粉体成形模具设计课件.ppt

粉体成形模具设计,课程设计目的:通过粉体成形模具课程设计初步掌握粉体压制工艺设计和模具结构设计的方法和步骤。把已学的各门专业课程基础理论综合的应用在模具的计算过程中去。培养分析问题、解决问题的能力。设计内容、技术条件和要求:设计完成制件冲压工序中老师指定的某套模具；确定模具结构方案，工作部分零件设计，卸料零件设计，推（顶）件零件的设计，定位零件的设计，连接零件的设计；画模具总装图，画模具零件图；编制模具设计说明书。时间进度安排1）模具结构设计2.5天2）模具零件设计2天4）画模具总装图2天5）画模具零件图2天6）编制设计说明书1天,参考资料,1、印红羽主编。粉末冶金模具设计手册(第2版)，机械工业出版社，2002年出版2、熊春林。粉体材料成形设备与模具设计，化工工业出版社，2007年出版,第一章粉体成形工艺,粉体成形工艺有如下特点：1.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，集体金属不融化，防止了密度偏析。2.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，可获得预定的孔隙大小及孔隙度的多孔材料。3.是一种精密的少、无切削加工方法:采用粉体成形方法制造的零件，无需或只需少量的切削加工。,一.粉体成形制坯成形方法和特点,（1）粉末的制造方法通常分两大类：物理化学法和机械粉碎法。传统的粉体制备工艺就是机械破碎法，生产量大，成本低，但杂质混入不可避免。随着先进陶瓷的发展，各种反应合成法得以应用，优点是纯度高、粒度小、成分均匀，但成本高。,（2）粉末的混合：是指将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、烘干、过筛等。,1.制粉和粉末的混合：,2.压制成形,压制成形是将粉末或混合料装入粉体成形模（简称压模）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。压制过程包括称粉、装粉、压制和脱模等。,1）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装粉量：2）质量法手工用天平称量：,（1）称粉:为了保证压坯有一定的密度需要粉末质量一定，这个粉末质量称为压坯的质量。,（2）装粉装粉对压坯的尺寸、密度均匀性、同轴度和形状的完整等有直接影响。,（3）压制和脱模常见的粉体成形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。,1,4；,油缸推动下模冲，把制件推出阴模。,序号,4,浮动压制,压制方式,脱模方式,拉下式,装粉方式,零腔装粉法,使用范围,4；,拉动中间带弹簧的拉杆，阴模向下运动，制件被架在垫板上的下模冲推出。,3.烧结烧结是将粉体成形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。,4.后处理,1.压坯形状分类,二.粉体成形制品结构工艺性,柱状、筒状、板状,带外凸缘或内凸缘,2.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：（1）使粉末均匀充满模膛的各个部分在压制过程中，粉末几乎不产生横向移动，应避免粉末制品的壁厚过小、壁厚急剧变化和尖角等。,（2）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、螺纹和倒锥，通常是不能压制成形的。,3.压模精度设计（1）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）压坯的位置精度常见的粉末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.压坯密度设计粉末制品密度可分为四类。,1.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）、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。,第二节压机的选用,一.压机的基本结构和分类,装粉,压制,脱模,装粉,压制,脱模,装粉,压制,脱模,1.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分。（1）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.压机分类：按传统机构可分为：液压式压机和机械式压机两类。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模冲固定式压机三大类。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、工作台面尺寸和行程等因素。,二.压机参数的确定,（2）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。压制过程中的总压力F总为：F总=F1+F2也可按下式计算：F总=pS式中p单位压制压力（Mpa）；陶瓷粉的成型压力一般不到200MPa,而金属粉的成型压力有的高达600-800MPaS压坯受压的横截面积（mm2）。,（2）外摩擦力F2,压坯压制时模壁摩擦力可按下式计算：F2=f动p侧S侧式中f侧粉末与模壁的摩擦因数；p侧单位压制压力（Mpa），为压坯泊松比；S侧粉末与模壁接触面积（mm2）。正常压制时，摩擦力F2占总压力F总的比例不得大于20%，否则压坯密度不均匀性会变得较严重。,2.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：F脱=f静p侧剩S侧式中f静粉末与模壁静摩擦因数；S侧粉末与模壁接触面积（mm2）；p侧剩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：,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），查表粉末冶金模具设计手册(第2版)表3-1；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，查粉末冶金模具设计手册(第2版)表3-2；压坯的相对密度，则。,3.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。其计算方法与冷冲模的压力中心计算方法类似。4.压机选用原则（1）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。F额=KF总式中K安全系数，通常取1.15-1.50（2）脱模力：选用压机时，必须使下缸的顶出力（或拉下力）大于压坯所需要的脱模力。（3）行程和工作台面尺寸：上模冲压行程可按下式计算：H=h1+h2粉末松装高度：H粉=h2+h坯=Kh坯h2=(K-1)h坯压机推出或拉下的脱模行程H脱必须大于装粉高度H粉，保证脱模要求：H脱H粉=Kh坯=（2.2-3）h坯,第三节粉体成形模的设计,粉体成形模的种类很多，应用最广泛的是压模、精整模。把粉末压制为压坯所需模具称为压模。压制成形主要是指将粉末混合物置于压模中，通过模冲对粉末体施加压力，使之成形。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，以校正其尺寸及精度。所用的模具称为精整模。,一.粉体成形模的种类及基本结构,表1成形模具结构分类,二成形模具结构设计原则,1)阴模型腔内各个部位都必须可靠地充填以数量精确的粉末；2)压坯内的密度分布应尽量均一；3)阴模型腔内各处的粉体应同时进行密实。密实粉体仅只很微量向侧向移动；4)必须将压坯完好地从成形的模具中脱出；5)对模具零件的所有必要的动作都必须进行适当控制，而且必须能以足够高的精度进行重复；6)模具的模冲要尽量少；7)在压制过程中，模冲与阴模或芯棒，间隙合适，不得相互卡住；8)在压制过程中，所有模具零件都必须能承受施加于其上的载荷。所有模具零件都必须尽量耐磨，而且应具有最高的可预期寿命；9)模具的所有功能都必须能最好地利用压机的相应功能。10)模具的设计应便于组装和安装在压机上，以将组装时间缩短到最短；11)磨损的模具零件应尽量容易更换，以将停工时间缩小到最短；12)就预期的模具使用寿命和生产的压坯数量而言，模具的制造成本必须合理。,三成形模具结构设计依据,1)成形的工艺性，确定压坯的形状、精度和粗糙度；2)由生产批量及设备，确定生产方式；3)由压坯的形状和对密度均匀性的要求确定压制方式；4)由压制压力、脱模力、压制脱模行程、工作台面积及模具特殊动作的需要等，确定采用的压机型号及规格，并选择合适原模架。,四成形模具结构设计需要考虑的几个问题,1）主要零件的连接方式，特别是阴模、芯棒、上下模冲，要求安全可靠、安装和拆卸方便，结构简单；2）浮动结构。根据压制方式和移粉的要求，阴模、芯棒和上下模冲浮动，浮动力可由弹簧、摩擦、气动和液压产生；3）脱模复位机构。压坯的形状和压机具有的动作决定。脱模和复位一般由同一结构完成。保证压坯完好，动作准确可靠，复位准确；4）调节装粉机构。装粉型腔深浅的调节，易操作，能微调。,五成形模具结构设计步骤,三.粉末成形模结构设计粉末成形模结构设计顺序为：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。,压制方式的确定,脱模方式的确定,模架类型及模具结构方案的确定,计算装粉高度和模具轴向尺寸,计算阴模、芯棒和模冲的径向尺寸,绘制结构装配总图及零件图,压坯压制上端面的确定,三.粉末成形模结构设计（一）压坯压制上端面的确定,（二）压制方式的选择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。,这种压模一般用来生产高度不大、形状简单的粉末冶金制品，有单向手动压模和单向机动压模。,2.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。,（三）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。,2.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。,（四）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。,2.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。,(五)成形模具结构方案,普通成形模结构基本方案示例,类柱状压坯,（六）粉末成形模主要零部件的设计1、工作零件设计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。,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。,芯棒,（七）成形模具零件的主要连接方式(1)阴模的连接,阴模的连接,(2)上模冲的连接,(3)下模冲的连接,(4)芯棒的连接,5、导柱与导板的连接,2.粉末成形模主要零件尺寸计算,粉末成形制品的生产过程一般为混料成形烧结精整（或复压）。成型模具尺寸的计算步骤为：（1）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；若不需要精整，省略此步骤。（2）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；（3）根据压坯尺寸确定成形模具尺寸。粉末成形模的主要零件有凹模、芯棒和模冲。,1.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。,（1）粉末的松装密度粉粉末的松装密度直接影响模膛的高度。,某陶瓷公司实验测得氧化铝烧结后成瓷密度压坯密度一般为2-2.5g/cm3,（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。,（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：,（4）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。,（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（查手册）。（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：,3.模具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）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（%）。,（2）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）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（%）。,（4）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