粉末压制成形模具设计
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E—工具钢材料的弹性模量，一般可取E＝2.15×105MPa ; Pcr—产生纵向失稳的临界载荷 .
(b)选取冲头的抗弯安全系数：
对于淬硬钢冲头，一般可取 P/Pcr≤n＝2～3 (c)确定冲头最大允许长度： L≤(2∏EJmin/nP)1/2 (17) (18)
坯料
压制坯外 尺寸
_ 三 、压制力与凹模预应力圈尺寸 p:金属粉末平均单位流动压力，由压制 实验曲线或实际经验确定 F:压制坯截面积 1.压制力、顶出力和设备吨位 n:压制模中型腔数量(对一次多件压制)
P＝nF
PT＝CpP Pout＝μFcpc
(6)
(7)
Cp—压力机吨位裕度系数，Cp＝1.25～1.30 压制后制件的顶出力由侧压力pc、粉体侧表 面面积Fc和粉体与模壁的摩擦系数μ(＝0.1～ 0.2)确定
H0—总装料高度
hh—上冲头导入长度hl—下冲头导入长度 对于固定式结构，由于凹模本身沿高度方向具有分 配粉料的作用，因此可以不考虑上、下冲头的导入部分 (见图1b)，则 Hd＝H0 (5)
2.凹模型腔与芯棒工作尺寸
凹模型腔的工作尺寸主要决定于粉末零件 的外尺寸，同时必需考虑粉末体在压制、烧结、 后续精压等工序这些外尺寸变化，以及凹模最 大允许磨损量；
冲头调节；
(3)固定式：专用压力机上大批量金属粉末件压制成 形所采用的结构型式。
2.模具封闭高度
如图3所示，当采用固定式模具 结构时，上冲头既可采用固定 式，也可采用浮动式。 其总高度可确定为： Lh＝hht+h1+h2。 (12) 式中： hht,hlt—上、下冲头固定板的厚度 h1,h4—分别为上冲头压制和下冲 头顶出行程 h2—压力机在下死点时凹模上端面 与上冲头固定板下端面之间的距离 h3—下冲头导入凹模筒部分的长度
上述回弹与收缩量等的相对值可按下式换 算成绝对值：
lp=αp· /100; b
lrp=αrp· b/100;
(1)
(2)
ε = β· b/100
式中：b—制件的线尺寸
(3)
αp，αrp，β值预先给出。
2.确定压制成形方法
具备了上述技术资料和数据后，可根据实际
生产条件，选择压制设备型式以及相应的压制方
压制坯在垂直于压制 压制坯面积Fp(cm2) 方向的平面的投影面 积 压制坯体积Vp(cm3) 压制坯质量Gp(kg) 装粉质量G0(kg) 压制坯高度Hp(mm) Vp＝(1+ξ/100)Ve Gp＝ρpVp G0＝CmGp Hp＝H-lp+ε+Δm
装粉高度H0(mm)
H0＝KρHp
Kρ—粉末压实系数， Kρ＝ρp/ρ0
芯棒工作尺寸(mm) 计算公式与说明
表凹 2模 金型 属腔 粉与 末芯 压棒 制的 成工 形作 模尺 具寸
型腔名义 尺寸
芯棒名义 尺寸
芯棒最大 允许尺寸
dn＝dmax-lp±ε±ηrp±lrp dmax—芯棒最大尺寸
dn′＝dmin-lp±ε±ηrp±lrp dmin＝d+δl—芯棒最小允许尺寸 d—零件孔径；δ1—孔径下偏差
二 、凹模与芯棒的工作尺寸
1、凹模总高度
所确定的尺寸包括凹模总高度、 凹模型腔及芯棒的工作尺寸
凹模各段的装料高度应与制件中相对应的各段高度成比例，以保证压 制坯密度分布均匀化。而凹模的总高度则主要取决于其装料高度，同时还要 考虑上、下冲头进入凹模的导向部分，如图1a所示。
Hd＝H0+hh+hl 式中Hd—凹模总高度 (4)
芯棒磨损余 量
Δd＝dn′-dn-δa δa—芯棒尺寸实际偏差量
后续精压芯 drp＝dmax±lrp 棒直径(孔 “+”—精压后回弹使孔径减小时 件) “-”—精压后回弹使孔径增大时 烧结坯内尺 寸 压制坯内尺 寸 ds＝drp±ηrp “+”—为负偏差精压时 “-”—为正偏差精压时 dp＝ds±ε “+”—烧结后内尺寸减小时 “-”—烧结后内尺寸增大时
同样，下冲头的总高度为： Ll＝hlt+h3+h4 (13)
3.模具受力件的强度校核
(1)冲头一般处于压应力状 (2)对支承模座和固定板也需
态，其强度校核式为：
ζ＝P/Fmin≤［ζ］ (14)
进行抗压强度校核：
ζ＝P/F≤［ζ］ (15)
式中:P—金属粉末压制力 Fmin—冲头最小截面积 ［ζ］—淬硬钢许用压应力
法，并选好压制方向。
3.压制坯的计算 压制坯的计算，其实质就是根据所加工的粉 末零件，决定压制坯的体积、质量和相关尺寸， 以确定压制凹模型腔的尺寸和检验压制坯的尺寸 精度。
表1金属粉末压制成形坯料计算
计算内容 定义或计算公式 有关说明
ξ—相对质量损耗量； Ve—零件体积 ρp—压制件平均密度 系数Cm＝1.02～1.05，考虑 了装粉及压制时的质量损失 H—粉末零件尺寸， Δm—机加工余量， lp，ε的意义见上
(8)
pc＝Ccρmp
2.凹模预应力圈尺寸
为了提高压制成形模具的寿命，并 保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预 应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于 压制时凹模内壁所承受的侧压力大小。 对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公 式估算： pc＝Ccρmp (9) 式中Cc＝0.00725，m＝6.8
而预应力圈的尺寸，必须保证凹模具有最大刚度，设凹模筒内半径为r1， 则有： 当pc≤200MPa时，
r2＝2r1,r3＝4r1
当pc＞200MPa时： r3＝(pc/140+0.67)r1, r2＝(r1 r3) ½
(10a)
(10b)
此时，凹模与预应力圈的过盈量为：
△=2pcr2/E
(11)
四 、压制模具的结构设计及其强度校核
1.模具结构形式
(1)组合式：适用于批量不大的金属粉末件压制成形 ，凹模内各段的装粉高度由相应的冲头垫块来调节； (2)固定式：适用于在通用压力机上小批量金属粉末 件压制成形，凹模内各段的装粉高度由浮动模座上的
通常，与冲头模座投影面积
相当的中间固定板其厚度可 取5～8mm。
(3)当细长型冲头(多为下冲头)和芯棒的长径比L/d≥3时，还需进行抗弯
强度校核 (a)计算纵向弯曲失稳临界载荷
Pcr=2∏EJmin/L2
位置和距离 ;
(16)
L—冲头自由部分的长度，等于从冲头固定板到冲头导入凹模部分中间
Jmin—冲头最小截面矩 ;
粉末压制成形模具设计 李文虎
一 、金属粉末的工艺特性和材料性能参数 与压制坯计算
1.金属粉末的工艺特性和材料性能参数
在制定金属粉末压制成形工艺时，其基本特性参数有:
(1)粉末松装(或摇实)密度，即压制前金属粉末在凹模
内的平均密度ρ0； (2)粉末的可压缩性，按实验数据或有关标准确定； (3)粉末的可变形程度，按实验数据或有关标准确定； (4)粉末流动应力。
压制 模具
型腔最大 允许尺寸
后续 精压
型腔磨损 余量 型腔名义 尺寸
型腔最大 允许尺寸 烧结坯外 尺寸
ΔD＝Dn′-Dn-δA δA—型腔尺寸实际偏差量 Drpmin＝Dmin-lrp
Drpmax＝Dmax-lrp Ds＝Dmin±ηrp “+”—为正偏差精压时 “-”—为负偏差精压时 Dp＝Ds±ε “+”—粉体烧结后收缩时 “-”—粉体烧结后膨胀时
而芯棒的工作尺寸则主要取决于零件的内
尺寸，同样也要考虑其内尺寸在各工序的变化， 并按零件的上极限偏差确定，以保证芯棒留有 最大的磨损余量。具体计算如表2所示。
凹模型腔工作尺寸(mm) 尺寸名称 计算公式与说明 Dn＝Dmin-lp±ε±ηrp Dmin—零件最小允许尺寸 ηrp—后续精压余量 Dn′＝Dmax-lp±ε±ηrp Dmax—还需知道以下 参数： (1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp； (2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相 对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示； (3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量 ε表示； (4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用 相对值ζ表示； (5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相 对值η表示。
(b)选取冲头的抗弯安全系数：
对于淬硬钢冲头，一般可取 P/Pcr≤n＝2～3 (c)确定冲头最大允许长度： L≤(2∏EJmin/nP)1/2 (17) (18)
坯料
压制坯外 尺寸
_ 三 、压制力与凹模预应力圈尺寸 p:金属粉末平均单位流动压力，由压制 实验曲线或实际经验确定 F:压制坯截面积 1.压制力、顶出力和设备吨位 n:压制模中型腔数量(对一次多件压制)
P＝nF
PT＝CpP Pout＝μFcpc
(6)
(7)
Cp—压力机吨位裕度系数，Cp＝1.25～1.30 压制后制件的顶出力由侧压力pc、粉体侧表 面面积Fc和粉体与模壁的摩擦系数μ(＝0.1～ 0.2)确定
H0—总装料高度
hh—上冲头导入长度hl—下冲头导入长度 对于固定式结构，由于凹模本身沿高度方向具有分 配粉料的作用，因此可以不考虑上、下冲头的导入部分 (见图1b)，则 Hd＝H0 (5)
2.凹模型腔与芯棒工作尺寸
凹模型腔的工作尺寸主要决定于粉末零件 的外尺寸，同时必需考虑粉末体在压制、烧结、 后续精压等工序这些外尺寸变化，以及凹模最 大允许磨损量；
冲头调节；
(3)固定式：专用压力机上大批量金属粉末件压制成 形所采用的结构型式。
2.模具封闭高度
如图3所示，当采用固定式模具 结构时，上冲头既可采用固定 式，也可采用浮动式。 其总高度可确定为： Lh＝hht+h1+h2。 (12) 式中： hht,hlt—上、下冲头固定板的厚度 h1,h4—分别为上冲头压制和下冲 头顶出行程 h2—压力机在下死点时凹模上端面 与上冲头固定板下端面之间的距离 h3—下冲头导入凹模筒部分的长度
上述回弹与收缩量等的相对值可按下式换 算成绝对值：
lp=αp· /100; b
lrp=αrp· b/100;
(1)
(2)
ε = β· b/100
式中：b—制件的线尺寸
(3)
αp，αrp，β值预先给出。
2.确定压制成形方法
具备了上述技术资料和数据后，可根据实际
生产条件，选择压制设备型式以及相应的压制方
压制坯在垂直于压制 压制坯面积Fp(cm2) 方向的平面的投影面 积 压制坯体积Vp(cm3) 压制坯质量Gp(kg) 装粉质量G0(kg) 压制坯高度Hp(mm) Vp＝(1+ξ/100)Ve Gp＝ρpVp G0＝CmGp Hp＝H-lp+ε+Δm
装粉高度H0(mm)
H0＝KρHp
Kρ—粉末压实系数， Kρ＝ρp/ρ0
芯棒工作尺寸(mm) 计算公式与说明
表凹 2模 金型 属腔 粉与 末芯 压棒 制的 成工 形作 模尺 具寸
型腔名义 尺寸
芯棒名义 尺寸
芯棒最大 允许尺寸
dn＝dmax-lp±ε±ηrp±lrp dmax—芯棒最大尺寸
dn′＝dmin-lp±ε±ηrp±lrp dmin＝d+δl—芯棒最小允许尺寸 d—零件孔径；δ1—孔径下偏差
二 、凹模与芯棒的工作尺寸
1、凹模总高度
所确定的尺寸包括凹模总高度、 凹模型腔及芯棒的工作尺寸
凹模各段的装料高度应与制件中相对应的各段高度成比例，以保证压 制坯密度分布均匀化。而凹模的总高度则主要取决于其装料高度，同时还要 考虑上、下冲头进入凹模的导向部分，如图1a所示。
Hd＝H0+hh+hl 式中Hd—凹模总高度 (4)
芯棒磨损余 量
Δd＝dn′-dn-δa δa—芯棒尺寸实际偏差量
后续精压芯 drp＝dmax±lrp 棒直径(孔 “+”—精压后回弹使孔径减小时 件) “-”—精压后回弹使孔径增大时 烧结坯内尺 寸 压制坯内尺 寸 ds＝drp±ηrp “+”—为负偏差精压时 “-”—为正偏差精压时 dp＝ds±ε “+”—烧结后内尺寸减小时 “-”—烧结后内尺寸增大时
同样，下冲头的总高度为： Ll＝hlt+h3+h4 (13)
3.模具受力件的强度校核
(1)冲头一般处于压应力状 (2)对支承模座和固定板也需
态，其强度校核式为：
ζ＝P/Fmin≤［ζ］ (14)
进行抗压强度校核：
ζ＝P/F≤［ζ］ (15)
式中:P—金属粉末压制力 Fmin—冲头最小截面积 ［ζ］—淬硬钢许用压应力
法，并选好压制方向。
3.压制坯的计算 压制坯的计算，其实质就是根据所加工的粉 末零件，决定压制坯的体积、质量和相关尺寸， 以确定压制凹模型腔的尺寸和检验压制坯的尺寸 精度。
表1金属粉末压制成形坯料计算
计算内容 定义或计算公式 有关说明
ξ—相对质量损耗量； Ve—零件体积 ρp—压制件平均密度 系数Cm＝1.02～1.05，考虑 了装粉及压制时的质量损失 H—粉末零件尺寸， Δm—机加工余量， lp，ε的意义见上
(8)
pc＝Ccρmp
2.凹模预应力圈尺寸
为了提高压制成形模具的寿命，并 保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预 应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于 压制时凹模内壁所承受的侧压力大小。 对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公 式估算： pc＝Ccρmp (9) 式中Cc＝0.00725，m＝6.8
而预应力圈的尺寸，必须保证凹模具有最大刚度，设凹模筒内半径为r1， 则有： 当pc≤200MPa时，
r2＝2r1,r3＝4r1
当pc＞200MPa时： r3＝(pc/140+0.67)r1, r2＝(r1 r3) ½
(10a)
(10b)
此时，凹模与预应力圈的过盈量为：
△=2pcr2/E
(11)
四 、压制模具的结构设计及其强度校核
1.模具结构形式
(1)组合式：适用于批量不大的金属粉末件压制成形 ，凹模内各段的装粉高度由相应的冲头垫块来调节； (2)固定式：适用于在通用压力机上小批量金属粉末 件压制成形，凹模内各段的装粉高度由浮动模座上的
通常，与冲头模座投影面积
相当的中间固定板其厚度可 取5～8mm。
(3)当细长型冲头(多为下冲头)和芯棒的长径比L/d≥3时，还需进行抗弯
强度校核 (a)计算纵向弯曲失稳临界载荷
Pcr=2∏EJmin/L2
位置和距离 ;
(16)
L—冲头自由部分的长度，等于从冲头固定板到冲头导入凹模部分中间
Jmin—冲头最小截面矩 ;
粉末压制成形模具设计 李文虎
一 、金属粉末的工艺特性和材料性能参数 与压制坯计算
1.金属粉末的工艺特性和材料性能参数
在制定金属粉末压制成形工艺时，其基本特性参数有:
(1)粉末松装(或摇实)密度，即压制前金属粉末在凹模
内的平均密度ρ0； (2)粉末的可压缩性，按实验数据或有关标准确定； (3)粉末的可变形程度，按实验数据或有关标准确定； (4)粉末流动应力。
压制 模具
型腔最大 允许尺寸
后续 精压
型腔磨损 余量 型腔名义 尺寸
型腔最大 允许尺寸 烧结坯外 尺寸
ΔD＝Dn′-Dn-δA δA—型腔尺寸实际偏差量 Drpmin＝Dmin-lrp
Drpmax＝Dmax-lrp Ds＝Dmin±ηrp “+”—为正偏差精压时 “-”—为负偏差精压时 Dp＝Ds±ε “+”—粉体烧结后收缩时 “-”—粉体烧结后膨胀时
而芯棒的工作尺寸则主要取决于零件的内
尺寸，同样也要考虑其内尺寸在各工序的变化， 并按零件的上极限偏差确定，以保证芯棒留有 最大的磨损余量。具体计算如表2所示。
凹模型腔工作尺寸(mm) 尺寸名称 计算公式与说明 Dn＝Dmin-lp±ε±ηrp Dmin—零件最小允许尺寸 ηrp—后续精压余量 Dn′＝Dmax-lp±ε±ηrp Dmax—还需知道以下 参数： (1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp； (2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相 对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示； (3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量 ε表示； (4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用 相对值ζ表示； (5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相 对值η表示。