浅析硬质合金棒材压制模具的设计

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M anagement and other 浅析硬质合金棒材压制模具的设计
彭 聪
摘要：硬质合金是由难熔性金属的硬化物与黏结金属通过一定技术手段制成的合金材料，它的硬度高，耐磨性和韧性都非常好，即便是在1000℃的温度中，硬度依然很高。

由于此类材料的优势突出，因此在我国的汽车、钢铁以及交通运输等众多行业中都有非常广泛的应用。

但是由于我国硬质合金工业的起步比较晚，在压制模具方面还有很多不足，需要不断提升自身的技术水平，为我国工业发展提供技术支持。

本文主要介绍了硬质合金棒材压制模具的原理，并对模具设计的关键因素和内容进行了重点分析，以此来改进模具结构，提高工艺水平，延长模具的使用寿命。

关键词：硬质合金；棒材；压制模具
硬质合金凭借自身的优势，在机床道具、采掘工具以及各种成型装置中的应用都非常广泛，其中应用比较多的就是机床刀具材料，例如车刀、刨刀等，它们能够完成各种钢材的切割。

例如自蔓延高温合成技术，已经作为新的材料制备技术而深受大家关注。

该技术的应用合成过程更加简单，耗能低，不需要额外再提供其他能量，而且反应温度比较高，能够将反应物中的杂质充分挥发出去，获得性能更好的原材料。

我国也要在各种先进方法的基础上，不断提升硬质棒材的加工质量，为我国工业发展做出更多贡献。

1 硬质合金棒材压制模具的成型原理
当混合材料通过模拟鉴定没有任何问题之后，就可以正式进入硬质压制成型的阶段，由于硬质合金的主要成分是WC和TiC等硬质相，它们的硬度和抗压强度都很高，在压制过程中很难成型，需要添加成型机，以此来提高材料的流动性和润滑性，加速粉末的黏结，使压坯密度分布更加均匀，以便于后期的加工。

当压坯脱模时，即是将压力除去，由于弹性内应力产生的松弛作用而造成体积膨胀现象，统称为弹性后效。

压坯的三大缺陷分别是分层、裂纹和未压好，是对于工作人员而言，尽量降低缺陷问题十分重要。

首先是混合料的成分，弹性后效值会随着粉末硬度的提高而提升；如果粉末粒度比较细、颗粒之间黏结性比较差等都会导致弹性后效增大。

由此可见，提高压坯强度的措施都会降低弹性后效，但是所有提高粉末之间内力的因素，就会增加弹性后效值。

2 硬质合金棒材压制模具设计的关键因素
2.1 压力机种类
硬质合金棒材压制模具制造中比较常用的压力机有液压机和机械压力机两种，其中液压机的结构比较简单，能够对加压速度和保压时间进行科学合理的调整，但是压制的速度不是非常快，在大制品和复杂程度的压坯上应用更多。

机械压力机又可以分为杠杆式和凸轮式，操作十分灵活，压制速度也比较快，效率也很高。

设计人员在进行压制模具设计时，要根据产品的形状和作用选择更加合理的模具结构，对于压力机种类的选择也非常重要。

2.2 压坯的收缩系数
压制模具在进行计算压坯尺寸设计时，一定要考虑到压坯的收缩系数，正常情况下是以压制压坯时不出现分层的最大密度为原则来制定收缩系数。

此时硬质合金棒材的密度越细，收缩系数也就越大。

对于混合料而言，含钴量对于收缩系数的影响比较大，可以通过加入变型剂来调整收缩系数，使其更加符合实际要求。

2.3 模具加工精度
模具加工精度在压制模具设计中起着非常重要的作用，只有确保加工精度符合要求，才能保证产品的质量更好，能给企业带来更多的经济收益。

工作人员可以选择电火花加工和热处理等方式提升模具的精准度，使其符合设计要求。

尤其是模具表面的光洁程度，如果光洁度不达标，则容易造成压坯分层，使成品质量不合格，因此模具表面的光洁度越精细越好。

2.4 结构设计
模具的结构设计是最关键的内容，工作人员可以根据加工要求选择不同的模具结构。

第一种是整体压模结构，该结构主要由底垫阴模冲头和限制器所组成，不仅结构简单，操作方便，压制后脱模也非常容易，并且能够有效避免由于底部收缩增大而形成的尺寸减小。

第二种是带台阶和带孔的压模结构，此类结构的特点是上冲头主要由两部分组成，将其分为两次加料并同时进行加压，但是该类结
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构在脱模时比较困难，需要将外冲头用线切割机将其对称切开，才能完整的取出成品。

第三种是一端带锥度的压坯，例如人造金刚石的生产需要用到加压室和车床进行加工，在压制六面顶时，为了能够更好的解决底垫加工问题，需要将它工作端的5个面由5块拼成。

第四种是可拆压模，该类压模在硬质合金矿山刀片上的应用更常见。

在压制高度比较大的长条薄片或者形状比较复杂的压坯时，为了能够更容易脱模，就可以使用可拆压模的方式。

其中棒料模的压制就是利用可拆压模的标准器件，它能够压制一些模具所不能挤压的超粗圆棒，并降低硬质合金棒材的生产成本。

以上四种是比较常见的模型，除此之外，还有双向加压模、自压模等结构，设计人员要根据实际需求进行选择。

3 硬质合金棒材压制模具的设计内容和工艺流程
3.1 硬质合金棒材压制模具的设计内容
3.1.1 模架
模架设计与产品制造质量息息相关，因此设计人员在设计模架时，务必要保证其强度和刚度均符合使用要求，以免在冲压过程中导致硬质合金出现变形弯曲而造成零件质量不合格。

上下模架的设计硬度要保证在25洛氏硬度到30洛氏硬度之间；导向装置的设计要确保模具在工作状态中始终能保持导向精准，一般情况下，设计人员可以采用过盈滚珠式导向，不仅精度高而且非常耐磨；横柄设计中，大多数采用的都是浮动式模柄结构，它能最大限度的降低人工误差模具质量的影响，保证产品质量。

在模架设计中，需要注意精准度一定要高，并保证滚珠导柱模架的平行度。

同时还要确定模架的使用范围，对于缝隙小而且材料薄的零件更适合使用滚珠导柱模架，在保证产品质量的基础上节约生产成本。

3.1.2 硬质合金材料
对于模具硬质合金材料的选择，设计人员要充分考虑工件形状、质量要求和薄厚程度等因素，选择最佳材料。

根据相关资料表明，钨钴类硬质合金的应用最多。

3.1.3 模具间隙
硬质合金材料的冲裁间隙和普通材料的冲裁间隙区别很大，由于硬质合金模具的刃口磨损程度更严重一些。

例如当出事间隙为0.05mm时，都进行一百万次的冲压，硬质合金材料的间隙会增加0.25mm，但是普通冲裁却不会超过0.4mm。

3.1.4 固定上下模
上下模固定方式最常用的有三种，分别是焊接法、机械固定法和热套固定法。

首先，焊接法现在已经几乎不使用了，主要是因为硬质合金的热胀系数比较低，一旦使用焊接法，极容易出现裂缝，导致模具出现故障问题。

其次，是机械固定法，利用机械设备进行固定，此时模具不会因为温度的变化而出现热胀冷缩，遇到故障问题时，处理也特别容易。

最后，是热套固定法在圆形的硬质合金中应用更广泛，加热温度能够都达到500℃，需要注意的是凹模加工应该在热套后进行，以免出现变形问题。

3.1.5 一般零件要求
硬质合金棒材模具一般零件的要求主要有以下四点，第一在卸料板上进行导向安装时，要尽量减少和刃口匹配位置的磨损。

第二在拼镶凹模底面时加入比较厚的垫片来承载压力，以免冲裁过程中出现变形问题。

第三是针对多凸模的模具，要使用固定公板将其分隔开，以便于后期的维护和修理。

第四是推件板卸料螺钉的布置要注意保证其分布平衡，当卸料板经过冲压之后，如果发现螺钉出现松动或掉落的情况后，要结合实际情况进行改进，使优化后的结构更加符合生产要求。

3.2 硬质合金棒材压制模具的工艺流程
3.2.1 硬质合金棒材毛坯工艺流程
棒材毛坯生产主要有成型车间、干燥定尺车间以及烧结车间等，其中成型车间中的模压操作主要是针对标准的铣刀钻具；而挤压则是针对非标准型号的棒材。

干燥定尺车间主要是进行材料干燥和半成品定尺。

首先，是成型车间，可以进行模压成型、挤压成型和干袋成型，模压成型是将混合料放入模具中，利用双向压力使其在模具内成型。

挤压成型是在混合料加入之后还要添加白油和黄油等添加剂，利用捏合方式挤出压料，然后再用栓塞式压机将其挤压成型。

干袋成型是将液体作为介质，使原材料成为特定的形状。

由于液体传压更加均匀稳定，因此零部件的密度也更加均匀。

其次，是干燥定尺车间，该车间主要分为干燥和定尺两部分，干燥的对象主要是挤压成型产品，工作人员将挤压后的坯料放入到干燥炉中，并使其处于真空状态，利用对加热水温度的控制，使挤压坯处于干燥状态，减轻坯料的压力，从而提高工作效率。

定尺主要是将脱蜡后的产品进行切割，使其符合生产要求，脱蜡后的废料依然可以使用，从而降低了生产成本，为企业创造更多的经济收益。

最后，是烧结车间，该车间主要是将压坯烧结成合金，通常温度能够达到1400℃。

常用的烧结方法有一次烧结和分段烧，分段烧结是先采用烧结的方法，去除成型剂之后，将预烧产品的半成品定尺后，再将其烧结成合金。

一次烧结则是一次完成脱蜡和烧结，使其成为合金，当其成型之
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后再将成型剂回收。

3.2.2 硬质合金棒材成品工艺流程
合金棒材成品主要包括毛坯的粗磨和精磨，再将棒材进行精加工，最终完成产品的加工，并将其入库。

精磨需要很多机床进行相互配合才能完成操作，而且不同零件的加工方式和工艺也有很大差别，但是基本都需要进行通磨和切入磨。

通磨的产能相对比较大，因此更适合短棒产品；而切入磨更适合长度较长的棒材，工作人员可以根据实际情况进行选择。

接下来是喷砂，该步主要是将棒材表面的毛刺去掉，以白刚玉为原料，利用压缩空气所形成的高速喷射束来完成棒材的表面处理，将毛刺、钻皮和其他杂质全部去掉。

去除杂质后，再对其进行粗磨，将多余的余量去除掉，使其与成品尺寸要求相接近。

然后利用切割机，将棒材切割成所需要的尺寸。

最后是半精磨、清洗和检验，半精磨主要是针对尺寸和圆度进行控制，并使其还能存在一定的余量完成后续的精加工。

在此期间，根据不同器具的要求完成倒角工作。

精磨主要是严格按照相关要求进行操作，明确棒材尺寸等各项指标，使其符合图纸的质量要求。

当以上步骤全部完成之后，要将表面的杂质清洗干净，并对其进行质量检测，确认没有任何问题之后将合格品打包入库。

4 硬质合金棒材压制模具设计的应用案例
4.1 设计流程
第一步是设计挤压嘴，挤压嘴是整个模具设计中最重要的部分。

设计人员要先确定挤压角，通过对硬质合金的棒、管等型材的研究发现，当挤压角度在45°左右时，挤压的压力处于最小状态；当角度逐渐增大，在45°～90°之间时，压力的增加程度比较小。

但是当角度在45°之内时，由于粉末和挤压嘴之间的摩擦力不断增加，导致挤压压力也在不断增大。

第二步是外模设计，当挤压压头在推动粉末下移的过程中，为了避免粉末溢出，压头和内壁之间的配合务必要精准无误，二者之间的间隙不能超过0.5mm，使其既能完成推动粉末，还能减少粉末溢出，同时还有利于压制过程中的气体排出。

针对压头高度的设计，应该高出外模平台至少0.5mm。

第三步是芯杆设计，芯杆是整个模具设计中形成冷却孔的关键。

因此在设计过程中，直径不能过大，只要能够满足强度和刚度的要求即可。

另外芯杆的长度不能过长，以免出现堵塞喷口的问题。

与此同时还要使用定位鞘进行芯杆定位，避免出现芯杆偏移。

第四步是质量控制，粉末硬质合金棒材压制模具的生产逐渐朝着高效、优质而且使用寿命长的方向发展。

只有做好质量控制，使模具的尺寸和精度设计符合实际要求，才能进行大量推广与使用。

因此设计人员必须要选择合适的材料，科学的技术，才能使其符合当前的要求。

在选择材料时，设计人员要结合具体情况进行分析，例如当生产批量比较大时，要选择耐磨性能更好的材料，类似高速钢；如果批量比较小，则使用碳素工具钢即可。

对于形状比较复杂的产品而言，要选择容易加工，而且热处理变形小的合金工具钢。

4.2 模具实验
进行实验的目的主要是为了明确模具设计和生产中，注射粉末成型工艺的因素，于是要进行两个实验，通过实验结果分析出原材料中氧化剂和脱模速率对工艺的影响。

通过对实验结果的分析，设计人员发现，在选择催化剂方面，主要有两种类型。

第一种是硝酸，它是一种强氧化性酸，气体挥发性比较强。

当其处于正常脱除粘结剂的前提下，硝酸不会沉淀在零件的毛细管孔内，也不会和金属粉末发生原料，但是对于容易氧化的粉末而言就有所不同，这些粉末会和硝酸蒸汽发生反应，不利于脱粘结剂反应的进行。

为了避免此类问题的发生，第二种是草酸，设计人员将硝酸换成草酸，草酸在室温状态下是固态，特别适合用于易氧化和易生成硝酸盐粉末的原料，增加了原料的选择范围。

设计人员对不同的原料粉末在两种不同催化剂的作用下的脱粘结剂效果进行了测试，结果显示铁粉等颗粒所制成的注射成形零件具有非常高的脱除速率，能够达到每小时三毫米；钴粉的混合原料反应却几乎停滞不前，主要是因为钴粉中的硝酸盐影响了反应进行。

而草酸作为催化剂时，几乎所有粉末都没有被氧化，说明其更符合模具的制作要求，由此可以看出草酸更适合作为催化剂使用。

5 结语
硬质合金棒材压制模具的成型方法有很多种，例如自蔓延高温合成技术和挤压成型工艺等，都能提高硬质合金棒材的成型质量，但是工作人员在进行模具设计时，要结合生产要求，选择更加符合实际需求的成型技术。

在设计过程中要选择合适的压力机，科学设置压坯的收缩系数，重视模具加工精度，根据产品要求设计模具结构，为硬质合金棒材压制模具设计的发展提供有力的技术支持。

本文通过介绍硬质合金棒材压制模具设计的关键因素和设计流程，希望能够提高模具的生产效率，减少损耗，降低生产成本，为我国制造业的可持续发展做出更多贡献。

（作者单位：江西智府科技有限公司）
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