第六章-粉末冶金模设计课件.ppt

粉末冶金是一门制造合金粉末和以粉末为原料，通粉末冶金是一门制造合金粉末和以粉末为原料，通过压制成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料与制过压制成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料与制品的技术。品的技术。在粉末冶金成形中，将粉末压制成一定形状、尺寸、在粉末冶金成形中，将粉末压制成一定形状、尺寸、密度和强度的压坯的工艺装备，称为粉末冶金模。密度和强度的压坯的工艺装备，称为粉末冶金模。粉末冶金制品在机械工业中占有相当重要的地位，尤粉末冶金制品在机械工业中占有相当重要的地位，尤其是粉末冶金的结构零件和轴承类零件，广泛地应用于各其是粉末冶金的结构零件和轴承类零件，广泛地应用于各种机械制造业，并逐步地取代部分铸、锻、切削加工的零种机械制造业，并逐步地取代部分铸、锻、切削加工的零件。件。12第一节第一节第一节第一节 粉末冶金成形工艺粉末冶金成形工艺粉末冶金成形工艺粉末冶金成形工艺 粉末冶金既是制取金属材料的一种方法，又是制造机械粉末冶金既是制取金属材料的一种方法，又是制造机械零件的一种加工方法。这种工艺有如下特点：零件的一种加工方法。这种工艺有如下特点：1.1.可制取多组元材料可制取多组元材料:采用混料方法，材料成分均匀，烧结温度低于熔炼温度，集体金属采用混料方法，材料成分均匀，烧结温度低于熔炼温度，集体金属 不融化，防止了密度偏析。常见的组元材料重要有铁基、铜基结构零不融化，防止了密度偏析。常见的组元材料重要有铁基、铜基结构零 件材料、摩擦材料、电工触头材料等。件材料、摩擦材料、电工触头材料等。2.2.可制取多孔材料可制取多孔材料:通过控制粉末粒度和颗粒形状、成形压力及烧结工艺，可获得预定通过控制粉末粒度和颗粒形状、成形压力及烧结工艺，可获得预定 的孔隙大小及孔隙度的多孔材料。的孔隙大小及孔隙度的多孔材料。3.3.可制取硬质合金和难容金属材料可制取硬质合金和难容金属材料:钨、钼、钽、铌、锆、钛及其碳化物、氮化物等材料的熔点一般在钨、钼、钽、铌、锆、钛及其碳化物、氮化物等材料的熔点一般在 1800 1800C以上，采用熔炼方法，会遇到融化和制备炉衬材料困难。以上，采用熔炼方法，会遇到融化和制备炉衬材料困难。4.4.是一种精密的少、无切削加工方法是一种精密的少、无切削加工方法:采用粉末冶金方法制造的机械零件，无需或只需少量的切削加工。采用粉末冶金方法制造的机械零件，无需或只需少量的切削加工。3一一.粉末冶金制坯成形方法和特点粉末冶金制坯成形方法和特点（1 1）粉末的制造方法通常分两）粉末的制造方法通常分两大类：大类：物理化学法和机械粉碎法。物理化学法和机械粉碎法。工业上应用最广泛的是还原法、工业上应用最广泛的是还原法、电解法和雾化法。电解法和雾化法。（2 2）粉末的混合：）粉末的混合：是指将金属是指将金属粉末及添加剂等混合及其他预处粉末及添加剂等混合及其他预处理，如掺加成形剂、增塑剂制粒、理，如掺加成形剂、增塑剂制粒、烘干、过筛等。烘干、过筛等。1.1.制粉和粉末的混合：制粉和粉末的混合：42.2.压制成形压制成形1 1）容积法）容积法 在自动或半自动压机上采用容积法称粉，靠凹模型腔容积来确定在自动或半自动压机上采用容积法称粉，靠凹模型腔容积来确定装粉量：装粉量：2 2）质量法）质量法 手工用天平称量：手工用天平称量：实际生产中压坯质量可按下式计算：实际生产中压坯质量可按下式计算：压制成形压制成形是将金属粉末或混合料装入粉末冶金模（简称压是将金属粉末或混合料装入粉末冶金模（简称压膜）内，在模冲压力的作用下，对粉末施加压力，再卸压脱膜）内，在模冲压力的作用下，对粉末施加压力，再卸压脱模，从而得到具有一定尺寸、形状、密度和强度的压坯。模，从而得到具有一定尺寸、形状、密度和强度的压坯。压制过程压制过程包括称粉、装粉、压制和脱模等。包括称粉、装粉、压制和脱模等。（1 1）称粉）称粉:为了保证压坯有一定的密度需要粉末质量一定，这个粉末质量称为为了保证压坯有一定的密度需要粉末质量一定，这个粉末质量称为压坯的质量。压坯的质量。5（2 2）装粉）装粉 装粉对压坯的尺寸、密度均匀性、同轴度和形状的完装粉对压坯的尺寸、密度均匀性、同轴度和形状的完整等有直接影响。整等有直接影响。6（3 3）压制和脱模）压制和脱模 常见的粉末冶金模压制和脱模方式有如下几种，可根据制品外径D、高度h和壁厚 的比例，结合生产时间条件进行选择。序号序号1单向压制单向压制压制方式压制方式脱模方式脱模方式推出式推出式装粉方式装粉方式落入法或吸入法落入法或吸入法使用范围使用范围7序号序号2双向压制双向压制压制方式压制方式脱模方式脱模方式推出式推出式装粉方式装粉方式落入法或吸入法落入法或吸入法使用范围使用范围1 18序号序号3浮动压制浮动压制压制方式压制方式脱模方式脱模方式推出式推出式装粉方式装粉方式落入法或吸入法落入法或吸入法使用范围使用范围4 4；9序号序号4浮动压制浮动压制压制方式压制方式脱模方式脱模方式拉下式拉下式装粉方式装粉方式 零腔装粉法零腔装粉法使用范围使用范围4 4；10序号序号5强动压制强动压制压制方式压制方式脱模方式脱模方式拉下式拉下式装粉方式装粉方式 零腔装粉法零腔装粉法使用范围使用范围4-64-6；113.3.烧结烧结 烧结是将粉末冶金压坯在低于其基体材料熔点的温度下进行加热，粉末颗粒直接产生原子还原、扩散、固溶、化合与熔接、溶解和再结晶等物理化学过程，致使压坯收缩并强化。12134.4.后处理后处理 粉末冶金压坯烧结后，可根据需要进行一系列的后处理，如精整、切削加工、浸渗、表面冷挤压、热处理及表面处理等。1415161.1.压坯形状分类压坯形状分类 根据现有粉末成形压机的构造和模架、模具的结构，一般将能成形的粉末压坯归纳为五种基本类型。二二.粉末冶金制品结构工艺性粉末冶金制品结构工艺性柱状、筒状、板状柱状、筒状、板状带外凸缘或内凸缘带外凸缘或内凸缘上下端有两个台阶上下端有两个台阶下端有三个台阶下端有三个台阶上端有两个台阶上端有两个台阶下端有三个台阶下端有三个台阶172.2.压坯形状的工艺性设计压坯形状的工艺性设计 压坯形状设计时应考虑以下几个方面：压坯形状设计时应考虑以下几个方面：（1 1）使粉末均匀充满模镗的各个部分）使粉末均匀充满模镗的各个部分 在压制过程中，冶金粉末几乎不产生横向移动，应避免粉末在压制过程中，冶金粉末几乎不产生横向移动，应避免粉末冶金制品的壁厚过小、壁厚急剧变化和尖角等。冶金制品的壁厚过小、壁厚急剧变化和尖角等。18（2 2）压坯形状应便于压制）压坯形状应便于压制 一般压制成型都是沿压坯的轴向进行的，制品中的孔、槽、一般压制成型都是沿压坯的轴向进行的，制品中的孔、槽、螺纹和倒锥，通常是不能压制成形的。螺纹和倒锥，通常是不能压制成形的。19（3 3）压坯形状应便于脱模）压坯形状应便于脱模 对于各种凹槽、凸台、平底孔等要尽量设计浅些，与压制方向对于各种凹槽、凸台、平底孔等要尽量设计浅些，与压制方向一致的内孔要有一定的锥度，以便脱模。一致的内孔要有一定的锥度，以便脱模。20（4 4）保证压模刚度和强度）保证压模刚度和强度213.3.压模精度设计压模精度设计（1 1）压模的尺寸精度）压模的尺寸精度 压模径向尺寸主要受模具尺寸精度的影响；轴向尺寸主要受压机动作、压机本身精度、装粉精度的影响。大致可分为粗、中、精三级。（2 2）压坯的位置精度）压坯的位置精度 常见的粉末冶金制品的位置精度有同轴度、平行度、垂直度和径向跳动度等。4.4.压坯密度设计压坯密度设计 粉末冶金铁基制品密度可分为四类。221.1.基本结构：基本结构：粉末成形压机一般应满足如下要求：压制力（上模冲装置）、粉末成形压机一般应满足如下要求：压制力（上模冲装置）、送料系统（装料机构）、成形和脱出行程、脱出力（下模冲及芯送料系统（装料机构）、成形和脱出行程、脱出力（下模冲及芯棒动作装置）等因素对设备的要求。棒动作装置）等因素对设备的要求。第二节第二节第二节第二节 压机的选用压机的选用压机的选用压机的选用一一.压机的基本结构和分类压机的基本结构和分类23241.1.压制压力计算：压制压力计算：压制时，压制压力的主要消耗有静压力和外摩擦力两部压制时，压制压力的主要消耗有静压力和外摩擦力两部分分。（1 1）静压力）静压力F1 当压坯各处的压力和密度均匀分布，并且不考虑粉档与模壁之间当压坯各处的压力和密度均匀分布，并且不考虑粉档与模壁之间的摩擦阻力模具变形阻力时，粉末体本身变形和致密所需要的力。的摩擦阻力模具变形阻力时，粉末体本身变形和致密所需要的力。2.2.压机分类：压机分类：按传统机构可分为：按传统机构可分为：液压式压机和机械式压机两类。液压式压机和机械式压机两类。按模具操作方式可分为：按模具操作方式可分为：下模冲固定式压机、凹模固定式压机和上下模冲固定式压机、凹模固定式压机和上模冲固定式压机三大类。模冲固定式压机三大类。按模冲动作方式可分为：按模冲动作方式可分为：上模冲单向压制压机、下模冲单向压制压上模冲单向压制压机、下模冲单向压制压机、双向压制压机、多模冲压制压机和模冲回转压制压机等五大类。机、双向压制压机、多模冲压制压机和模冲回转压制压机等五大类。在选用时，要考虑的因素主要有压制压力、脱模压力、在选用时，要考虑的因素主要有压制压力、脱模压力、工作台面尺寸和行程等因素。工作台面尺寸和行程等因素。二二.压机参数的确定压机参数的确定25（2 2）外摩擦力）外摩擦力F2 用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力即为压力损失，称为外摩擦力。用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力即为压力损失，称为外摩擦力。压制过程中的总压力压制过程中的总压力F总为：总为：F总总=F1 1+F2 2 也可按下式计算：也可按下式计算：F总总=pS 式中式中 p单位压制压力单位压制压力（Mpa）；）；S压坯受压的横截面积压坯受压的横截面积（mm2）。）。压坯压制时模壁摩擦力可按下式计算：压坯压制时模壁摩擦力可按下式计算：F2=f动动p侧侧S侧侧 式中式中 f侧侧粉末与模壁的摩擦因数，可查表粉末与模壁的摩擦因数，可查表6-156-15；p侧侧单位压制压力单位压制压力（Mpa），），为压坯泊松比为压坯泊松比；S侧侧粉末与模壁接触面积粉末与模壁接触面积（mm2）。）。正常压制时，摩擦力正常压制时，摩擦力F2 2占总压力占总压力F总总的比例不得大于的比例不得大于20%20%，否则压坯密度不均匀性会变得较严重。，否则压坯密度不均匀性会变得较严重。262.2.脱模力计算脱模力计算 将压坯从凹模内脱出时所需的力称为脱模力。脱模力与压制压力、粉将压坯从凹模内脱出时所需的力称为脱模力。脱模力与压制压力、粉末性能、压坯的密度、侧面面积和尺寸，以及压模的润滑剂有关。末性能、压坯的密度、侧面面积和尺寸，以及压模的润滑剂有关。脱模力按下式计算：脱模力按下式计算：F脱脱=f静静p侧剩侧剩S侧侧 式中 f静静粉末与模壁静摩擦因数；粉末与模壁静摩擦因数；S侧侧粉末与模壁接触面积（粉末与模壁接触面积（mm2 2）；）；p侧剩侧剩压制压力除去后压坯侧壁受到的压强，即剩余侧压强压制压力除去后压坯侧壁受到的压强，即剩余侧压强(Mpa)剩余侧压强可按下式计算：剩余侧压强可按下式计算：式中 j剩余侧压强与侧压强之比，取决于凹模刚度m（凹模外径与 内径之比），查表6-16；压坯侧压系数，是侧压强与单位压制压力的比值，致密材料的侧压系数，可查表6-17；压坯的相对密度，则 。273.3.压力中心压力中心 压坯压制过程中所受压力的合力作用点就是压坯的压力中心。其压坯压制过程中所受压力的合力作用点就是压坯的压力中心。其计算方法与冷冲模的压力中心计算方法类似。计算方法与冷冲模的压力中心计算方法类似。4.4.压机选用原则压机选用原则（1 1）总压制压力：）总压制压力：选用压机时，要使压机的额定压制力大于压坯所需的总压制力。选用压机时，要使压机的额定压制力大于压坯所需的总压制力。F额额=KF总总 式中式中 K安全系数，通常取安全系数，通常取1.15-1.501.15-1.50（2 2）脱模力：）脱模力：选用压机时，必须使下缸的顶出力（或拉下力）大于压坯所需要的选用压机时，必须使下缸的顶出力（或拉下力）大于压坯所需要的脱模力。脱模力。（3 3）行程和工作台面尺寸：）行程和工作台面尺寸：上模冲压行程可按下式计算：上模冲压行程可按下式计算：H=h1+h2 粉末松装高度：粉末松装高度：H粉粉=h2+h坯坯=Kh坯坯 h2 2=(=(K-1)-1)h坯坯 压机推出或拉下的脱模行程压机推出或拉下的脱模行程H脱脱必须大于装粉高度必须大于装粉高度H粉粉，保证脱模要求：，保证脱模要求：H脱脱H粉粉=Kh坯坯=（2.2-3）h坯坯28第三节第三节第三节第三节 粉末冶金模的设计粉末冶金模的设计粉末冶金模的设计粉末冶金模的设计 粉末冶金模的种类很多，应用最广粉末冶金模的种类很多，应用最广泛的是泛的是压模压模、精整模、锻模。、精整模、锻模。把粉末压制为压坯所需模具称为把粉末压制为压坯所需模具称为压压模模。粉末冶金的压制成形主要是指将。粉末冶金的压制成形主要是指将粉末混合物置于压模中，通过模冲对粉末混合物置于压模中，通过模冲对粉末体施加压力，使之成形。粉末体施加压力，使之成形。精整是在常温下，对烧结后的制品精整是在常温下，对烧结后的制品进行再压制，使其表面产生塑性变形，进行再压制，使其表面产生塑性变形，以校正其尺寸及精度。所用的模具称以校正其尺寸及精度。所用的模具称为精整模。为精整模。一一.粉末冶金模的种类及基本结构粉末冶金模的种类及基本结构29二二.粉末冶金模主要零件尺寸计算粉末冶金模主要零件尺寸计算 粉末冶金制品的生产过程一般为粉末冶金制品的生产过程一般为混料成形烧结精混料成形烧结精整（或复压）。整（或复压）。成型模具尺寸的计算步骤为：成型模具尺寸的计算步骤为：（1 1）选定精整方式及精整模具尺寸，根据精整余量确定）选定精整方式及精整模具尺寸，根据精整余量确定烧结制品尺寸；烧结制品尺寸；（2 2）根据所选的烧结材料和制造工艺的烧结收缩量（或）根据所选的烧结材料和制造工艺的烧结收缩量（或膨胀量），确定压坯尺寸；膨胀量），确定压坯尺寸；（3 3）根据压坯尺寸确定成形模具尺寸。）根据压坯尺寸确定成形模具尺寸。粉末冶金模的主要零件有凹模、芯棒和模冲。粉末冶金模的主要零件有凹模、芯棒和模冲。301.1.压坯尺寸变化影响因素压坯尺寸变化影响因素 造成压坯尺寸变化的主要影响因素来自成形、烧结和精整。312.2.工艺参数对压模尺寸的影响工艺参数对压模尺寸的影响（1）金属粉末的松装密度粉 金属粉末的松装密度直接影响模镗的高度。（2）压缩比K 压缩比是指粉末被压缩前的体积与压缩后压坯的体积比。查表6-1932（3）压坯的回弹率e 压坯的回弹率是表示压坯弹性膨胀程度（回弹量）的一个重要参数。压坯回弹率的计算公式：33（4 4）烧结收缩率）烧结收缩率c 一般用压坯在烧结过程中线性收缩量同烧结前的压坯尺一般用压坯在烧结过程中线性收缩量同烧结前的压坯尺寸百分比来表示：寸百分比来表示：压坯的烧结收缩率沿各方向是不同的，轴向收缩率往压坯的烧结收缩率沿各方向是不同的，轴向收缩率往往大于径向收缩率。如铁基制品的轴向收缩率一般为往大于径向收缩率。如铁基制品的轴向收缩率一般为1.8%-2.5%，而径向收缩率一般为，而径向收缩率一般为0.5%-1.0%。压坯的烧结收缩率受许多因素的影响，主要有粉末化压坯的烧结收缩率受许多因素的影响，主要有粉末化学成分、压坯密度和烧结工艺参数（烧结温度、时间、气学成分、压坯密度和烧结工艺参数（烧结温度、时间、气氛等）等。不同材料的烧结收缩率也不同。氛等）等。不同材料的烧结收缩率也不同。34（5）精整余量Z 对于尺寸精度要求高和表面粗糙度值要求较小的制品，需要对压制烧结后的压坯进行精整加工（见表6-22）。（6）机械加工余量 机械加工余量是为满足尺寸制品精度和表面粗糙度的需要而预留的辅助加工余量。一般车削加工取1.01.5mm，磨削加工取0.050.08mm。（7）复压装模间隙b与复压压下率f 复压压缩的程度常用复压压下率f表示：353.3.径向尺寸的计算径向尺寸的计算 模具的尺寸应根据压坯的尺寸要求进行计算，而压坯的尺寸随成形工艺的不同而不同。（1 1）当采用常规的压制烧结工艺时：）当采用常规的压制烧结工艺时：压坯的尺寸应比制品的尺寸减小一个径向回弹量，增加一个径向烧结收缩量。其模具的计算公式为：凹模内径：芯棒外径：孔心距：式中 Dm成形模凹模内径；dm成形模芯棒外径；Lm成形模凹模孔心距；Dcp制品外径平均尺寸；dcp制品内径平均尺寸；Lcp制品中心距平均尺寸；c烧结收缩率（%）；e压坯压制的回弹率（%）。36（2 2）当需要精整制品时：）当需要精整制品时：除考虑径向弹性回弹率、烧结收缩率外，还应留精整余量。其模具计算公式为：凹模内径：芯棒外径：若制品在精整前需进行切削加工，以稳定精整余量，则模具尺寸计算还应考虑机械加工余量。其计算公式为：凹模内径：芯棒外径：（3 3）当需要复压复烧制品，无精整余量，在高度方向却有较大的压下率。）当需要复压复烧制品，无精整余量，在高度方向却有较大的压下率。复压凹模内径：复压芯棒外径：初压凹模内劲：初压芯棒外径：式中 c2复压烧结收缩率（%）；e2复压回弹率（%）。37（4 4）模冲内、外径的确定）模冲内、外径的确定 模冲内外径按凹模孔径和芯棒的外径来确定，一般采用间隙配合。模冲与凹模之间的配合间隙采用H6/F5，h6/G6，H7/g6，H8/f7；模冲与芯棒之间的配合采用F6/h5，G6/h5，G7/h6，F7/h6。（5 5）凹模外径的确定）凹模外径的确定单层厚壁凹模：组合凹模：384.4.轴向尺寸的计算轴向尺寸的计算 轴向尺寸计算的主要部分是装粉高度，其它高度方向的尺寸，往往由结构上需要来选定，从而确定凹模、芯棒和上下模冲的尺寸。（1）凹模高度的计算 式中 h下下模冲定位高度，一般取10-50mm，手动模取 小值，自动模取大值；h上上模冲压缩粉末时进入凹模的深度，手动模一 般取5-10mm，自动模为零；H粉松装粉末高度，H粉=Kh坯。其中当采用常规的压制烧结工艺时：当需要进行辅助机械加工时：当需要复压复烧工艺时：h0制品的高度。39（2）芯棒长度的确定 芯棒上断面应与凹模上断面平或略低一点，便于自动松粉，但也不宜过低；当采用手动模时，芯棒长度可与凹模高度相等；芯棒成型面的长度与凹模高度相等；当采用机动模时，芯棒除了成形面长度外，还应加上根据压制方式、脱模方式和连接方式等具体结构条件来选定的其它长度。（3）模冲高度的确定 确定模冲高度时，应总合考虑模冲的安装、定位、装粉高度的调节余地，压坯的高度以及脱模移动的距离等，并考虑压模的具体结构。40三.粉末冶金模结构设计 粉末冶金模结构设计顺序为：压坯压制上端面的选择，补偿装粉的考虑，脱模方式、结构方案的确定，模具尺寸计算，绘制结构总装图。（一）压坯压制上端面的确定41（二）补偿装粉42三.粉末冶金模典型结构设计 按压制方式压模结构可分为单向压模、双向压模、摩擦芯棒压模和组合压模。1.单向压模 单向压模在压制过程中，相对于凹模运动的只有一个模冲，或是上模冲或是下模冲。这种压膜一般用来生产高度不大、形状简单的粉末冶金制品，有单项手动压膜和单向机动压模。432.双向压模 当实体类压坯的高径比h/D1或管套类压坯的高度与壁厚之比h/3时，应采用双向压模。有手动双向压模和机动双向压模之分。443.摩擦芯棒压模 用于压制较长的薄壁套类压坯。其压制特点是芯棒和上模冲同速同向对着固定的凹模和下冲模移动压缩粉末体。1、13垫板 2凹模板3凹模 4模套 5上模冲7芯棒 8螺钉 9下模冲10弹簧 11垫块12螺钉接头 13顶出液压缸454.组合压模 形状复杂的粉末冶金制品其成形比简单制品困难得多，压模结构通常由多个上冲模、下冲模及组合凹模和芯棒组成。46四.粉末冶金模主要零部件的设计（一）工作零件设计1.凹模 凹模是重要的工作零件，其结构按制品外形及其成形特点，常用的有三种：整体模、拼模和可拆模。472.模冲 上、下模冲与凹模和芯棒之间应有良好的配合、定位与导向，复合的模冲（即有压套时）应能脱出压坯。483.芯棒49（二）浮动装置结构设计1.弹簧浮动装置 弹簧的浮动力是变化的，即圆柱弹簧每圈的变形量越大，浮动压力越大。所以，考虑弹簧设计时，圈数尽量多些，以免浮动压力误差过大。弹簧浮动的优点是结构简单，调整方便，所以应用范围很广。502.气压浮动装置 与弹簧浮动相比，气压浮动具有工作可靠平稳而耐用、压力恒定，调整方便等优点；与液压浮动相比，清洁并且密封要求简单。3.液压浮动装置 浮动力大，作用平稳，结构动作更可靠。但是液压缸易漏油，制造过程较复杂。51（三）脱模复位装置结构设计1.带下缸压机的脱模复位机构 压机带有下缸的脱模复位机构，可以设计成凹模拉下式脱模然后凹模上升复位，在拉下式模具中多采用拉下凹模脱出压坯。而在固定凹模或弹簧浮动凹模中，多采用下模冲推出压坯。52532.无下顶缸的脱模复位机构 无下顶缸压机的自动压模、脱模是借助压机上缸塞或上模向上回升时带动下模冲推出压坯的，复位是借助弹簧或自重使下模冲下落复位的。54（四）调节装粉装置作用和结构设计 调节装粉装置的目的是改变凹模、芯杆与下冲模之间相对位置，以适应不同尺寸的制品，控制压坯的尺寸和同轴度，保证密度均匀性。55