制備鐵基粉末冶金異形定位模具設計范文

本站小編為你精心準備了制備鐵基粉末冶金異形定位模具設計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:本文根據鐵基粉末冶金成型工藝特點和客戶對產品性能要求，通過分析異形定位塊的制備工藝、零件結構、模具結構與尺寸、模具強度與剛度、壓制方式等方面對成型模具進行了優化設計。利用NX軟件對模具工作過程進行了仿真，驗證了設計合理性，為后期模具制造和應用提供技術支持。

關鍵詞:粉末冶金;模具設計;壓制;仿真

引言

粉末冶金技術具備節省材料、無污染、精度高等特點，能夠實現零件的近凈成形，廣泛應用于汽車、建筑、航空、通信等行業中產品的成型與制造，在材料和特殊零部件加工過程中具有重要地位和作用，始終是材料及相關工業發展的前沿科技領域［1－4］。作為價格低廉、產品力學性能穩定、應用最為廣泛的鐵基粉末冶金制件，隨著工藝的發展和科技手段的進步，具備低成本、高密度、高性能的金屬基復合材料發展迅猛，促進了粉末冶金行業的應用［5－7］。模具作為實現從粉末到零件的載體，直接影響著制件尺寸精度和后期使用性能，尤其是異形復雜、幾何尺寸精度要求高的零件，模具結構與設計至關重要［8－9］。本文將結合企業相關產品參數與性能要求，從模具材料、設計、加工制造、熱處理、安裝調試、零件制備等階段，詳細介紹一種基于鐵基粉末冶金材料定位塊的模具設計過程，為后期模具制造、產品生產和合理應用提供技術支持。

1零件結構

如圖1所示，為該異形定位塊結構圖。根據客戶需求，該零件硬度、耐磨性抗疲勞性能要求較高。結合課題組前期研究成果和零件使用工況，零件選用Fe－Cu－C系列材料，材料成分見表1。通過合理設計合金元素比例和燒結工藝，提高產品耐磨性，延長固定件使用壽命。具體技術要求固定件表面無毛刺、空洞、裂紋等缺陷。

2模具結構設計

模具的主要零件是指陰模、芯棒和上、下模沖(包括模套、導柱、導套、上、下模板、陰模外套等)，其主要計算包括徑向尺寸和向尺寸計算，其他尺寸可根據標準模架選取。

2．1模具徑向尺寸的計算［10］該零件為不精整的制品，在進行徑向尺寸計算時，可直接計算成形模尺寸。(1)陰模內徑不精整制品的成形模具陰模內徑計算公式［1］:Dm=Dcp(1+c－e)(1)式中:Dcp為制品內徑平均尺寸;c為燒結收縮率(%);e為壓坯壓制回彈率(%)。由于本文所設計的模具制備試樣為Fe－Cu－C系材料，結合文獻［10］，選擇c和e分別為0．05%和0．3%，所以計算陰模內徑為:Dm1=Dcp(1+c－e)=36(1+0．0005－0．003)=35．91mmDm2=Dcp(1+c－e)=18(1+0．0005－0．003)=17．955mm(2)芯棒外徑不精整制品的成形模具芯棒外徑計算公式:dm=dcp(1+c－e)(2)式中:dcp為制品外徑平均尺寸;c為燒結收縮率(%);e為壓坯壓制回彈率(%)。由公式(2)計算得芯棒外徑:dm1=dcp(1+c－e)=24．2(1+0．0005－0．003)=24．1395mmdm2=dcp((1+c－e)=8．5(1+0．0005－0．003)=8．4788mm(3)孔心距不精整制品的成形模具孔心距的計算公式［10］:m=cp(1+c－e)(3)即，m1=cp(1+c－e)=50(1+0．0005－0．003)=49．875mm式中:cp為制品中心距平均尺寸。

2．2模具軸向尺寸的計算軸向尺寸計算的主要部分是裝粉高度，其它高度方向的尺寸，往往由結構上的需要(如定位、脫模、裝粉、連接和強度等)選定，從而確定陰模、芯棒和上、下模沖的軸向尺寸。(1)裝粉高度裝粉高度可由裝粉體積算出，而裝粉體積取決于壓縮比(壓坯密度與粉末松裝密度之比)和壓坯體積。裝粉高度(無臺階面壓坯)計算公式如下：式中:H0為裝粉高度;H為壓坯高度;ρ0為粉末松裝密度;ρ為壓坯密度;C為壓縮比;V0為裝粉體積;V為壓坯體積。(2)模具高度計算①陰模陰模高度Hf一般由三部分高度組成，即Hf=H0+H1+H2(6)式中:Hf為陰模高度(mm);H0為裝粉高度(mm);H1為下模沖定位高度(mm)，一般為10～50mm;H2為手動模裝粉錐高度(mm)，不需要此錐時H2=0。由上述計算公式Hf=H0+H1+H2=28．286+20+12=60．286mm，從而陰模的高度為60mm。②芯棒該模具采用機動模，其芯棒上端面應與陰模上端面平齊或略低，且芯棒成形面的長度應與陰模高度相等［11］。③模沖上、下模沖的徑向尺寸與陰模相同，滿足配合要求④上、下模沖軸向尺寸在計算上、下模沖軸向尺寸時，要考慮模具工作時足夠的壓縮和脫模行程，具備適宜的定位高度和連接所需高度。因此在設計時，根據具體結構確定模沖高度。一般來講下模沖高度滿足下列公式:h=Hf+(25～30)(7)2．3強度和剛度計算在模具工作過程中，相關零部件受到強大的側向應力，如果強度和剛度達不到工作要求，會導致陰?；蚰Ｌ鬃冃?，甚至斷裂，故有必要對強度和剛度進行校核。其中，陰模承受側向壓強，即:p側=ε0θp(8)式中:p側為側壓強;ε0為壓件材料致密狀態下的側壓系數(鐵為0．38，銅為0．54;p為壓制時的單位壓力，MPa。(1)強度徑向應力:式中:R為陰模外半徑;r為陰模內半徑;ri為r到R之間的任意半徑。(2)剛度在彈性范圍內，由廣義虎克定律，得:根據上述公式和表2及其零件的實際工作環境單位壓制力取500MPa，計算得p側=0．50×1×500=250MPa;同時結合模具使用工況以及開發成本，選取模具材料為Cr12MoV，按GB/T3077－1999查得許用壓應力［σc］=σbn(n=2～5)=1．0～1．6×103Mpa，(σb為脆性材料強度極限，n為安全系數)，?。郐襝］=1．2×103MPa［12］。綜上所述，考慮模具的工作環境和安全生產因素，外加制品的后期精整，設計陰模外徑R=48mm。

3壓制力與脫模力的確定

壓制力和脫模力直接影響粉末成形后材料的精度、綜合力學性能以及模具結構方案的確定。(1)壓制壓力根據壓制力的計算公式［13］:式中:p為單位壓制壓力(MPa);S為壓坯受壓的橫截面積(cm2);γ為壓坯密度(g/cm3);為取決于粉末種類的常數;b為當壓制壓力為100MPa時的壓坯密度值。根據粉末冶金實際生產經驗，鐵基材料的單位壓制壓力為400～700MPa［14］。由公式(16)和(17)計算得壓制力F=pS=500×11．198cm2=560kN。(2)脫模壓力壓坯從模具中容易脫出，脫模壓力必須大于模具壁摩擦阻力，因此頂出壓坯所必需的脫模壓力P脫的計算公式為［15］:P脫=f'p側余S側(18)p側余=jp側=jεp=jε0θp(19)式中:f'為粉末對陰模壁的靜摩擦系數，取值0．17～0．19［10］;p側余為殘余側壓強(MPa);S側為坯料與陰模壁接觸的側向面積(cm2);j為剩余側壓強與側壓強之比;ε為側壓系數;θ為坯料相對密度。若陰模為鋼模，彈性模量E陰=2×105MPa，泊松比ν陰=0．3，鐵基壓坯密度為6．6g/cm3，E壓坯=1．2×105MPa，ν壓坯=0．22時，j與m的關系見表3。由此計算得:p側余=0．22p=0．22×500=110MPap脫=0．18×110×19．5722=38．75kN(3)壓坯高度校核壓坯的最大高度尺寸受到模具最大裝粉高度(與壓力機選取有關)的限制。模具的裝粉高度主要受到原料粉末的類別、配比、混料方式及裝粉的方法等因素的影響［16］。壓坯高度的驗算公式為［10］：式中:ρ0為粉末松裝密度;ρ為壓坯密度;H為壓坯高度;Fmax為成形壓力機最大粉末填充高度。由公式(20)和式(21)得ρ0=2．0g/cm3，ρ=6．6g/cm3，Fmax=65mm，計算得Hmax=16．67mm，即壓坯的高度H=12mm＜Hmax16．67mm。(4)壓制方式粉末冶金壓制方式的不同(主要為單向和雙向壓制)，其上、下模沖與陰模和芯棒對粉體的相對運動速度亦不同，因此壓制方式影響著坯料密度分布、組織均勻性［17－18］。對于密度范圍在6．0～6．8g/cm3的柱狀壓坯或帶孔柱狀壓坯，其最大側正面積之比Kmax與H/D(高與直徑之比)、H/T(高與壁厚之比)關系的參考值見表4。對比表4中的數據，當壓坯的形狀相同時，采用單向壓制比采用雙向壓制時的側正面積Kmax小，即壓制力損耗小、表面質量較高。因此，在滿足制件性能要求前提下，綜合考慮模具設計時陰模的強度、剛度模具的使用壽命等因素，將采用單向壓制方式。

4模具結構

圖2為該零件的粉末冶金模具示意圖，其基本工作原理分為壓制前準備、壓制階段和脫模階段三大步。壓制前在各活動部件間均勻涂抹潤滑油，之后進行裝粉(人工裝粉)，裝粉前需保證粉末混料的均勻，完畢后進行下一步壓制。在壓制階段，上模沖6在壓力機作用下向下運動，粉末在陰模14中受壓成形，直至上模沖肩部與上模座板5接觸停止施加壓力，上模沖6上移復位，完成壓制過程。經過保壓后進行脫模工序，頂桿17在液壓機作用下向上運動，同時作用于推板7，通過導柱、導套的導向作用推動推桿9和推件板13，將壓坯16從陰模14中推出，完成脫模過程，取出壓坯后對其進行燒結等后續處理。脫模完成后液壓機帶動頂桿17歸位，利用工具將推件板13向下推動，直到推件板13回到裝粉前的位置，完成復位，為下一次生產做準備。為驗證該模具結構合計合理性，本文采用UG軟件對其進行裝配和運動過程分析校核，如圖3所示?？梢钥闯?，壓制與脫模動作合理可靠，符合設計預計目標。圖3模具運動過程簡圖

5結語

通過分析異形定位塊零件結構、粉末冶金模具結構，同時對其進行強度與剛度校核、對比壓制方式，合理設計出一套壓制模具，并得到以下成果和結論:(1)在本課題組前期研究成果確定粉末冶金元素配比、燒制工藝前提下，通過分析模具壓制力、脫模力、壓坯高度和壓制方式，為實際壓制過程提出了參考數據，具有一定參考價值。(2)針對某一簡單零部件，結合企業實際產值，給出了完整、詳細、合理的粉末冶金模具設計、計算和工作過程，并通過UG軟件進行裝配校核，驗證了其結構合理性，為同類產品的設計過程提供了思路。

參考文獻:

［1］黃伯云，易健宏．現代粉末冶金材料和技術發展現狀(一)［J］．上海金屬，2007(3):1－7．

［2］韓鳳麟．2014年全球粉末冶金產業發展概況［J］．粉末冶金工業，2014，24(6):1－5．

［3］馬國俊，丁雨田，金培鵬，等．粉末冶金法制備鋁基復合材料的研究［J］．材料導報，2013，27(15):149－154．

［4］劉彥強，樊建中，桑吉梅，石力開．粉末冶金法制備金屬基復合材料的研究及應用［J］．材料導報，2010，24(23):18－23．

［5］張雙益，肖志瑜．SiC顆粒增強鐵基粉末冶金復合材料的研究［J］．華南理工大學學報(自然科學版)，1999，27(5):105－109．

［7］方京華．粉末冶金鐵基高溫合金致密化研究［D］．長沙:中南大學，2008．

［8］徐永剛，王吉忠，楊振．發動機同步帶輪粉末冶金成形模具設計［J］．中國粉體技術，2015，21(2):93－97．

［9］褚東寧，陳永升．我國粉末冶金模具用鋼的現狀和發展［J］．粉末冶金工業，2001(1):32－35．

［10］印紅羽，張華誠主編粉末冶金模具設計手冊［M］．第二版．北京:機械工業出版社，2002．1

［11］吳榮偉．金屬粉末單向壓制壓模［J］．粉末冶金技術，1986(4):41－42．

［12］王權，彭建財，陳德平，等．壓制壓力對合金產品的影響［J］．工具技術，2015，49(6):47－50．

［13］GB/T3077－1999．合金鋼結構［S］．北京:中國標準出版社，1999

［14］葉途明．粉末冶金材料的溫壓行為及其致密化機理研究［D］．長沙:中南大學，2007．

［15］賓兵．基于Unigraphics的汽車關鍵零配件模具CAD系統的開發［D］．南寧:廣西大學，2004．

［16］張六玲．罐形磁芯干壓成型模的設計與制造［J］．模具工業，2000(10):36－38．

［17］郭彪，葛昌純，顏永年，等．壓制工藝及壓坯高徑比對金屬粉末致密化成形影響的模擬［J］．熱加工工藝，2012，41(18):64－68．

［18］王德廣，吳玉程，焦明華，等．不同壓制工藝對粉末冶金制品性能影響的有限元模擬［J］．機械工程學報，2008，44(1):205－211．

作者：劉博 羅海玉 盧振華 馬虎林 胡煒煒 黃志鴻 單位：天水師范學院