资源描述
粉末冶金模具设计
——课程设计
指导老师：
姓 名：王XX
班 级：
学 号：
12月25日
目录
一、 引言
二、 设计任务书
三、 工艺步骤设计
四、 压坯设计
1、 产品零件分析
2、 压坯形状设计
3、 压坯尺寸计算
4、 压坯精度设计
5、 压坯密度和单重确实定
五、 压制方法和压机选择
1、 压制压力及脱模压力计算
2、 压制方法选择
3、 压机选择
4、 压模设计
六、 模具零件设计
1、 零件尺寸计算
2、 压模零件材料选择
七、 附图
一、引言
材料是中国四大产业之一，它包含有机高分子材料、复合材料、金属材料及无机非金属材料。粉末冶金技术作为金属材料制造一个，以其不可替换独特优势和其它制造方法共同发展。粉末冶金相对其它冶金技术来说含有：成本低；加工余量少；原料利用率高；能生产多孔材料等其它方法不能生产或着极难生产材料等优势。
粉末冶金是采取金属粉末和将金属粉末或金属粉末和非金属粉末混合料成型和烧结来制取粉末冶金材料或粉末冶金制品技术。粉体成形是粉体材料制备工艺基础工序。模具是实现粉体材料成形关键工艺装备。模具设计要尽可能靠近产品形状，机构设计合理表面光滑，降低应力集中，避免压坯分层、开裂。模具本身要有一定强度确保压制次数，不易变形。
粉体模压成形模具关键零件包含：阴模、芯杆、模冲。模具设计首先要厂家提供产品图，再确定成型方法，搜集压坯设计基础参数（包含：松装密度、压坯密度、粉体流动性、及烧结收缩系数等。）来算得压坯尺寸。依据压坯形状尺寸和服役条件和要求来设计出成型模具尺寸，校核模具强度。最终在用模具试压，若压坯合格，则此模具符合要求。
此次课程设计之前，我们已经学习了《热处理原理和工艺》、《粉体材料成形设备和模具设计》、《粉末冶金原理》、《硬质合金》等相关课程知识。
这次在老师指导下，和同学相互讨论，自己查阅资料，基础上知道了模具设计步骤和方法。相信经过这次设计后，对以后工作会有很大帮助。
三、工艺步骤设计
本产品为Fe基零件，粉末冶金铁基结构件生产大致工艺步骤以下：
合格混料
制粉（还原法制取铁粉，电解法制取铜粉）
混合（铁粉+炭粉+铜粉+硬脂酸锌）
后续处理
质检
合格产品
压制
烧结
1、制粉
采取还原法制取多孔海绵状铁粉，采取电解法制取树枝状铜粉，其成形性很好。
2、混料
以铁粉为关键原料，添加石墨炭、铜粉及其它少许合金元素（比如Mn、V等，依据不一样使用性能添加不一样种类和含量合金元素）。这里，原料配比为 Fe-(1.5~2)Cu-(0.6~0.7)C（质量分数%），再加入适量硬脂酸锌充当成形剂，然后进行混料均匀。
3、成形
混料均匀后，依据产品质量算出粉末单重，装粉压制。铁基材料压制压力通常在400~700MPa，依据产品尺寸，依据下文计算这里选择压制压力600MPa。
4、烧结
将压制压坯放置在采取还原性气氛钼丝炉中进行烧结，经过缓慢加热、保温、冷却三个阶段，该铁基制品采取1120℃烧结温度。因为高温下不一样种类原子相互扩散，粉末表面氧化物被还原和变形粉末再结晶，使粉末颗粒相互结合，提升了粉末冶金制品强度，并取得和通常合金相同组织。经烧结后制件中，仍然存在部分微小孔隙，属于经典粉末冶金产品。
5、后续处理
通常烧结好压坯能够达成所需性能，可直接使用。但有时还需进行必需后处理。如精整处理，可提升制件密度和尺寸形状精度；对铁基粉末冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达成润滑或耐蚀目标而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗透制件孔隙中去熔渗处理，可提升制件强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。
四、压坯设计
所谓压坯设计，就是确定所要压制成型压坯几何尺寸和形状、尺寸精度和形状位置精度、压坯密度等。
1、产品零件分析
本产品为Fe-0.6C铁基材料，压坯密度为6.5g/cm3，原料粉末松装密度为2.5g/cm3，年产量为40万件。压坯压缩比为K=6.5/2.5=2.6 。
2、压坯形状设计
产品形状及尺寸见模具设计任务书所表示，压坯形状和零件形状基础相同。可知该零件为等截面零件，在圆环柱上挖去四个对称分布Φ10圆柱。
3、压坯尺寸计算
由《粉体材料成形设备和模具设计》P161查得，压坯密度为6.5 g/cm3铁基制品轴向弹性后效t1=1.2%，轴向烧结收缩率s1=2.0%，径向弹性后效t2=0.25%，径向烧结收缩率s2=0.8%。所以压坯尺寸：
压坯高度：h=15×（1-t1+s1）=15×1-0.012+0.02=15.12mm
压坯外径：D=120×1-t2+s2=120×1-0.0025+0.008= 120.66mm
压坯内径：d=40×（1+t2-s2）=40×（1+0.0025-0.008）= 39.78mm
此计算忽略四个挖空∅10圆柱。
4、压坯精度设计
采取模压成型、烧结方法生产产品零件精度，不仅和压坯精度相关，而且和粉末类型（还原粉、雾化粉、电解粉、羟基粉）、化学成份、杂质种类及其含量、粉末颗粒形状、粉末粒度和粒度组成、压坯密度均匀性、烧结工艺条件（温度、时间、气氛）、后续加工处理等很多原因相关。所以，压坯密度设计既要考虑产品零件精度要求，又要考虑粉体材料模压成形烧结工艺方法特点和所能达成精度水平。
压坯径向尺寸精度和表面粗糙度通常比轴向尺寸精度和表面粗糙度高，且比较轻易取得较高精度等级。因为零件精密结构连接件，故对其表面精度要求较高，整形后公差应降到IT8等级。
5、压坯密度和单重确实定
已知压坯密度为：6.5g/cm3，由压坯尺寸计算结果算出压坯体积：
V=πD2-d2-400h4000=149.35cm3
则压坯单重为：m=6.5×149.35=970.78g
因为压制过程中模具间隙也会引发少许粉末损失，压坯单重应比理论计算大部分，应乘以大于1系数K，K值通常大小为1.05左右。故，压坯单重为：
W坯=970.78×1.05=1019.32g，取整后为1019g。
五、压制方法和压机选择
1、压制压力及脱模压力计算
设计P=600MPa，压坯横截面积为：
S=πD2-d2-400÷4=9877.47mm2
F=SP=9877.47×10-6×600×106=5926482N
换算为工程单位为592.6t，又因为制品压制压力应该为压机额定压力60%-85%，则压机压力范围为：697.2t—986.7t。
零件脱模压力可由经验公式选择：
P脱=0.13P=0.13×600＝78 Mpa
2、压制方法选择
该产品为多个内孔形状，性能要求高，而侧面积较大，因摩擦力而损失压制压力较大，故采取浮动阴模非同时双向压制方法。
3、压机选择
产品年产量为40万件，假设每十二个月工作300天，天天工作8小时，则
400000÷(300×8×60)=2.8件/分钟，取3件/分钟。
因为其尺寸较大、形状比较简单、批量大、生产效率比较高，则选择自动化程度较高液压式自动压机。
已经求得压机压力范围为：697.2t—986.7t，故选择Dorst生产TPA-H系列800H全自动液压机,即公称压制压力为800t新一代液压机。
4、压模设计
产品为等高截面，故采取“上一下一”A型模架。脱模方法选择引下式脱模，利用产品弹性后效可使芯杆从定位孔中拖出，实现全自动脱模。
压机动作描述：采取辅助油（气）缸驱动料靴进行自动装粉。在料靴抵达阴模模口前，料靴前端橡皮头先将压坯推开，然后料靴盖到阴模模口上，下缸经过拉杆使阴模板和阴模上升回程，进行吸入式自动装粉。当阴模板和阴模回到装粉高度位置时，下缸停止上升，装粉完成，料靴回程。压制时，上缸驱动上模板向下运动，上模冲进入阴模压缩粉末。当粉末对阴模模壁摩擦力超出下缸浮力时，装在芯杆板上芯杆和阴模板上阴模便向下浮动，进行双向压制。压制到位后，上模冲回程，下缸将阴模和芯杆一同拉下，进行引下式脱模，压坯脱模完成后便进入下一回合压制动作。
六、模具零件设计
1、 零件尺寸计算
1） 阴模高度计算
阴模高度应依据整个压坯高度进行计算。假设下模冲定位高度为15mm，因为是自动压机，则上模冲压缩粉末前伸进阴模深度为0mm，粉末松装密度为2.5g/cm3，压坯密度为6.5g/cm3，则压缩比为k=6.5/2.5=2.6。
由《粉体材料成形设备和模具设计》P161查得，压坯密度为6.5 g/cm3铁基制品轴向弹性后效t1=1.2%，轴向烧结收缩率s1=2.0%，径向弹性后效t2=0.25%，径向烧结收缩率s2=0.8%。两端各留0.1mm机加工余量，模具零件机加工尺寸公差0.02mm，本产品精度要求不高且为多孔柱状，故不需精整。 所以压坯尺寸：
压坯高度：H坯=15×1-t1+s1+△J=15×1-0.012+0.02+ 2×0.1=15.32mm
总装粉高度：H粉=2.6×15.32=39.83mm，取为40mm
阴模总高H阴=40+15+0=55mm
2） 上模冲高度计算
采取落入式装粉，阴模板和芯棒板向下运动，所以上模冲取值只要可压到粉末即可。上模冲主体高度拟取H上=70mm，外形根据压坯试样设计。
3） 下模冲高度计算
采取引下式脱模，下模冲也作脱模杆用。所以，它高度关键是从脱模需要来考虑。为了能将压坯从阴模内脱出，下模冲高度应大于阴模高度55mm，考虑到安装固定等原因，取H下=80mm。
4） 芯杆长度计算
依据压机结构可知，芯杆工作段长度应略大于阴模高度55mm，则工作段长度取70mm，考虑模架结构和便于连接，取120mm。
5） 阴模内径计算
阴模内径：D阴模内=120×1-t2+s2=120×1-0.0025+0.008=120.66mm ，取∅120.660+0.02
6） 芯杆外径计算
D芯杆=40×（1+t2-s2）=40×（1+0.0025-0.008）=39.78mm， 取∅39.78-0.020
另外，还需要取4根∅10芯杆。
7） 上下模冲内、外径
取0.01滑配间隙，故上下模冲外径
依据基孔制可得，∅120.66-0.03-0.01
上下模冲内径，依据基轴制可得，∅39.78+0.01+0.03
8） 阴模外径及中径计算
产品理论密度为：d理=10099.47.87+0.63.51=7.8g/cm3
压坯密度为6.5g/cm3，相对密度ρ=6.5/7.8≈0.83，单位压制压力取6t/cm2=60kgf/mm2，测压系数ξ0取0.38，则侧压力：
P侧=ξ0ρp=0.38×0.83×60=18.92（kgf/mm2）
阴模材料选择GCr15，其中σb≈100 kgf/mm2，nb取2.7，许用应力
[n]内=100÷2.7≈37（kgf/mm2）
模套材料选择45钢，其中σs≥45 kgf/mm2（调质态），ns取1.5，许用应力
[n]外=45÷1.5=30（kgf/mm2）
φ=[n]外[n]内=3037≈0.8
η=[n]内P侧=3718.92≈1.96
两种材料弹性模量E泊松比相近，取E=2.1×104kgf/mm2，ν=0.3
按等强度设计公式确定组合筒外径，中径
m≥1+0.8×1.96+1+0.82×1.962+4×0.8×1.961+2×0.8×1.96-1≈1.68
取m=1.8
D外=mD内=1.8×120.66≈217.2（mm）
取D外=218mm
D中=mD内=1.8×120.66≈161.9（mm）
取D中=162mm
选择过盈配合H7/p6，阴模外径取∅162+0.043+0.068mm，模套内径取 ∅1620+0.04mm
2、压模零件材料选择
芯杆材料选择GCr15， 热处理硬度HRC60~63，
上模冲材料选择T10A， 热处理硬度HRC56~60，
下模冲材料选择5CrNiMo， 热处理硬度HRC58~60，
阴模材料选择GCr15， 热处理硬度HRC60~65，
装粉座45钢， 上下模板4钢，
模套材料选择45Cr。
1）阴模技术要求
①阴模高度应能容纳所需松散粉末，并使上、下模冲有良好定位和导向；
②能确保压坯外形几何形状和尺寸精度；
③工作面粗糙度Ra≤0.8um；
④工作表面要有高硬度和良好耐磨性；；
⑤在工作压力下应含有足够强度和刚性；
⑥依据产品批量和复杂程度，选择适宜阴模材料；
⑦结构上应便于制造和维修，使用安全，操作方便；
⑧能使压坯完好脱出；
⑨平磨后需退磁。
2）芯杆技术要求
①确保压坯内腔几何形状和尺寸精度；
②工作面粗糙度Ra≤0.8um；
③和上下模冲应有良好配合、定位和导向；
④工作段应有高硬度；
⑤平磨后需退磁。
3）模冲技术要求
①工作表面要有足够高硬度和良好耐磨性，材料选择和处理应考虑有合适韧性；
②上、下模冲对阴模和芯棒应有良好配合、定位和导向，并有合理配合间隙，复合模冲（即有压套时）应能脱出压坯
③上下模冲工作面和配合面粗糙度Ra≤0.8um，非工作段外径可合适缩小，内径可合适放大，降低精加工量和阴模、芯棒之间摩擦
④相关部位应能确保垂直度、平行度和同轴度等技术要求
⑤平磨后需退磁
生产关键设备：车床、铣床、磨床、钻床、线切割、电火花等。
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