金刚石砂轮成型模具设计

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：金刚石砂轮成型模具的设计学院（系）：材料科学与工程学院 年级专业： 09级超硬 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 设计日期： 2012.10.24-11.6 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：材料科学与工程学院 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目金刚石砂轮成型模具的设计设计技术参数1.金刚石砂轮成型模具选用碳素工具钢作为模套、定位套、下压板以及上压板的材料。许用应力=3000Kg/ cm ，波桑系数=0.3。2设计平行砂轮的尺寸为：150221020。工作层的厚度为6mm，基体的直径为150mm，工作高度为22mm

2、，凹面高度10mm。砂轮内径为20mm。3.结合剂选用金属基结合剂（铁基结合剂），相对密度为0.80.87，选取=0.8，侧压系数=0.38。4. 压机的垂直应力为2500Kg/，其他尺寸详见课程设计说明书及工厂相关设备图纸。设计要求学生必须在规定的期限内完成下述任务：1）规划设计：熟悉设计步骤，确定结构方案。2)设计计算：选择所用材料及确定材料的力学性能，根据材料性能及设备功能的要求设计结构尺寸，确定金刚石砂轮模具的生产效率。3)绘图：计算机上利用Auto-CAD软件4)编写设计说明书本设计书设计的是一套砂轮模具用以大批量生产，结构上为内为基体外为工作层的平行砂轮。工作量技术熟练型员工平均日

3、产500件。一套模具至少可以正常生产十万件而不出现较大的尺寸误差。工作计划任 务时 间安 排设 计 内 容规划设计1.5天1 1、布置设计任务书；2、熟悉设计步骤；3、确定结构方案；设计计算2.5天1 选择设备材料；2 确定所需设计设备的基本结构，计算结构尺寸；3 设备能力校验计算；4 使用操作方法说明。绘 图3天1 绘制草图；2 绘制总图；3 绘制零件图。写说明书2天 说明书应使用统一格式的16开纸书写（或B5纸打印），并附有封皮，装订成册。考 核1天面试考核参考资料1.万隆，陈石林，刘小磐主编超硬材料与工具北京化学工业出版社出版2.吕智，郑超，莫时雄，章兼植合编超硬材料工具设计与制造冶金工

4、业出版社出版3.张绍和编金刚石与金刚石工具中南大学出版社出版 4.刘鸿文编简明材料力学高等教育出版社出版指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012年 11月 5 日 目录 一、原始数据及资料 二、对设计课题的分析 三、设计设备的简图 四、设计计算 五、设计小结 六、参考文献 设计说明书超硬材料设备课程设计是无机非金属材料与工程专业超硬材料专业方向的一门专业方向必修课。该课程设计需要综合运用已学到的理论知识，包括CAD画图工具的应用、材料力学知识、机械设计与制造技术以及有关超硬材料的知识，尤其是金刚石砂轮的相关知识。本次课程设计是培养学

5、生用理论知识来解决实际工程问题的一次训练，加深了学生对课本所学知识的理解和应用，培养了自己独立分析问题、解决问题的能力。一、 原始数据及资料选用碳素工具钢作为模套、定位套、下压板以及上压板的材料。许用应力=3000Kg/，波桑系数=0.3。设计平行砂轮的尺寸为：15010226。即外为工作层，内为基体的结构，外径为150mm，工作高度为22mm，凹面厚度为10mm，砂轮内径为20mm。结合剂选用金属基结合剂（铁基结合剂），相对密度为0.80.87，选取=0.8，侧压系数=0.38。压机的垂直应力为2500Kg/。二、设计分析1、模具由模套、上压环、上定位套，下压环和下定位套组成，各个零件的结构

6、形状和数量则根据砂轮的类型和压制方法确定。各个零件的作用如下：（1）、模套：是模具的外套，是关键零件，直接影响砂轮的压制质量。其厚度受材料自身强度的限制，根据不同材料的许用应力，通过强度计算或经验推算确定。壁太厚浪费材料，又不便搬运。模套高度根据砂轮高度和粉末松装密度等因素确定。其厚度大概为模框平均直径的1/10。材料选用耐热合金钢或球墨铸铁。本实验采用碳素工具钢。（2）上压环：是本次平行砂轮设计中的压制零件，直接承受和传递压力，要求有高的抗压强度、硬度，和适当的韧性传递压力至压腔，提供结合剂压制成型所需的高压强。（3）下压环：下压环与模套和定位螺丝构成容纳粉末的压制腔体，其定位螺丝对机体起定

7、位作用，要求有高的耐磨性。下压环底部支撑模具，是压制粉末的底部，承受一部分压力。 （4）上、下定位套：起固定基体，确定砂轮工作层的厚度。 2、 模具结构的设计模具结构要根据砂轮的用途和形状以及不同的基体和生产工艺方法来进行设计，其区别于普通磨料磨具的是：（a） 所得产品为金刚石砂轮，系超硬工具； （b）结合剂采用的是金属基，即铁粉，不同与普通的陶瓷基砂轮。因此模具结构和压制操作过程相对复杂。而且烧结温度比较高，一般达到750-850摄氏度，因此对材料的耐热和耐磨性都有严格的要求，下面说一下模具零件的设计：A、 模套设计：模套从材料力学考虑，实际上它是一个厚壁圆筒，也就是其壁厚至少大于平均直径的

8、十分之一。因此，按壁厚圆筒的应力计算方法，根据所选材料的许用应力、泊桑比和弹性模量以及砂轮的外径，即可求得模框的外径尺寸。a模套外径尺寸的确定:模具在压制过程中，对粉末胚体施加垂直压力，粉末压缩沿着圆周向外膨胀，把压力传递给模框内壁，这叫“侧压力”。由于受到粉末之间的摩擦力和与内壁之间摩擦力的影响，侧压力总是小于施加的垂直压力。而侧压力对模框形成径向应力和切向应力，径向应力是压应力，越接近壁厚内径压应力越大；切向应力是拉应力，越接近壁厚内径表面，其值越大。具体计算过程见下。b模套高度的确定:模套高度H由装粉高度h0，下模冲定位高度h1两部分组成。装粉高度h0与粉末的松装密度有关，松装密度越小，

9、装粉高度越高。提高粉末的松装密度可以降低模框的高度，不但节省材料，还可以减少密度梯度，有利操作。h0一般取胎体厚度的2.5到3.5倍,本设计用3倍。本模具所压砂轮工作层厚度为6mm，所以h0=18mm,根据需求h1取44mm，所以H=h0+h1=18+44=62mmc模套材质的选择:本设计采用碳素合金钢。这类钢,由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性脆性转变温度，可用于制造受变载、中速中载、强烈磨损的重要零件。B、压环设计：上压环采用碳素合金钢，许用应力为

10、=3000Kg/，由于金刚石砂轮的工作层不留有加工余量，因此，压环的外直径就是成型砂轮的外径尺寸，为150mm,压环的内径为砂轮基体的外径，为130mm，高度为26mm，强化环厚度为8mm，强化环外径为184mm。C、定位套的设计： 定位套主要起固定砂轮基体，限制工作层压缩高度的作用，其高度根据需求设计为24mm，直径为130mm，内径为20mm。D、定位螺丝的设计：定位螺丝除了起导向、定心作用外，还用来将上下定位套连接在一起，其高度视基体高度和上下定位套的厚度而定，在这取H=60mm，直径为砂轮内径，取R=20mm,螺帽高度为6mm，螺帽直径为30mm，螺母高度为6mm，螺母外切圆直径为26

11、mm。垫片厚度为3mm，直径为30mm。3、 设计设备的简图 四、设计计算： 套筒的计算：一、 径向计算 砂轮直径为150 ，砂轮凹面基体厚度为10 mm，孔为20，套筒内径尺寸为150.阴模和模套的厚度计算：P侧=P,已知=0.38,p=2700kgcm ,=0.8。m P侧（1） P侧11.36,取m=1.4。m组m P侧（k） P侧k=1.26，取m=1.4，k1=0.88。R=mr112.5 r中=92P预=mm13m1m1 P侧r中=2P预r中Em1m1r中2R=0.16二、 求热装所需温度tr中0.1r中=133.8所以外模的厚度=R-r218.75热装所需温度为134五 设计小结

12、本次课程设计是培养学生用理论知识来解决实际工程问题的一次训练，加深了学生对课本所学知识的理解和应用，培养了自己独立分析问题、解决问题的能力。通过这次课程设计，我了解到不带非工作层的整体式砂轮成型模具的设计原理，然后加以实际应用，顺利的解决了砂轮带孔部分容易掉边的现象，大大降低了砂轮胚体成型后脱模的难度，成功的设计出带有盲孔结构的细长杆状且不带非工作层整体式砂轮成型模具。解决了实际生产中经常遇到的细长杆状砂轮难以大批量优质生产的问题，此方法既解决了生产问题也节省了原理，提高了实际生产的效率。六 参考文献1.万隆，陈石林，刘小磐.超硬材料与工具.北京化学工业出版社20062.闫瑞军.盲孔砂轮成型模具结构设计的改进.哈尔滨20043.吕智，郑超，莫时雄，章兼植.超硬材料工具设计与制造.北京冶金工业出版社20104.张绍和.金刚石与金刚石工具.长沙中南大学出版社20055.刘鸿文.简明材料力学 高等教育出版社 2007P1