之一。之一。2024/5/26 周日28.组合模具的合模具的设计原理原理组合模冲合模冲设计与装粉方式的关系与装粉方式的关系第一、二第一、二类压坯：坯：整体模冲整体模冲实现相同的移相同的移动速率和速度；速率和速度；装粉高度装粉高度H粉粉=d压h压/d粉粉第三、四第三、四类压坯：坯：如果一端如果一端带有一个或者多个台有一个或者多个台阶，需要按照，需要按照压坯的坯的不同横截面不同横截面设计组合下模冲；各横截面上的粉末填合下模冲；各横截面上的粉末填装系数相同或者相近，并控制各个模冲不同的移装系数相同或者相近，并控制各个模冲不同的移动距离，用先距离，用先压缩高区粉末再同高区粉末再同时压缩高低区粉末的高低区粉末的方法，使方法，使压坯各横截面上的粉末受到相同的坯各横截面上的粉末受到相同的压缩程程度度。2024/5/26 周日29.2024/5/26 周日30.如果如果压坯中坯中间带内、外台内、外台阶，除不同横截面需要，除不同横截面需要设计组合下模冲外，合下模冲外，还有根据粉末移有根据粉末移动成形法的成形法的要求要求设计组合上模冲。合上模冲。首先将全部粉末装入模腔，使各部的粉末填装系首先将全部粉末装入模腔，使各部的粉末填装系数相同或者相近；数相同或者相近；压制制时，成形主体的下模冲向上推移粉末，或者，成形主体的下模冲向上推移粉末，或者成形台成形台阶的上模冲将粉末和成形台的上模冲将粉末和成形台阶的浮的浮动下模下模冲向下推移，或者利用冲向下推移，或者利用组合上模冲将粉末和合上模冲将粉末和带内内台台阶浮浮动阴模或芯杆向下推移，把台阴模或芯杆向下推移，把台阶部分的粉部分的粉末推到所要求的位置。末推到所要求的位置。2024/5/26 周日31.带斜面的第五斜面的第五类压坯坯当当压坯斜面与垂直方向的坯斜面与垂直方向的夹角超角超过2530，或者，或者具有多个斜面和平面具有多个斜面和平面时，一般按照斜面和平面的分，一般按照斜面和平面的分界界线设计组合下模冲。斜面的装粉高度等于斜面的合下模冲。斜面的装粉高度等于斜面的压坯平均高度乘以粉末填装系数。坯平均高度乘以粉末填装系数。当当压坯斜面与垂直方向的坯斜面与垂直方向的夹角小于角小于2530时，可，可以通以通过阴模或者芯杆来成形斜面，不需要阴模或者芯杆来成形斜面，不需要单独独设置置成形斜面的下模冲。成形斜面的下模冲。当当压坯斜面与垂直方向的坯斜面与垂直方向的夹角超角超过2530，且斜，且斜面很面很长时，应该设计组合模冲来成形斜面部分。合模冲来成形斜面部分。2024/5/26 周日32.带曲面的第五曲面的第五类压坯坯要根据曲面要根据曲面变化分界化分界线设计组合下模冲；装粉高度等合下模冲；装粉高度等于于这部分曲面的部分曲面的压坯平均密度与粉末填装系数之坯平均密度与粉末填装系数之积。粉末移粉末移动成形法分成形法分类：侧向移向移动成形法和成形法和轴向移向移动成成形法形法多台多台阶压坯的坯的组合模冲合模冲设计一般可以按照台一般可以按照台阶分分别设计模冲，以保模冲，以保证各横截面上各横截面上的粉末填装系数和的粉末填装系数和压缩比相同或者相近。当比相同或者相近。当压坯相坯相邻台台阶的高度差的高度差较小小时，可以用一个模冲来，可以用一个模冲来压制制这二个二个台台阶。当相当相连台台阶的高度差不超的高度差不超过压坯坯较高台高台阶高度的高度的25%时，可以采用整体模冲来，可以采用整体模冲来压制。制。2024/5/26 周日33.2024/5/26 周日34.相相邻台台阶的孔隙率差：的孔隙率差：1-2=(d粉粉/dm)(k2-k1)100%，dm为致密材料密度致密材料密度采用整体下模冲采用整体下模冲压制制带台台阶压坯坯时，相，相邻二台二台阶的的压缩比是不同的，二者的孔隙率差与粉末松装比是不同的，二者的孔隙率差与粉末松装时的的相相对密度成正比，与它密度成正比，与它们的的压缩比之差成正比。比之差成正比。铁基制品相基制品相邻台台阶用整体模冲用整体模冲时所允所允许的孔隙度差的孔隙度差铁基制品的孔隙度(%)101115163030相邻台阶允许的孔隙度差(%)12352024/5/26 周日35.例例题：多台：多台阶压坯坯组合模冲合模冲设计铁粉末松装密度：粉末松装密度：d粉粉=2.3g/cm3压坯密度：坯密度：d压=5.85g/cm3，理，理论密度密度d=7.8g/cm3hA=20mm，hB=30mm，hC=32mm，hD=90mm2024/5/26 周日36.压缩比比k=d压/d粉粉2.5HA=khA，HD=khD采用采用组合下模冲合下模冲时，HB1=khB，HC1=khC采用整体下模冲采用整体下模冲时的的实际装粉高度：装粉高度：HB2=(HB1+HC1)/2-(hC-hB)/2HC2=(HB1+HC1)/2+(hC-hB)/2实际压缩比：比：kB=HB2/hB，kC=HC2/hC2024/5/26 周日37.2024/5/26 周日38.斜面斜面压坯的坯的组合模冲合模冲设计斜面斜面压坯的密度差随着斜面坡度角的增加而加大；坯的密度差随着斜面坡度角的增加而加大；粉末的横向流粉末的横向流动也随着斜面坡度角的增加有所增大也随着斜面坡度角的增加有所增大斜面斜面压坯的平均高度坯的平均高度计算：算：斜面的装粉高度：斜面的装粉高度：Hx=kx从斜面短从斜面短边到到x线的距离：的距离：中等密度中等密度(6.37.1g/cm3)的斜面的斜面压坯：坯：b(a-b)时，采用，采用带斜面的整体下模冲斜面的整体下模冲压制；制；b(a-b)时，需要采用，需要采用组合下模冲来合下模冲来压制。制。2024/5/26 周日39.2024/5/26 周日40.2024/5/26 周日41.成形斜面的成形斜面的组合下模冲（二个模冲）的分模合下模冲（二个模冲）的分模线：模冲上模冲上压坯平均高度大的，其坯平均高度大的，其宽度也要大些。度也要大些。采用三个采用三个组合下模冲合下模冲压制斜面制斜面压坯坯时，二个分模，二个分模线的高度分的高度分别为：将每个下模冲所将每个下模冲所对应的的压坯平均高度坯平均高度线延延长与与论理装理装粉粉线相交，相交，则每个下模冲的斜断面均通每个下模冲的斜断面均通过该交点。交点。2024/5/26 周日42.曲面曲面压坯的坯的组合模具合模具设计为了使曲面了使曲面压坯的密度分布比坯的密度分布比较均匀，采用均匀，采用组合上合上模冲是比模冲是比较可取的方法，依靠浮可取的方法，依靠浮动内上模冲将模腔内上模冲将模腔中心的粉末向四周推移，即用粉末中心的粉末向四周推移，即用粉末侧向移向移动法来法来压制凹面制凹面压坯。坯。组合阴模成形法可合阴模成形法可压制外球面、鼓形、双制外球面、鼓形、双锥形、非形、非对称台称台阶等等压坯。其特点是将阴模分坯。其特点是将阴模分为上、下二半。上、下二半。压制制时，用，用辅助上模冲将上半阴模助上模冲将上半阴模压紧。脱模。脱模时，上半阴模与上半阴模与压坯一起脱出。坯一起脱出。该成形法又称成形法又称为Olivette法。法。组合芯球成形法可合芯球成形法可压制内球面制内球面压坯坯2024/5/26 周日43.2024/5/26 周日44.斜斜齿轮压坯的旋坯的旋转压模模设计直直齿齿轮压坯：双向坯：双向压模模斜斜齿齿轮压坯：旋坯：旋转压模，模，压制制时，模冲随着阴模，模冲随着阴模的螺旋形角一面旋的螺旋形角一面旋转、一面下降。、一面下降。压制斜制斜齿齿轮压坯坯时，齿部的粉末不能沿部的粉末不能沿压制方向制方向直直线向下移向下移动，而将沿阴模内斜，而将沿阴模内斜齿槽向下移槽向下移动。同。同时，带齿的上模冲如同螺的上模冲如同螺钉拧进螺母那螺母那样，旋，旋转下下降。降。在在压制和脱模制和脱模过程中，模冲和阴模在上、下相程中，模冲和阴模在上、下相对移移动的同的同时，必，必须有相有相对转动，因此要求模冲和阴模，因此要求模冲和阴模能能够旋旋转，通常安装平面，通常安装平面滚珠珠轴承模座。承模座。2024/5/26 周日45.2024/5/26 周日46.柱塞式压制机成型原理 2024/5/26 周日47.粉末冶金压制压力机（液压）实图：2024/5/26 周日48.压制过程 装粉填充粉粉末封压粉末压制压坯脱模压坯导走2024/5/26 周日49.包括（法兰、反向孔、通孔）压制制过程的程的图示示（轴套套压坯）坯）2024/5/26 周日50.组合阴模、组合芯杆、两个上冲头以及一个下冲头过量装粉和两次脱模压坯从阴模脱出后的状态2024/5/26 周日51.几种常用的自动装粉机构2024/5/26 周日52.上模冲上升，送粉器盖住阴模口带走压坯过量充粉2024/5/26 周日53.下模冲和浮动芯杆退到最低位置装粉充分2024/5/26 周日54.根据计算的装填系数和压缩比，调整浮动芯杆位置浮动芯杆向上调整2024/5/26 周日55.主上模封闭阴模腔入口防止粉末飞溢保证粉末填装量2024/5/26 周日56.辅助上模冲强制阴模与主模冲下移上模冲与阴模无相对位移下模冲从下端压制粉末2024/5/26 周日57.阴模和浮动芯杆到达限制位置，主上模冲压缩粉末压坯下端面充分压制，压实密度得到保证保压一定时间,使得粉末结构弛豫充分,气体导出完全2024/5/26 周日58.上模冲上移，上阴模相对下移，下模冲不动充气充气保证压坯法兰完整2024/5/26 周日59.保持保持压力力下模冲向上顶压坯，浮动芯杆上移上阴模早已脱离，保证了法兰顺利脱模2024/5/26 周日60.压坯被脱模后，上阴模上行，浮动芯杆下移回位充气充气脱模完毕，开始下一工作周期2024/5/26 周日61.1.填充粉末要充分，考填充粉末要充分，考虑填装系数填装系数、压缩比，尽比，尽量减少填充粉末的量减少填充粉末的损失。失。小小结：2.压制制时要考要考虑压坯的坯的压制密度的分布，并制密度的分布，并预留留必要的保必要的保压时间，预防防压坯脱模后反坯脱模后反弹过大。大。3.采用适宜的脱模方式，使得采用适宜的脱模方式，使得压坯外形完整坯外形完整2024/5/26 周日62.