粉末冶金

提高模具表面质量可以显著提高制品表面光洁 度和模具寿命，但是表面粗糙度应与机加工精 度相适宜，模具工作表面的表面粗糙度应比产 品小；
二，压坯的设计和压机选择
压坯形状设计 压坯设计 压坯精度设计 压坯密度设计
按照压坯形状复杂程度分 类： •具有二个垂直于压制方 向的平行平面压坯；
•具有一个或者多个平行 于压制方向的通孔的高压 坯和矮压坯；
压坯形状设计应考虑的方面
1，从粉末均匀充填有无困难来分析
压坯形状设计应考虑的方面
2，压制时有无困难
压坯形状设计应考虑的方面
3，脱模时有无困难
压坯受剪切力作用，应避免有薄弱部位
Baidu Nhomakorabea
压坯形状设计应考虑的方面
4，压模结构的强度和耐用
压坯形状设计应考虑的方面
5，简化压模结构和压模制造
压坯形状设计
2，沙皮偌公式，在中压与高压下，对硬粉末 适用； 3，川北公式，在低压下，对软、硬粉适用。
4，黄培云公式（双对数方程），适用范围比 较广，与实验结果较接尽。
脱模压力的计算
压坯密度分布与压制方式的关系
密度测量直观方法：分层法
密度测量直观方法：分层法
结论： 双向压 制可以 有效改 善压坯 密度的 分布
对主要模具零件材料的性能要求：高强度、高 硬度和高耐磨性，高刚度和热膨胀系数小，优 良的热处理性能和一定的韧性，机加工性能好。 •阴模：高强度、高硬度、高耐磨性和抗疲劳、 抗振动； •芯杆：与阴模基本相图，但要求更好的抗弯强 度和韧性； •冲头：良好的韧性，耐磨、抗疲劳和抗振动， 硬度可以稍低一些。
脱 粉
H ≥ H =kh=(2.2~3)h
脱 粉
压坯高度只允许为脱模行程的三分之一
其他考虑因素
•压制方式：单向或者双向压制、下拉式压制、 浮动压制和摩擦芯杆压制
•脱模方式：顶出或者下拉，有压脱模或者无 压脱模 •装粉方式：落入法、吸入法、过量装粉； 过量装粉比较好，一般选择吸入法装粉 装粉速度可以使装粉密度变化7~10%；振动 装粉效率和装粉密度最高
粉末冶金模具
湖南大学材料科学与工程学院 肖平安 博士，教授
参考书籍：
印红羽等，粉末冶金模具设计手册，机械 工业出版社
姚德超等，粉末冶金模具设计，冶金工业 出版社 王盘鑫等，粉末冶金学，冶金工业出版社
一，绪论
自下而上的材料设计思维
• 什么是粉末冶金（PM)？
制取粉末，采用成形和烧结工艺将粉 末或粉末混合物制成制品的工艺技术。
2，充分发挥粉末冶金少、无切削的工艺特点 （几何外形、精度、表面质量和密度及其分 布）；
3，注意模具结构的可加工性和模具成本问题， 合理提出加工的技术要求。
设计的基本思路
1，设计前了解相关资料
2，根据制品图纸设计坯件，选择压机和压 制方式，设计模具草图 3，模具材料的选择及要求
4，主要模具零件尺寸的计算
螺旋压机---主要应用于粉末锻造
液压螺旋压机滑块速度更高和滑块行程次数， 以及较高的压机效率，易进行程序控制和自 动化。
给定摩擦螺旋压机的转动惯量是一定的，其 打击能与滑块行程有关。 打击能只有一部分转化为粉末锻件的塑性变 形和致密化能量，其他消耗在摩擦和弹性变 形中。
脱模压力：下缸的顶出力或者下拉力必须大 于压坯需要的脱模力。
选择压制方式的依据
单向压制：当柱状 压坯S侧/ S〈K或圆柱体压坯高 径比H/D<K/4 时，采用单向压制可以满足压坯密度 分布均匀的要求（巴尔申公式）
(S侧：与模壁接触的压坯侧面积； S:压坯受压的横截面积；K= S侧/ S: 为使压坯密度分布较均匀，压坯允许的最大侧面积和正面积之比，取决 于粉末性能、压坯密度、压坯所允许的密度差、摩擦系数和侧压系数）
中小压力(单位压制力在3~4吨/厘米2)时，脱 模压力不超过压制压力的30%
普通压机下缸顶出力很小，甚至没有下缸， 需要另行安装脱模机构。
对侧面积大的零件必须核算和选择脱模压力
压机行程：压制行程、脱模行程和滑块上极 限位置到工作台面的距离 上模冲行程H =h +h
u 1 2 2
其中，h 为压缩粉末的行程，h =(k-1)h；h 为 上模冲到阴模上端面的距离，h =h +5，h 为 装粉盒的高度。
粉末机械压机：曲柄---滑块机构
实际压力与压机行程有关
压坯越高，实际压力下降越多
用压坯高度来估计压机实际能达到的压力， 一般为压机公称压力的50~90% 压坯高度h=[1/(k-1)]h ，其中压缩比k=2.2~3
受力
h≤0.15H /(1.2~2)=(0.125~0.075) H
行程
行程
使用冲床时还要注意电机的功率
缺点：大规模生产，粉末成本高，部分 产品性能差等
粉 末 冶 金 工 艺 流 程
粉子-模子-机子-炉子
粉末冶金模具设计原理
遵循一般模具的基本设计原理，但具有其特点：
1，粉末具有较高的压缩比，具有一定的流动 性，因而必须充分考虑装粉模式和填充粉的均 匀性（填充性），并考虑模具的耐磨性、耐蚀 性（强度、刚度、配合度）；
模具零件尺寸计算基本原则
坯件尺寸主要由模腔决定，一般首先计算与 模腔直接相关的尺寸(如：阴模内径、芯杆外 径、阴模高度等)，然后按照装配关系计算其 他模具零件的尺寸
关键：正确选择设计参数：弹性后效、烧结 收缩率、精整余量机、加工余量复压装模间 隙和压下率等。
模具加工的主要技术要求：
模具配合间隙、尺寸偏差、形位公差、表面粗 糙度、热处理硬度要求等。 为了保证制品精度，模具精度应高于制品精度， 主要模具零件工作面以IT5~8级精度为宜；
1，考虑总的压制压力；
2，考虑脱模的压力；
3，考虑压机的行程；
4，其它因素：压制方式，脱模方式， 装粉方式，工作台面尺寸，生产效率， 以及安全装置等等。
粉末液压机
压机公称压力大于需要的总压制力
F=PSK
其中：K为安全系数，取1.15~1.50；
P为单位压制压力
S为受压横断面积
单位压制压力取决于压坯密度和粉末压制 性能和粉末的形状、尺寸和加载方式。
2 1 1 b b
锥形装粉盒时h =0.8H ；圆柱形装粉盒时 h =1.1H ；H 为阴模高度
b d b d d
压机的上模冲行程应该大于计算H
u
工作台面与滑块上极限位置之间的距离 H与压坯高度的关系 H=H +h +h +h +h
d 1 2 3 3 4 3 4 4
其中：h 、h 分别为上模冲垫板和阴模垫 板的厚度，通常h +h =0.25H 压机顶出或者拉下的脱模行程H ，必须 大于装粉高度H ：
双向压制：当柱状 压坯K<S侧/ S〈2K或圆柱体压坯 高径比K/4<H/D<K/2 时，可以采用双向压制、拉下 式压制（巴尔申公式）
摩擦芯杆压制：对柱状带孔压坯， 当（S侧阴+S侧芯）/S〈K或圆筒形压坯h/T<K/2时， 可采用单向压制；(h:高；T:壁厚） 当（S侧阴+S侧芯）/S>K时，如果（S侧阴+S侧芯） /2〈 S侧阴-S侧芯，可采用双向压制； （S侧阴+S侧 芯）/2〉 S侧阴-S侧芯，或圆筒压坯D内> T，需要采 用摩擦芯杆压制。
•工作台面尺寸：关系模具的安装和固定
•生产效率和安全装置：机械压机的生产效 率比液压机高
高速压机要配备机械手代替人工操作，提高 安全性
三，模具设计原理
1，压制压力的计算
总压力=净压力+外摩擦力
单位压制压力与压坯密度的关系，反映了 压制过程中粉体变形和致密的规律
主要的压制理论
1，巴尔申公式，中等压力，对硬粉末和中等 粉末适用；
4，复杂形状采用组合成形法
组合成形法
组合成形法
其他: 固相扩散法 扩散结合法 挤压-压入法 树脂压入法 等等
压坯精度设计
特点： 1，粉末冶金法可以得到较高精度的零 件，并且机加工经济； 2，径向尺寸精度容易实现，轴向尺寸 精度较难控制； 3，压坯的表面光洁度主要取决于模具 工作表面光洁度，也与粉末性能和压 制工艺有关。
5，绘制模具的零件图和装配图，标注尺寸 偏差和形位公差，并绘制半成品图纸 6，根据具体情况，确定其它的加工要求
圆柱体压坯：
•高径比H/D≤1或者高壁厚比H/T ≤3:单向压制 和单向压模； •H/D>1或者3< H/T ≤4:双向压制和双向压模；
•4< H/T ≤6：采用压制时芯杆和阴模能相对移 动的压模； •H/T>6~10：采用摩擦芯杆压模，或者压制时 阴模、芯杆和上模冲能够相对下模冲移动的压 模结构。
麦子 面粉 成型 热处理 馒头
原材料
粉末
成型坯
烧结
成品
根据需要，采用（或添加）其它程序
粉末冶金的特点
一，可制取多组元材料（合金，假合金等）； 二，可制取多孔材料（过滤材料，热沉材料，减磨材 料等）； 三，可制取硬质合金和难熔材料（陶瓷等）； 四，是一种精密的少、无切削的净成形加工方法（效 率高，原材料利用率高，机加工少）。
压坯密度设计
影响制品性能、压坯形状设计和精度确定
粉末冶金铁基零件密度分类
压坯密度设计
低密度零件，形状可以复杂些，精度要求可以 高些；制取高密度零件时，形状和精度要求就 要受到限制 压坯中心与压力中心要求尽量重合 导致的问题： 会产生额外的弯矩，加剧导柱磨耗； 模冲配合不对称等
压机的选择
压机的选择：
•具有一个外法兰或者内 法兰的压坯；
•沿压制方向截面发生变 化的多台阶压坯；
•沿压制方向具有斜面和 曲面的压坯。
压坯形状设计
采用粉末冶金零件，，除了技术上 外，还要考虑零件形状是否适合压 制成形 考虑技 术特点取消 具有新特点、 含油槽 粉末冶 补充 轴套 金制备 加工 油槽 新用途的轴套 既要充分发挥粉末冶金工艺的特色，又要避 免压坯中出现不可压和难压的形状