陶瓷球坯模壓成形模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈書波，李國(guó)斌，賈峻，王志偉，薛孝樂

（中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所，山東 煙臺(tái) 264003）

軸承作為機(jī)械基礎(chǔ)件，隨著陶瓷新材料技術(shù)的發(fā)展，陶瓷軸承以其耐磨、耐熱、抗腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、軍工和民用高精密裝備領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用［1］。

陶瓷球、尤其優(yōu)質(zhì)陶瓷球是制造高檔陶瓷軸承的關(guān)鍵零件，陶瓷球制備環(huán)節(jié)多、工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高，其中陶瓷球坯的成形是陶瓷球制備的基礎(chǔ)和首要環(huán)節(jié)，球坯的質(zhì)量直接影響著后續(xù)修形、精研環(huán)節(jié)的工作量，進(jìn)而決定了陶瓷球的質(zhì)量、性能及成本。因此，優(yōu)化陶瓷球坯制備工藝，壓制出質(zhì)量好、品質(zhì)優(yōu)、球形精度高的球坯是制備高品質(zhì)陶瓷球的關(guān)鍵［2］。

陶瓷球坯的成形主要有2種方式：一種是采用冷等靜壓設(shè)備應(yīng)用軟質(zhì)橡膠模具壓制成形，冷等靜壓成形的球坯質(zhì)量好、力學(xué)性能指標(biāo)高，但存在生產(chǎn)效率低、制備成本高、不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的缺點(diǎn)，適合于對(duì)陶瓷球性能和質(zhì)量要求較高、陶瓷球尺寸較大和小批量生產(chǎn)的場(chǎng)合；另一種是采用液壓或機(jī)械式壓機(jī)設(shè)備應(yīng)用鋼質(zhì)模具壓制成形，壓制的球坯質(zhì)量不如用冷等靜壓成形好，但具有生產(chǎn)效率高、制備成本低、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)陶瓷球質(zhì)量要求不太高、陶瓷球尺寸較?。ā?0 mm）和大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。

關(guān)于模壓陶瓷球坯修形加工方面的研究較多［3-5］，而有關(guān)模壓制備工藝及模具設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)不多。因此，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用液壓或機(jī)械式壓機(jī)設(shè)備，采用模壓方式壓制小尺寸陶瓷球坯的工況，分析現(xiàn)有制備工藝存在的不足，對(duì)模壓制備工藝配套的壓制模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 模壓制備陶瓷球坯工藝現(xiàn)狀

目前，常采用模壓工藝壓制陶瓷球坯，壓制模具主要由上模沖、下模沖、上模沖固定板和下模沖固定板組成。在整個(gè)陶瓷球坯壓制過程中，脫模是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中球坯從上模沖球窩中的脫模比較容易，難點(diǎn)是從下模沖球窩中脫模。

球坯壓制完成后，上模沖和上模沖固定板一起向上提起，由于球坯與陰模壁的摩擦阻力，阻止其跟隨上模沖一起向上移動(dòng)，進(jìn)而從上模沖球窩中脫離。當(dāng)下模沖向上采用頂出脫模法將球坯從陰模中頂出后，球坯仍留在下模沖球窩內(nèi)，因此，需要一定外力將其從下模沖球窩推出才能完成脫模。

傳統(tǒng)脫模大多采用側(cè)面推的方式將球坯從下模沖球窩中水平推出（圖1），球坯除受到推板的水平推力外，還受到球窩的反作用力和摩擦力。由圖1球脫模受力分析可知，下模沖球窩越接近半球形，球坯嵌入的深度越深，所受摩擦力越大，相應(yīng)的反作用力也越大且越接近于水平方向，導(dǎo)致球坯更加難以從下模沖球窩內(nèi)脫出，如果此時(shí)強(qiáng)制脫模推出，可能會(huì)造成球坯的劃痕，甚至破裂。

圖1 陶瓷球坯模壓及脫模受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of die pressing and demoulding force of ceramic ball blank

2 工藝分析

目前球坯模壓工藝中下模沖一般為一體結(jié)構(gòu)，沒有將球坯頂出球窩的頂模機(jī)構(gòu)，因此，為了便于脫模和提高成品率，只能降低球窩的深度，這樣壓制出的球坯在上、下模沖分界處會(huì)形成一段較長(zhǎng)的圓柱環(huán)帶，只有通過手工和機(jī)械方式進(jìn)行修形加工。環(huán)帶越寬，球形誤差越大，修磨量越大，不僅增加了制備成本，而且加大了造成缺陷和加工應(yīng)力集中的幾率，最終影響成品陶瓷球的精度和性能。

模壓球坯存在環(huán)帶是由模壓制備工藝特點(diǎn)和壓制模具決定的。要想減小環(huán)帶長(zhǎng)度，需要加大上、下模沖球窩的深度，使其更接近于半球形。而加深下模沖球窩的深度，將加大球坯從球窩中脫模的難度，引起缺陷增多、成品率降低。因此，保證下模沖球窩加深后球坯能順利從球窩中脫模，是優(yōu)化模壓壓制模具和制備工藝的關(guān)鍵。

3 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)及工作原理

優(yōu)化后的下模沖如圖2所示，為了方便脫模、提高成品率，在加大球窩深度、使之更接近于半球形的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制頂模機(jī)構(gòu)。

圖2 改進(jìn)后的下模沖剖面圖Fig.2 Sectional drawing of down strokingmould

下模沖由螺紋接頭、外殼、活塞、彈簧、頂模頂桿、頂?；顗K和球窩模頭組成。其中下模沖球窩由球窩模頭和頂模活塊2部分組成，旋轉(zhuǎn)螺紋接頭通過推動(dòng)活塞、頂模頂桿可以調(diào)整脫?；顗K的高度，使脫模活塊與球窩模頭完好匹配構(gòu)成球窩。

活塞、頂模頂桿、頂?；顗K和彈簧共同構(gòu)成了將球坯頂出球窩的頂模機(jī)構(gòu)，并可以用壓縮空氣及配套的氣動(dòng)閥控制驅(qū)動(dòng)?；钊晚斈ｍ敆U的密封環(huán)將外殼內(nèi)腔分為高壓和低壓區(qū)，低壓氣腔通過通氣孔與外界接通。壓縮空氣通過螺紋接頭中心孔進(jìn)入高壓氣腔，推動(dòng)活塞進(jìn)而驅(qū)動(dòng)頂模機(jī)構(gòu)向上頂出。頂模機(jī)構(gòu)的復(fù)位通過彈簧完成。

為了防止陶瓷粉塵進(jìn)入腔體造成堵塞，附帶設(shè)計(jì)了防塵功能。壓縮空氣通過頂模頂桿的2個(gè)徑向通孔進(jìn)入環(huán)形氣腔，在頂模機(jī)構(gòu)頂出球坯的同時(shí)，壓縮空氣從球窩模頭與頂?；顗K之間的縫隙排出，阻止了陶瓷粉塵的進(jìn)入。

加大球窩深度是下模沖內(nèi)部設(shè)計(jì)頂模機(jī)構(gòu)的主要目的，理論上可以制作出理想的半球形球窩，壓制出沒有環(huán)帶的球坯，但實(shí)際生產(chǎn)中，球窩模頭頂部側(cè)壁需要有一定厚度和剛度，實(shí)際球窩設(shè)計(jì)深度不能達(dá)到理想的半球形深度。

球窩模頭部徑向厚度計(jì)算如圖3所示，圖中，R為要壓制球坯的半徑；H為球窩球心到球窩頂部上表面的垂直距離；R0為球窩頂部最窄處的徑向厚度。

圖3 球窩模頭部徑向厚度計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation schematic diagram for radial thickness of mould cavity head

根據(jù)勾股定理得

整理后得

（3）式中R0的取值與實(shí)際生產(chǎn)中球窩模頭的材料性能和球窩頂部強(qiáng)度、剛度的要求有關(guān)，其反映了球坯徑向球形誤差的大小。H反映了球坯的環(huán)帶長(zhǎng)度，當(dāng)上模沖和下模沖的球窩設(shè)計(jì)相同時(shí)，球坯環(huán)帶的寬度值為2H。

4 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后陶瓷球坯制備和模具設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)行了實(shí)際陶瓷球坯的壓制。陶瓷球坯材料為氮化硅，球坯直徑為12 mm。上、下模沖和壓制的陶瓷球坯效果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后模具圖及壓制的陶瓷球坯效果圖Fig.4 Photo of improved mould and balls blanks

具體壓制過程為：

1）填粉。下模沖嵌入陰模內(nèi)，達(dá)到裝粉位置，陶瓷粉料填充到模腔和下模沖球窩內(nèi)。

2）成形。上模沖壓入陰模的芯腔，與下模沖一起壓制形成陶瓷球坯。

3）脫模。上模沖抬起，壓縮空氣接通進(jìn)入高壓氣腔，驅(qū)動(dòng)頂模機(jī)構(gòu)頂出球坯；再由側(cè)面推板機(jī)構(gòu)將球坯推出，完成陶瓷球坯的脫模。

4）復(fù)位。關(guān)閉壓縮空氣，高壓氣腔泄壓，頂模機(jī)構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位，脫?；顗K和球窩模頭貼合形成半球形模腔。

5）循環(huán)。重復(fù)上述步驟完成下一次的壓制。

5 問題探討

因沒有進(jìn)行系統(tǒng)、大量的壓制加工試驗(yàn)驗(yàn)證，只能以上述驗(yàn)證實(shí)例中壓制的氮化硅球坯為例，對(duì)模具改進(jìn)前、后各方面指標(biāo)和性能進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較。作為個(gè)案數(shù)據(jù)，不能作為結(jié)論予以引用，只是為了討論問題將其列出。

環(huán)帶寬度方面，未改進(jìn)前為3.2 mm，改進(jìn)后為1.2 mm。球坯成品率方面，根據(jù)小批量生產(chǎn)的球坯粗略統(tǒng)計(jì)，改進(jìn)后約為96%，略低于改進(jìn)前。壓制效率方面，改進(jìn)前后都為3個(gè)/min。由于沒有對(duì)改進(jìn)前后加工效率進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比試驗(yàn)，雖然頂模機(jī)構(gòu)的頂出和復(fù)位可以與上模沖抬起和下模沖嵌入陰模的動(dòng)作同步，但實(shí)際批量生產(chǎn)中為了安全起見，是否需要設(shè)定一定的延時(shí)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

球窩加深對(duì)球坯密度均勻性、應(yīng)力集中影響方面，壓制球坯樣品中沒有發(fā)現(xiàn)分層裂紋現(xiàn)象。但球窩加深是否會(huì)引起坯球密度不均勻、球頂密度降低和應(yīng)力集中，仍需進(jìn)一步深入研究。

6 結(jié)束語

通過對(duì)球坯壓制模具的優(yōu)化，加大了上、下模沖球窩的深度，優(yōu)化了陶瓷球坯模壓制備工藝，減小了環(huán)帶寬度，得到了環(huán)帶更小的陶瓷球坯，減小了陶瓷球的修形研磨工作量。

通過實(shí)際壓制驗(yàn)證了模具改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性，但只是經(jīng)過小批量試驗(yàn)生產(chǎn)驗(yàn)證，能否應(yīng)用于陶瓷球生產(chǎn)企業(yè)，并經(jīng)得起大批量、長(zhǎng)時(shí)間的工業(yè)化生產(chǎn)的考驗(yàn)，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。