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1、2023/7/31,1,粉末冶金原理及模具材料科学与工程学院,2023/7/31,2,3.1 压制过程和精整过程中力的计算 3.2 压坯密度分布与压制方式的关系 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 压坯：相对均匀的压实密度形状完整，具有一定强度,3.5 压制过程的图示,2023/7/31,3,压制压力的计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计算压制压力去掉后，侧压力因为高度方向的弹
2、性后效，侧压力会下降3577%,2023/7/31,4,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=j0P,2023/7/31,5,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=0.200.22P,2023/7
3、/31,6,精整压力的计算外箍内的精整：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,2023/7/31,7,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、
4、组织和孔隙率密切关连,2023/7/31,8,压坯密度分布与压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,2023/7/31,9,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,2023/7/31,10,d粉粉末松装密度；d1第一次压制后压坯平均密度；第一次压制后：d粉H粉=d1h1x=h1-hd粉H粉=d1(h+x)x=(d粉H粉-
5、d1h)/d1第二次压制后：d粉H粉=dhd粉=d h/H粉x=(d-d1)h/d1;k=H粉/h=(l+h)/hx=(d-d1)l/d1(k-1);y=x/l 100%,2023/7/31,11,压力相等时双向压制与非同时双向压制的效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。,2023/7/31,12,非同时双向压制原理为压模结构设计提供了压坯密度均匀分布的理论基础；也为粉末压机的设计提供了重要
6、基础，使得多凸轮和凸轮曲柄粉末压机更好地满足粉末压坯密度均匀分布的要求。,2023/7/31,13,摩擦压制在压制过程中，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。,2023/7/31,14,2023/7/31,15,2023/7/31,16,压制方式的选择依据压制方式和方法不同，上、下模冲、芯杆和阴模相对于粉末压坯的相对运动方向及速度也不同，从而使外摩擦对压坯密度的均匀分布产生有害或者有利的影响。单向压制S侧max/S=1-(下/上)m/=K当柱状压坯S侧/SK或者圆柱体压坯高径
7、比H/DK/4时，采用单向压制可以满足压坯密度分布均匀性的要求,2023/7/31,17,2023/7/31,18,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,2023/7/31,19,2023/7/31,20,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
8、摩擦芯杆压制特别适合于大孔薄壁压坯,2023/7/31,21,选择原则(S侧阴+S侧芯)/SK时，如果(S侧阴+S侧芯)/2K时，如果(S侧阴+S侧芯)/2(S侧阴-S侧芯)，或者圆筒形压坯D内T，可采用摩擦芯杆压制,2023/7/31,22,2023/7/31,23,2023/7/31,24,不等高压坯压模的设计原理影响压制过程中粉末流动方式的因素：粉末的流动性装粉方法外摩擦力上下模冲设计压坯横截面形状在压制的不同阶段，粉末流动方式也不同,2023/7/31,25,装粉阶段粉末以散状流动的方式充填模腔，由于摩擦力的影响容易产生“拱桥”现象。采用添加润滑剂、振动装粉、过量装粉和吸入装粉方法可以
9、消除拱桥现象。压制开始阶段拱桥现象被破坏；当压坯各横截面上的粉末受到相同程度的压缩时，只发生柱状流动；如果压坯各横截面上的粉末受到不同程度的压缩，先受压缩或者受压缩程度大的截面上的粉末会向其他处发生横向流动。是否发生横向流动取决于各截面的受压缩程度和模冲形状,2023/7/31,26,压制最后阶段相邻截面由于高压力的作用可能形成滑动面，导致剥落和裂纹，该现象特别容易发生在压坯的截面变化分界处不等高压坯压模的设计原理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粉末填装系数K=H粉/h压=d压/d粉，其大小等于压缩比先受压缩或者受压缩程度大的横截面上的粉末填装系数应比高度小的横截面
10、上大0.10.5,2023/7/31,27,压制时压缩比相同或相近保证各横截面上的粉末受到相同或相近的压缩比各个模冲的移动距离不同：l=(k-1)H粉/k组合模冲设计中，各个模冲在压制过程中应该按照压缩比相同或相近的要求移动不同距离压制速率相同为了避免滑动面，压坯各横截面上粉末的压制速率应该相等压制速率=(V粉-V压)/V粉t；即单位时间内粉末被压缩减小的体积与压制前粉末松装体积的比,2023/7/31,28,在压制不等高压坯时，各个模冲移动的距离和速度是不同的，但各个模冲的压制速率应该相同对于高度不同的A、B横截面，当压制速率相同时满足以下关系：VA/H粉A=VB/H粉B，V为压制速度为减少
11、粉末横向流动实际常用的压制方法：先压缩装粉高度较大的粉末，待压到相同高度时再同时压缩整个压坯；采用非同时双向压制，在粉末的等高端进行后压。特别是由于目前通常使用的压机和压模不能够满足各模冲的压制速率相同的要求。压制速率相同和最后压制速度相同的设计要求，是不等高压坯压模设计的重要原则之一。,2023/7/31,29,组合模具的设计原理组合模冲设计与装粉方式的关系第一、二类压坯：整体模冲实现相同的移动速率和速度；装粉高度H粉=d压h压/d粉第三、四类压坯：如果一端带有一个或者多个台阶，需要按照压坯的不同横截面设计组合下模冲；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动距离，用先压
12、缩高区粉末再同时压缩高低区粉末的方法，使压坯各横截面上的粉末受到相同的压缩程度。,2023/7/31,30,2023/7/31,31,如果压坯中间带内、外台阶，除不同横截面需要设计组合下模冲外，还有根据粉末移动成形法的要求设计组合上模冲。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；压制时，成形主体的下模冲向上推移粉末，或者成形台阶的上模冲将粉末和成形台阶的浮动下模冲向下推移，或者利用组合上模冲将粉末和带内台阶浮动阴模或芯杆向下推移，把台阶部分的粉末推到所要求的位置。,2023/7/31,32,带斜面的第五类压坯当压坯斜面与垂直方向的夹角超过2530，或者具有多个斜面和平面时，一般
13、按照斜面和平面的分界线设计组合下模冲。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。当压坯斜面与垂直方向的夹角小于2530时，可以通过阴模或者芯杆来成形斜面，不需要单独设置成形斜面的下模冲。当压坯斜面与垂直方向的夹角超过2530，且斜面很长时，应该设计组合模冲来成形斜面部分。,2023/7/31,33,带曲面的第五类压坯要根据曲面变化分界线设计组合下模冲；装粉高度等于这部分曲面的压坯平均密度与粉末填装系数之积。粉末移动成形法分类：侧向移动成形法和轴向移动成形法多台阶压坯的组合模冲设计一般可以按照台阶分别设计模冲，以保证各横截面上的粉末填装系数和压缩比相同或者相近。当压坯相邻台阶的高度差
14、较小时，可以用一个模冲来压制这二个台阶。当相连台阶的高度差不超过压坯较高台阶高度的25%时，可以采用整体模冲来压制。,2023/7/31,34,2023/7/31,35,相邻台阶的孔隙率差：1-2=(d粉/dm)(k2-k1)100%，dm为致密材料密度采用整体下模冲压制带台阶压坯时，相邻二台阶的压缩比是不同的，二者的孔隙率差与粉末松装时的相对密度成正比，与它们的压缩比之差成正比。铁基制品相邻台阶用整体模冲时所允许的孔隙度差,2023/7/31,36,例题：多台阶压坯组合模冲设计铁粉末松装密度：d粉=2.3g/cm3压坯密度：d压=5.85g/cm3，理论密度d=7.8g/cm3hA=20mm
15、，hB=30mm，hC=32mm，hD=90mm,2023/7/31,37,压缩比k=d压/d粉2.5HA=khA，HD=khD采用组合下模冲时，HB1=khB，HC1=khC采用整体下模冲时的实际装粉高度：HB2=(HB1+HC1)/2-(hC-hB)/2HC2=(HB1+HC1)/2+(hC-hB)/2实际压缩比：kB=HB2/hB，kC=HC2/hC,2023/7/31,38,2023/7/31,39,斜面压坯的组合模冲设计斜面压坯的密度差随着斜面坡度角的增加而加大；粉末的横向流动也随着斜面坡度角的增加有所增大斜面压坯的平均高度计算：,斜面的装粉高度：Hx=kx从斜面短边到x线的距离：中
16、等密度(6.37.1g/cm3)的斜面压坯：b(a-b)时，采用带斜面的整体下模冲压制；b(a-b)时，需要采用组合下模冲来压制。,2023/7/31,40,2023/7/31,41,2023/7/31,42,成形斜面的组合下模冲（二个模冲）的分模线：模冲上压坯平均高度大的，其宽度也要大些。采用三个组合下模冲压制斜面压坯时，二个分模线的高度分别为：,将每个下模冲所对应的压坯平均高度线延长与论理装粉线相交，则每个下模冲的斜断面均通过该交点。,2023/7/31,43,曲面压坯的组合模具设计为了使曲面压坯的密度分布比较均匀，采用组合上模冲是比较可取的方法，依靠浮动内上模冲将模腔中心的粉末向四周推移
17、，即用粉末侧向移动法来压制凹面压坯。组合阴模成形法可压制外球面、鼓形、双锥形、非对称台阶等压坯。其特点是将阴模分为上、下二半。压制时，用辅助上模冲将上半阴模压紧。脱模时，上半阴模与压坯一起脱出。该成形法又称为Olivette法。组合芯球成形法可压制内球面压坯,2023/7/31,44,2023/7/31,45,斜齿轮压坯的旋转压模设计直齿齿轮压坯：双向压模斜齿齿轮压坯：旋转压模，压制时，模冲随着阴模的螺旋形角一面旋转、一面下降。压制斜齿齿轮压坯时，齿部的粉末不能沿压制方向直线向下移动，而将沿阴模内斜齿槽向下移动。同时，带齿的上模冲如同螺钉拧进螺母那样，旋转下降。在压制和脱模过程中，模冲和阴模在
18、上、下相对移动的同时，必须有相对转动，因此要求模冲和阴模能够旋转，通常安装平面滚珠轴承模座。,2023/7/31,46,2023/7/31,47,柱塞式压制机成型原理,2023/7/31,48,粉末冶金压制压力机（液压）实图：,2023/7/31,49,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,2023/7/31,50,包括（法兰、反向孔、通孔）,压制过程的图示（轴套压坯）,2023/7/31,51,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,2023/7/31,52,几种常用的自动装粉机构,2023/7/31,53,上模冲上升
19、，送粉器盖住阴模口,带走压坯过量充粉,2023/7/31,54,下模冲和浮动芯杆退到最低位置,装粉充分,2023/7/31,55,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,2023/7/31,56,主上模封闭阴模腔入口,防止粉末飞溢保证粉末填装量,2023/7/31,57,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,2023/7/31,58,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,2023/7/31,59,上模冲上移，上阴模相对下移，下模冲不动,充气,保证压坯法兰完整,2023/7/31,60,保持压力,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,2023/7/31,61,压坯被脱模后，上阴模上行，浮动芯杆下移回位,充气,脱模完毕，开始下一工作周期,2023/7/31,62,1.填充粉末要充分，考虑填装系数、压缩比，尽量减少填充粉末的损失。,小结：,2.压制时要考虑压坯的压制密度的分布，并预留必要的保压时间，预防压坯脱模后反弹过大。,3.采用适宜的脱模方式，使得压坯外形完整,
