粉末冶金模具设计

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
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25%时，可以采用整体模冲来压制。
m：阴模外径与内径之比； ρ：压坯的相对密度 当相对密度为：0.80~0.85时，m=2~4，可粗略 估算：
对于铁基：P侧剩=0.18~0.20P 对于铜基： P侧剩=0.20~0.22P
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•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；
形状完整，具有一定强度
3.5 压制过程的图示
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•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 性后效，侧压力会下降35~77%
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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 2019/12/1
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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 2019/12/1
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相邻台阶的孔隙率差：
θ1-θ2=(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
铁基制品的孔隙度 ~10 11~15 16~30 >30
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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。
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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。
采用添加润滑剂、振动装粉、过量装粉和吸入装 粉方法可以消除拱桥现象。
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
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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
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选择原则
•(S侧阴+S侧芯)/S<K或者圆筒形压坯h/T<K/2时，可 采用单向压制；
•(S侧阴+S侧芯)/S>K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，可采用双向压制；
•(S侧阴+S侧芯)/S>K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
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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 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ与粉末之间的摩擦力带动粉末向下移动。
[(S侧阴-S侧芯)/S]max=[1-(ρ下/ρ上)m]/μξ=K 对于圆筒形压坯的高与壁厚之比：
h/T=K(1+D内/T)/2 摩擦芯杆压制特别适合于大孔薄壁压坯
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•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-(ρ下/ρ上)m]/μξ=K
当柱状压坯S侧/S<K或者圆柱体压坯高径比 H/D<K/4时，采用单向压制可以满足压坯密度 分布均匀性的要求
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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
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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。
为减少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。
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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：
x
a2 b2
2
斜面的装粉高度：Hx=kx
从斜面短边到x线的距离：
lxb

x a
b b
lab
中等密度(6.3~7.1g/cm3)的斜面压坯：
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=d1h1 x=h1-h
d粉H粉=d1(h+x) ∴x=(d粉H粉-d1h)/d1 第二次压制后：d粉H粉=dh
d粉=d ·h/H粉 x=(d-d1)h/d1; k=H粉/h=(l+h)/h ∴x=(d-d1)l/d1(k-1); y=x/l ·11000%
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。
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成形斜面的组合下模冲（二个模冲）的分模线：
b ac
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：
距离，用先压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。 2019/12/1
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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；
装2019系/12/1数应比高度小的横截面上大0.1~0.5
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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
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+μQ)+0.58σαS2
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；σ为精整件的塑性变形抗力
(三向压力)；α为阴模入口端的角度；S2为精整
区轴套的横截面积
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内胀外精整
精整压力计算与外箍内时相同；
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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＝μ静P侧剩S侧 P侧剩＝E∑R剩(m2-1)/2R
P侧剩=jξ0ρP
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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；
b3 a2d c3 ad 2
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。
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双向压制
S侧max/S=[1-(ρ中/ρ上)m]/μξ=2K
当柱状压坯K<S侧/S<2K，或者圆柱体 K/4<H/D<K/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
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压制速率η=(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
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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
粉末冶金原理及模具
材料科学与工程学院
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第3章 粉末冶金模具设计原理
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
目的
压坯：相对均匀的压实密度
3.4 组合模具的设计原理
(%)
相邻台阶允许的孔 1
2
3
5
隙度差(%)
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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/cm3
hA=20mm，hB=30mm，hC=32mm， hD=90mm
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压缩比k=d压/d粉＝2.5 HA=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)/2 HC2= (HB1+HC1)/2+(hC-hB)/2 实际压缩比：kB=HB2/hB，kC=HC2/hC
模冲形状 2019/12/1
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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
整形区的单位精整压力为
Pc=σ/[1+(S+μQ)/2S2]
在此： σ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、组织和孔隙率密切
关连2019/12/1
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•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。
当压坯斜面与垂直方向的夹角小于25°~30°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25°~30°，且 斜面很长时，应该设计组合模冲来成形斜面部分。
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•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。
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。
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•带斜面的第五类压坯
当压坯斜面与垂直方向的夹角超过25°~30°，或 者具有多个斜面和平面时，一般按照斜面和平面的 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。
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。
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