第六章+粉末冶金模設(shè)計

第六章粉末冶金模設(shè)計粉末冶金是一門制造合金粉末和以粉末為原料，通過壓制成形、燒結(jié)和必要的后續(xù)處理制取金屬材料與制品的技術(shù)。在粉末冶金成形中，將粉末壓制成一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的壓坯的工藝裝備，稱為粉末冶金模。

粉末冶金制品在機(jī)械工業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位，尤其是粉末冶金的結(jié)構(gòu)零件和軸承類零件，廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械制造業(yè)，并逐步地取代部分鑄、鍛、切削加工的零件。12第一節(jié)粉末冶金成形工藝粉末冶金既是制取金屬材料的一種方法，又是制造機(jī)械零件的一種加工方法。這種工藝有如下特點(diǎn)：

1.可制取多組元材料:采用混料方法，材料成分均勻，燒結(jié)溫度低于熔煉溫度，集體金屬不融化，防止了密度偏析。常見的組元材料重要有鐵基、銅基結(jié)構(gòu)零件材料、摩擦材料、電工觸頭材料等。

2.可制取多孔材料:通過控制粉末粒度和顆粒形狀、成形壓力及燒結(jié)工藝，可獲得預(yù)定的孔隙大小及孔隙度的多孔材料。

3.可制取硬質(zhì)合金和難容金屬材料:鎢、鉬、鉭、鈮、鋯、鈦及其碳化物、氮化物等材料的熔點(diǎn)一般在1800°C以上，采用熔煉方法，會遇到融化和制備爐襯材料困難。

4.是一種精密的少、無切削加工方法:

采用粉末冶金方法制造的機(jī)械零件，無需或只需少量的切削加工。3一.粉末冶金制坯成形方法和特點(diǎn)（1）粉末的制造方法通常分兩大類：物理化學(xué)法和機(jī)械粉碎法。工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是還原法、電解法和霧化法。（2）粉末的混合：是指將金屬粉末及添加劑等混合及其他預(yù)處理，如摻加成形劑、增塑劑制粒、烘干、過篩等。1.制粉和粉末的混合：42.壓制成形1）容積法

在自動或半自動壓機(jī)上采用容積法稱粉，靠凹模型腔容積來確定裝粉量：

2）質(zhì)量法

手工用天平稱量：

實(shí)際生產(chǎn)中壓坯質(zhì)量可按下式計算：

壓制成形是將金屬粉末或混合料裝入粉末冶金模（簡稱壓膜）內(nèi)，在模沖壓力的作用下，對粉末施加壓力，再卸壓脫模，從而得到具有一定尺寸、形狀、密度和強(qiáng)度的壓坯。

壓制過程包括稱粉、裝粉、壓制和脫模等。（1）稱粉:為了保證壓坯有一定的密度需要粉末質(zhì)量一定，這個粉末質(zhì)量稱為壓坯的質(zhì)量。5（2）裝粉

裝粉對壓坯的尺寸、密度均勻性、同軸度和形狀的完整等有直接影響。6（3）壓制和脫模常見的粉末冶金模壓制和脫模方式有如下幾種，可根據(jù)制品外徑D、高度h和壁厚的比例，結(jié)合生產(chǎn)時間條件進(jìn)行選擇。序號1單向壓制壓制方式脫模方式推出式裝粉方式落入法或吸入法使用范圍7序號2雙向壓制壓制方式脫模方式推出式裝粉方式落入法或吸入法使用范圍＞＞18序號3浮動壓制壓制方式脫模方式推出式裝粉方式落入法或吸入法使用范圍＞4；9序號4浮動壓制壓制方式脫模方式拉下式裝粉方式零腔裝粉法使用范圍＞4；10序號5強(qiáng)動壓制壓制方式脫模方式拉下式裝粉方式零腔裝粉法使用范圍＞4-6；113.燒結(jié)

燒結(jié)是將粉末冶金壓坯在低于其基體材料熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱，粉末顆粒直接產(chǎn)生原子還原、擴(kuò)散、固溶、化合與熔接、溶解和再結(jié)晶等物理化學(xué)過程，致使壓坯收縮并強(qiáng)化。12134.后處理粉末冶金壓坯燒結(jié)后，可根據(jù)需要進(jìn)行一系列的后處理，如精整、切削加工、浸滲、表面冷擠壓、熱處理及表面處理等。1415161.壓坯形狀分類根據(jù)現(xiàn)有粉末成形壓機(jī)的構(gòu)造和模架、模具的結(jié)構(gòu)，一般將能成形的粉末壓坯歸納為五種基本類型。二.粉末冶金制品結(jié)構(gòu)工藝性柱狀、筒狀、板狀帶外凸緣或內(nèi)凸緣上下端有兩個臺階下端有三個臺階上端有兩個臺階下端有三個臺階172.壓坯形狀的工藝性設(shè)計

壓坯形狀設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）使粉末均勻充滿模鏜的各個部分

在壓制過程中，冶金粉末幾乎不產(chǎn)生橫向移動，應(yīng)避免粉末冶金制品的壁厚過小、壁厚急劇變化和尖角等。18（2）壓坯形狀應(yīng)便于壓制一般壓制成型都是沿壓坯的軸向進(jìn)行的，制品中的孔、槽、螺紋和倒錐，通常是不能壓制成形的。19（3）壓坯形狀應(yīng)便于脫模

對于各種凹槽、凸臺、平底孔等要盡量設(shè)計淺些，與壓制方向一致的內(nèi)孔要有一定的錐度，以便脫模。20（4）保證壓模剛度和強(qiáng)度213.壓模精度設(shè)計（1）壓模的尺寸精度壓模徑向尺寸主要受模具尺寸精度的影響；軸向尺寸主要受壓機(jī)動作、壓機(jī)本身精度、裝粉精度的影響。大致可分為粗、中、精三級。（2）壓坯的位置精度常見的粉末冶金制品的位置精度有同軸度、平行度、垂直度和徑向跳動度等。4.壓坯密度設(shè)計粉末冶金鐵基制品密度可分為四類。221.基本結(jié)構(gòu)：

粉末成形壓機(jī)一般應(yīng)滿足如下要求：壓制力（上模沖裝置）、送料系統(tǒng)（裝料機(jī)構(gòu)）、成形和脫出行程、脫出力（下模沖及芯棒動作裝置）等因素對設(shè)備的要求。第二節(jié)壓機(jī)的選用一.壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和分類23241.壓制壓力計算：

壓制時，壓制壓力的主要消耗有靜壓力和外摩擦力兩部分。（1）靜壓力F1

當(dāng)壓坯各處的壓力和密度均勻分布，并且不考慮粉檔與模壁之間的摩擦阻力模具變形阻力時，粉末體本身變形和致密所需要的力。2.壓機(jī)分類：

按傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)可分為：液壓式壓機(jī)和機(jī)械式壓機(jī)兩類。

按模具操作方式可分為：下模沖固定式壓機(jī)、凹模固定式壓機(jī)和上模沖固定式壓機(jī)三大類。

按模沖動作方式可分為：上模沖單向壓制壓機(jī)、下模沖單向壓制壓機(jī)、雙向壓制壓機(jī)、多模沖壓制壓機(jī)和模沖回轉(zhuǎn)壓制壓機(jī)等五大類。

在選用時，要考慮的因素主要有壓制壓力、脫模壓力、工作臺面尺寸和行程等因素。二.壓機(jī)參數(shù)的確定25（2）外摩擦力F2

用來克服粉末顆粒與模壁之間的摩擦力即為壓力損失，稱為外摩擦力。

壓制過程中的總壓力F總為：

F總=F1+F2

也可按下式計算：

F總=pS

式中

p——單位壓制壓力（Mpa）；

S——壓坯受壓的橫截面積（mm2）。壓坯壓制時模壁摩擦力可按下式計算：

F2=f動p側(cè)S側(cè)

式中

f側(cè)——粉末與模壁的摩擦因數(shù)，可查表6-15；

p側(cè)——單位壓制壓力（Mpa），，為壓坯泊松比；

S側(cè)——粉末與模壁接觸面積（mm2）。

正常壓制時，摩擦力F2占總壓力F總的比例不得大于20%，否則壓坯密度不均勻性會變得較嚴(yán)重。262.脫模力計算

將壓坯從凹模內(nèi)脫出時所需的力稱為脫模力。脫模力與壓制壓力、粉末性能、壓坯的密度、側(cè)面面積和尺寸，以及壓模的潤滑劑有關(guān)。

脫模力按下式計算：

F脫=f靜p側(cè)剩S側(cè)

式中f靜——粉末與模壁靜摩擦因數(shù)；

S側(cè)——粉末與模壁接觸面積（mm2）；

p側(cè)?！獕褐茐毫Τズ髩号鱾?cè)壁受到的壓強(qiáng)，即剩余側(cè)壓強(qiáng)(Mpa)

剩余側(cè)壓強(qiáng)可按下式計算：式中

j——剩余側(cè)壓強(qiáng)與側(cè)壓強(qiáng)之比，取決于凹模剛度m（凹模外徑與內(nèi)徑之比），查表6-16；

——壓坯側(cè)壓系數(shù)，是側(cè)壓強(qiáng)與單位壓制壓力的比值，

——致密材料的側(cè)壓系數(shù)，可查表6-17；

——壓坯的相對密度，則。273.壓力中心壓坯壓制過程中所受壓力的合力作用點(diǎn)就是壓坯的壓力中心。其計算方法與冷沖模的壓力中心計算方法類似。4.壓機(jī)選用原則（1）總壓制壓力：

選用壓機(jī)時，要使壓機(jī)的額定壓制力大于壓坯所需的總壓制力。

F額=KF總

式中K——安全系數(shù)，通常取1.15-1.50（2）脫模力：

選用壓機(jī)時，必須使下缸的頂出力（或拉下力）大于壓坯所需要的脫模力。（3）行程和工作臺面尺寸：

上模沖壓行程可按下式計算：H=h1+h2粉末松裝高度：H粉=h2+h坯=Kh坯

h2=(K-1)h坯壓機(jī)推出或拉下的脫模行程H脫必須大于裝粉高度H粉，保證脫模要求：

H脫≥H粉=Kh坯=（2.2-3）h坯28第三節(jié)粉末冶金模的設(shè)計粉末冶金模的種類很多，應(yīng)用最廣泛的是壓模、精整模、鍛模。把粉末壓制為壓坯所需模具稱為壓模。粉末冶金的壓制成形主要是指將粉末混合物置于壓模中，通過模沖對粉末體施加壓力，使之成形。精整是在常溫下，對燒結(jié)后的制品進(jìn)行再壓制，使其表面產(chǎn)生塑性變形，以校正其尺寸及精度。所用的模具稱為精整模。一.粉末冶金模的種類及基本結(jié)構(gòu)29二.粉末冶金模主要零件尺寸計算粉末冶金制品的生產(chǎn)過程一般為混料－成形－燒結(jié)－精整（或復(fù)壓）。

成型模具尺寸的計算步驟為：（1）選定精整方式及精整模具尺寸，根據(jù)精整余量確定燒結(jié)制品尺寸；（2）根據(jù)所選的燒結(jié)材料和制造工藝的燒結(jié)收縮量（或膨脹量），確定壓坯尺寸；（3）根據(jù)壓坯尺寸確定成形模具尺寸。粉末冶金模的主要零件有凹模、芯棒和模沖。301.壓坯尺寸變化影響因素造成壓坯尺寸變化的主要影響因素來自成形、燒結(jié)和精整。312.工藝參數(shù)對壓模尺寸的影響（1）金屬粉末的松裝密度ρ粉金屬粉末的松裝密度直接影響模鏜的高度。（2）壓縮比K

壓縮比是指粉末被壓縮前的體積與壓縮后壓坯的體積比。查表6-1932（3）壓坯的回彈率e

壓坯的回彈率是表示壓坯彈性膨脹程度（回彈量）的一個重要參數(shù)。壓坯回彈率的計算公式：33（4）燒結(jié)收縮率c

一般用壓坯在燒結(jié)過程中線性收縮量同燒結(jié)前的壓坯尺寸百分比來表示：壓坯的燒結(jié)收縮率沿各方向是不同的，軸向收縮率往往大于徑向收縮率。如鐵基制品的軸向收縮率一般為1.8%-2.5%，而徑向收縮率一般為0.5%-1.0%。壓坯的燒結(jié)收縮率受許多因素的影響，主要有粉末化學(xué)成分、壓坯密度和燒結(jié)工藝參數(shù)（燒結(jié)溫度、時間、氣氛等）等。不同材料的燒結(jié)收縮率也不同。34（5）精整余量ΔZ

對于尺寸精度要求高和表面粗糙度值要求較小的制品，需要對壓制燒結(jié)后的壓坯進(jìn)行精整加工（見表6-22）。（6）機(jī)械加工余量機(jī)械加工余量是為滿足尺寸制品精度和表面粗糙度的需要而預(yù)留的輔助加工余量。一般車削加工取1.0~1.5mm，磨削加工取0.05~0.08mm。（7）復(fù)壓裝模間隙b與復(fù)壓壓下率f

復(fù)壓壓縮的程度常用復(fù)壓壓下率f表示：353.徑向尺寸的計算模具的尺寸應(yīng)根據(jù)壓坯的尺寸要求進(jìn)行計算，而壓坯的尺寸隨成形工藝的不同而不同。（1）當(dāng)采用常規(guī)的壓制燒結(jié)工藝時：壓坯的尺寸應(yīng)比制品的尺寸減小一個徑向回彈量，增加一個徑向燒結(jié)收縮量。其模具的計算公式為：凹模內(nèi)徑：芯棒外徑：孔心距：式中Dm——成形模凹模內(nèi)徑；dm——成形模芯棒外徑；Lm——成形模凹模孔心距；Dcp——制品外徑平均尺寸；dcp——制品內(nèi)徑平均尺寸；Lcp——制品中心距平均尺寸；

c——燒結(jié)收縮率（%）；

e——壓坯壓制的回彈率（%）。36（2）當(dāng)需要精整制品時：除考慮徑向彈性回彈率、燒結(jié)收縮率外，還應(yīng)留精整余量。其模具計算公式為：凹模內(nèi)徑：芯棒外徑：若制品在精整前需進(jìn)行切削加工，以穩(wěn)定精整余量，則模具尺寸計算還應(yīng)考慮機(jī)械加工余量。其計算公式為：凹模內(nèi)徑：芯棒外徑：（3）當(dāng)需要復(fù)壓復(fù)燒制品，無精整余量，在高度方向卻有較大的壓下率。復(fù)壓凹模內(nèi)徑：復(fù)壓芯棒外徑：初壓凹模內(nèi)勁：初壓芯棒外徑：式中c2——復(fù)壓燒結(jié)收縮率（%）；

e2——復(fù)壓回彈率（%）。37（4）模沖內(nèi)、外徑的確定模沖內(nèi)外徑按凹?？讖胶托景舻耐鈴絹泶_定，一般采用間隙配合。模沖與凹模之間的配合間隙采用H6/F5，h6/G6，H7/g6，H8/f7；模沖與芯棒之間的配合采用F6/h5，G6/h5，G7/h6，F(xiàn)7/h6。（5）凹模外徑的確定單層厚壁凹模：組合凹模：384.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(jié)構(gòu)上需要來選定，從而確定凹模、芯棒和上下模沖的尺寸。（1）凹模高度的計算式中

h下——下模沖定位高度，一般取10-50mm，手動模取小值，自動模取大值；

h上——上模沖壓縮粉末時進(jìn)入凹模的深度，手動模一般取5-10mm，自動模為零；

H粉——松裝粉末高度，H粉=Kh坯。其中當(dāng)采用常規(guī)的壓制燒結(jié)工藝時：當(dāng)需要進(jìn)行輔助機(jī)械加工時：當(dāng)需要復(fù)壓復(fù)燒工藝時：

h0——制品的高度。39（2）芯棒長度的確定芯棒上斷面應(yīng)與凹模上斷面平或略低一點(diǎn)，便于自動松粉，但也不宜過低；當(dāng)采用手動模時，芯棒長度可與凹模高度相等；芯棒成型面的長度與凹模高度相等；當(dāng)采用機(jī)動模時，芯棒除了成形面長度外，還應(yīng)加上根據(jù)壓制方式、脫模方式和連接方式等具體結(jié)構(gòu)條件來選定的其它長度。（3）模沖高度的確定確定模沖高度時，應(yīng)總合考慮模沖的安裝、定位、裝粉高度的調(diào)節(jié)余地，壓坯的高度以及脫模移動的距離等，并考慮壓模的具體結(jié)構(gòu)。40三.粉末冶金模結(jié)構(gòu)設(shè)計粉末冶金模結(jié)構(gòu)設(shè)計順序為：壓坯壓制上端面的選擇，補(bǔ)償裝粉的考慮，脫模方式、結(jié)構(gòu)方案的確定，模具尺寸計算，繪制結(jié)構(gòu)總裝圖。（一）壓坯壓制上端面的確定41（二）補(bǔ)償裝粉42三.粉末冶金模典型結(jié)構(gòu)設(shè)計按壓制方式壓模結(jié)構(gòu)可分為單向壓模、雙向壓模、摩擦芯棒壓模和組合壓模。1.單向壓模單向壓模在壓制過程中，相對于凹模運(yùn)動的只有一個模沖，或是上模沖或是下模沖。這種壓膜一般用來生產(chǎn)高度不大、形狀簡單的粉末冶金制品，有單項手動壓膜和單向機(jī)動壓模。432.雙向壓模當(dāng)實(shí)體類壓坯的高徑比h/D>1或管套類壓坯的高度與壁厚之比h/δ>3時，應(yīng)采用雙向壓模。有手動雙向壓模和機(jī)動雙向壓模之分。443.摩擦芯棒壓模

用于壓制較長的薄壁套類壓坯。其壓制特點(diǎn)是芯棒和上模沖同速同向?qū)χ潭ǖ陌寄：拖聸_模移動壓縮粉末體。1、13——墊板2——凹模板3—凹模

4—模套5—上模沖7—芯棒

8—螺釘9—下模沖10—彈簧11—墊塊12—螺釘接頭