第六章+粉末冶金模设计

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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。
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2.工艺参数对压模尺寸的影响
（1）金属粉末的松装密度ρ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。
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二.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； （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。 粉末冶金模的主要零件有凹模、芯棒和模冲。
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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
（4）保证压模刚度和强度
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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。
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4.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。
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二.粉末冶金制品结构工艺性 1.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。
柱状、筒状、板状
下端有三个台阶
带外凸缘或内凸缘
上端有两个台阶 下端有三个台阶
上下端有两个台阶 17
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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 冶金制品的壁厚过小、壁厚急剧变化和尖角等。
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2.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。 压制过程包括称粉、装粉、压制和脱模等。
（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。 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： m V
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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
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（5）精整余量ΔZ 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1.0~1.5mm，磨削加工取 0.05~0.08mm。 （7）复压装模间隙b与复压压下率f
剩余侧压强可按下式计算：
p侧剩 =j p j 0 相 p
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， /(1 ) 0 ——致密材料的侧压系数，可查表6-17； 相 ——压坯的相对密度，则 = 0 相 。 27
脱模方式
装粉方式
使用范围
3
浮动压制
推出式
3； 落入法或吸入法 h / ＞4； h / D 2
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序号
压制方式
脱模方式
装粉方式
使用范围
h / ＞4； h / D 2 3；
4
浮动压制
拉下式
零腔装粉法
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序号
压制方式
脱模方式
装粉方式
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 品的技术。 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。
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 种机械制造业，并逐步地取代部分铸、锻、切削加工的零 件。
查表6-19
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（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：
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（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。
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。
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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)
复压压缩的程度常用复压压下率f表示：
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3.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：
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第一节
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 零件的一种加工方法。这种工艺有如下特点：
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。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。 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.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 1800°C以上，采用熔炼方法，会遇到融化和制备炉衬材料困难。 4.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。
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第三节
粉末冶金模的设计
一.粉末冶金模的种类及基本结构
粉末冶金模的种类很多，应用最广 泛的是压模、精整模、锻模。 把粉末压制为压坯所需模具称为压 模。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。
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）； S——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： F2=f动p侧S侧
式中 f侧——粉末与模壁的摩擦因数，可查表6-15； p侧 = p侧——单位压制压力（Mpa）， 1- p ， 为压坯泊松比； S侧——粉末与模壁接触面积（mm2）。
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。
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（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。
使用范围
h / ＞4-6； h / D 2 3；
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强动压制
拉下式
零腔装粉法
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3.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。
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序号 1 压制方式 单向压制 脱模方式 推出式 装粉方式 落入法或吸入法 使用范围
h / 3；h / D 1
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序号
压制方式
脱模方式
装粉方式
使用范围
h / ＞3；h / D ＞1 1
2
双向压制
推出式
落入法或吸入法
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序号
压制方式
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（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。
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（3）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 一致的内孔要有一定的锥度，以便脱模。
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一.粉末冶金制坯成形方法和特点 1.制粉和粉末的混合：
（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。 工业上应用最广泛的是还原法、 电解法和雾化法。 （2）粉末的混合：是指将金属 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。
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
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（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：
4.压坯密度设计
粉末冶金铁基制品密度可分为四类。
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第二节
一.压机的基本结构和分类 1.基本结构：
压机的选用
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。
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<压铸模、锻模及其他模坯 坯 1-n） K
实际生产中压坯质量可按下式计算：m V坯 坯 K
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（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。
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（3）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。