粉末冶金模具设计教学案例

关连2020/9/25
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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。
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 2020/9/25
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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。
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
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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 杆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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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；
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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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。
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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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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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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。
(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
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精整压力计算与外箍内时相同；
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
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%
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)
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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•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；
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
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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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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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 2020/9/25
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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