雙向壓制自動(dòng)脫料模設(shè)計(jì)探討

肖程暉，陳 飛，嚴(yán)永林，王家源，劉叢昊，孫鵬敏

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 現(xiàn)有壓制方式分析與改進(jìn)方案

1.1 現(xiàn)有壓制方式的不足

所有的壓機(jī)模具都是凹凸模形式，在壓制物料的過程中，常見的運(yùn)動(dòng)是凹模相對(duì)機(jī)座靜止不動(dòng)，凸模由上向下（或反向由下向上）運(yùn)行，逐漸將物料壓實(shí)。在整個(gè)壓制的過程中，由于粉末顆粒的相互摩擦、楔住，以及粉末體呈現(xiàn)出類似流體的行為，將正壓力向各個(gè)方向傳遞，引起了垂直于模壁的側(cè)壓力，帶來摩擦損耗，導(dǎo)致粉末所受壓力分布的不均勻，高度上存在顯著的壓力降，中心部位與邊緣部位也存在壓力差，壓坯各部分的致密化程度有很大差異，這就意味著成品的應(yīng)用面沒有那么廣。

整機(jī)多動(dòng)力實(shí)現(xiàn)壓制和脫模意味著需要設(shè)計(jì)另一動(dòng)力輸出裝置（例如復(fù)合液壓缸），將壓制好的物料從凹模中頂出實(shí)現(xiàn)脫模。這樣的缺陷主要有：

（1）脫模所需要的壓力并不大，按照《粉末冶金模具設(shè)計(jì)手冊(cè)第2版》給出的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)中一般鐵粉壓坯脫模壓力約為壓制壓力的0.13倍，硬質(zhì)合金粉壓坯約為壓制壓力的0.3倍，故質(zhì)地柔軟得多的農(nóng)林剩余物粉末，其壓坯脫模壓力不超過壓制壓力的0.1倍，采用單獨(dú)的一套液壓機(jī)構(gòu)將物料頂出，不僅比較浪費(fèi)，還會(huì)造成個(gè)機(jī)器復(fù)雜性的增加。

（2）壓制壓力經(jīng)過傳遞、損耗，依然會(huì)有相當(dāng)一部分作用于頂出物料的機(jī)構(gòu)，造成破壞是必然的。

（3）常規(guī)壓制、脫模方案需要退出凸模之后再頂出壓坯，然后再次加料壓制；或者是不退出凸模，采用復(fù)合液壓缸二次運(yùn)動(dòng)頂出壓坯，再退出加料。都存在一個(gè)脫料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，效率偏低。

1.2 改進(jìn)方案

針對(duì)以上不足，為了均勻成品密度、提升成品品質(zhì)，同時(shí)簡(jiǎn)化壓機(jī)設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率，本文在浮動(dòng)陰模的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的能夠?qū)崿F(xiàn)單向脫料的模具，如圖1所示。

彈簧支承下的陰模會(huì)在壓制側(cè)壓力產(chǎn)生的摩擦力作用下隨上凸模向下運(yùn)動(dòng)一段距離，則物料相當(dāng)于受到上下兩端的壓制力，均勻了壓坯高度上的密度分布，提高了部分品質(zhì)，如圖2所示。

圖1 浮動(dòng)壓制與單向脫料方案示意圖

圖2 單項(xiàng)壓制與雙向壓制壓坯密度沿高度方向的分布

上凸模退出時(shí)，下凸模被一起運(yùn)動(dòng)的下限位塊卡住隨之向上運(yùn)動(dòng)，而陰模因?yàn)樯舷尬粔K的作用，不會(huì)隨壓坯一直向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)陰模被上限位塊卡住時(shí)，下凸模便可以將壓坯向外完全頂出，實(shí)現(xiàn)油缸回程脫料。

當(dāng)油缸卸荷時(shí)，上凸模、下凸模和陰模在重力的作用下下降，失去下限位塊限制的下凸模會(huì)落到模砧上，而失去下凸模托板托舉的陰模會(huì)落到支撐彈簧上，此時(shí)上凸模下工作面與陰模端面之間會(huì)存在一定間隙，可以用于向陰模中加料。

此方案利用模具零件之間的托舉、限位，以及側(cè)壁摩擦與彈性支承，僅依靠單個(gè)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了裝料、雙向壓制、脫料動(dòng)作的良好銜接，同時(shí)擁有良好的適應(yīng)性，對(duì)壓機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸均無過多要求。

2 雙向壓制單向自動(dòng)脫料壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

圖3 壓模結(jié)構(gòu)圖

圖4 壓模軸向尺寸定義

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向壓制單向自動(dòng)脫料壓模主要由上模架、上固定板、上凸模、導(dǎo)柱、限位塊、彈簧、下模架、下固定板、模砧、下凸模托板以及陰模組成，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中上下兩組，每組兩根導(dǎo)柱4的末端均有限位塊6，限位塊的上下面均有限位塊墊片5，與下凸模墊片12是同樣的橡膠材質(zhì)，起到緩沖保護(hù)的作用。

導(dǎo)柱4的另一端車有螺紋，直接擰入上下模架的內(nèi)螺紋中；模架與固定板之間采用兩組6根沉頭螺釘連接，不影響燕尾槽的裝配；上下凸模、模砧與固定板、托板之間也是采用沉頭螺釘連接，方便針對(duì)不同尺寸的壓坯更換不同的壓模。

上下兩對(duì)導(dǎo)柱采用相互垂直平面分布的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)較示意圖所示的同平面平行分布更加緊湊，同時(shí)陰模依然有四根導(dǎo)柱進(jìn)行導(dǎo)向，穩(wěn)定性沒有降低。

2.2 工作原理

為了便于描述我們將整個(gè)模具分化成四個(gè)主要的共動(dòng)組部件，上模架1、上固定板2、上凸模3、上導(dǎo)柱4組成上運(yùn)動(dòng)組，陰模14為單獨(dú)的陰模運(yùn)動(dòng)組，下凸模托板11、下凸模墊片12、下凸模13組成下運(yùn)動(dòng)組，模砧8、下固定板9、下模架10和下導(dǎo)柱4組成靜止組。

上運(yùn)動(dòng)組通過燕尾槽或T型槽安裝在壓機(jī)滑塊上，靜止組通過同樣方式安裝在壓機(jī)工作臺(tái)上。系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)，溢流閥卸荷，油路無壓力，陰模在重力作用下壓在靜止組彈簧上，同時(shí)通過上導(dǎo)柱彈簧支撐上運(yùn)動(dòng)組，此時(shí)上運(yùn)動(dòng)組、陰模和靜止運(yùn)動(dòng)組三者之間呈浮動(dòng)平衡狀態(tài)。下運(yùn)動(dòng)組落在模砧上，上導(dǎo)柱限位塊與托模板接近但不接觸。

將物料從陰模與上凸模之間的空間加入陰模中，控制換向閥給油路加壓，開始?jí)褐?。物料將正壓力向各個(gè)方向傳遞，在粉末與陰模壁之間產(chǎn)生摩擦，當(dāng)側(cè)壁摩擦力大于下導(dǎo)柱彈簧彈力時(shí)，陰模會(huì)隨著上凸模的壓制下降，相當(dāng)于下凸模向上壓制，使得物料上下兩端受壓，實(shí)現(xiàn)雙向壓制。

保壓環(huán)節(jié)過后，液壓缸回程，上運(yùn)動(dòng)組向上運(yùn)動(dòng)，上凸模松開壓坯，退出陰模，同時(shí)上限位塊卡住下凸模托板11，帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)組向上運(yùn)動(dòng)。下凸模上端面頂住壓坯，由于壓坯的彈性后效、物料本身的黏性產(chǎn)生的壓坯與陰模側(cè)壁之間的靜摩擦力的存在，壓坯無法直接被頂出陰模，反而會(huì)帶動(dòng)陰模一起向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)陰模運(yùn)動(dòng)至靜止組限位塊時(shí)停止向上運(yùn)動(dòng)，壓坯在遠(yuǎn)大于側(cè)壁靜摩擦的回程力作用下被下凸模13頂出陰模，實(shí)現(xiàn)回程脫料。

脫料結(jié)束，油路卸荷，在重力的作用下，上運(yùn)動(dòng)組、陰模以及下運(yùn)動(dòng)組開始下落，回到初始裝料狀態(tài)。

以上便是雙向壓制單向自動(dòng)脫料壓模在壓機(jī)上的整個(gè)工作過程。

3 壓模軸向尺寸與彈簧的計(jì)算分析

3.1 壓模軸向尺寸計(jì)算

為了保證壓模能夠順利完成壓制、脫料過程且無干涉，同時(shí)保證充足的裝料空間，各零件在長(zhǎng)度尺寸上需要滿足一定的關(guān)系。

壓模各部分變量定義如圖4所示。其中，上下導(dǎo)柱長(zhǎng)度相同，且包含限位塊的厚度d，均為L(zhǎng)；陰模上端面與下導(dǎo)柱限位塊之間的偏移距離記為D；ΔH為陰模下端面與下凸模上端面錯(cuò)切厚度，即下模沖定位高度，則最大裝料高度為H?ΔH；上運(yùn)動(dòng)組的最大下降距離為S有效，即上凸模最大下降高度為S有效，理論上要求上凸模能夠與下凸模完全壓緊的同時(shí)，導(dǎo)柱末端限位塊也到達(dá)極限位置，即

因?yàn)樯线\(yùn)動(dòng)組由彈簧與陰模的彈性支承，所以上導(dǎo)柱限位塊與托模板接近但不接觸，間隙忽略不計(jì)，由圖5可知

上凸模下端面與下導(dǎo)柱限位塊上端面的錯(cuò)切尺寸為k，則

因?yàn)閷?dǎo)柱長(zhǎng)度相同，所以上下導(dǎo)柱末端距離其極限位置的距離均為S有效，由圖5可知

為保證下凸模能夠?qū)号魍耆敵?，?/p>

則

將（4）式代入（2）式得

將（4）式代入（3）式得

式代入（1）式得陰模定位高度

將（7）式代入（5）式得模砧高度

將（7）式代入（6）式得下凸模高度

將（7）式代入（4）式得上運(yùn)動(dòng)組行程

S有效應(yīng)小于等于壓機(jī)的最大工作行程；

圖5所示為裝料狀態(tài)，則裝料空間

脫料狀態(tài)下模具有最大的拉開距離最大拉開距離應(yīng)小于等于壓機(jī)的滑塊與工作臺(tái)最大距離。

3.2 彈簧分析

上導(dǎo)柱彈簧主要用于支撐上運(yùn)動(dòng)組，下導(dǎo)柱彈簧主要用于支撐上運(yùn)動(dòng)組和陰模以及實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)壓制，考慮到彈簧彈力不應(yīng)過多影響壓制壓力，因此在選用時(shí)只需考慮其工作行程、抗疲勞強(qiáng)度以及能否在一定形變內(nèi)支撐模具部件。

設(shè)上下導(dǎo)柱彈簧材質(zhì)、彈簧指數(shù)和線徑均相同，上導(dǎo)柱彈簧原長(zhǎng)為Ha0，下導(dǎo)柱彈簧原長(zhǎng)為Hb0。由圖5可知上導(dǎo)柱彈簧的工作長(zhǎng)度

下導(dǎo)柱彈簧的工作長(zhǎng)度

則有

彈簧勁度系數(shù)k根據(jù)公式

進(jìn)行計(jì)算。其中

4 壓模實(shí)際應(yīng)用分析

我們?cè)O(shè)計(jì)的農(nóng)林剩余物壓塊試驗(yàn)機(jī)主要定位于實(shí)驗(yàn)室大批量壓塊，研究不同物料條件在不同壓制壓力下的冷壓品質(zhì)，成品尺寸較小，為實(shí)驗(yàn)所需壓力為5～40MPa，按液壓機(jī)正常使用壓力不超過額定的80%來算，需要額定壓力10噸的小型單柱液壓機(jī)，壓缸直徑、電機(jī)功率、最大行程、滑塊距工作臺(tái)距離等，根據(jù)壓模定制。

實(shí)驗(yàn)使用的松木粉經(jīng)過排水靜定法得致密密度ρm≈1.25g/cm3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，40MPa下的壓坯密度不超過成品密度取最大值ρm≈1.25g/cm3則可知實(shí)驗(yàn)所需最大物料質(zhì)量約為47.1g，按照松散密度ρ0=0.3g/cm3可得最大裝料高度約為80mm。根據(jù)《粉末冶金模具設(shè)計(jì)手冊(cè)》公式Hf=H0+H1,H0為裝粉高度80mm，H1為下模沖定位高度，即ΔH，取值范圍為10～50mm，機(jī)動(dòng)模取較小值，則取ΔH=20mm，陰模厚度H=100m，則下凸模厚度H2=100m，下凸模托板厚度h=20mm。

取陰模上端面與下導(dǎo)柱限位塊之間的偏移距離D=30mm，上凸模下端面與下導(dǎo)柱限位塊上端面的錯(cuò)切尺寸為k=5mm。

為保證ΔH=20mm，將已有尺寸代入公式（7）可得限位塊厚度d取15mm，則導(dǎo)柱長(zhǎng)度L取380mm，根據(jù)導(dǎo)柱直徑推薦表取直徑為30mm。

取導(dǎo)柱長(zhǎng)度L為300mm，限位塊加墊片厚d=10mm。

則可得上凸模厚度H1=125m，下凸模厚度H3=135m，S有效=120m，最大拉開距離S=615m，裝料空間Z=35mm。

上導(dǎo)柱彈簧工作長(zhǎng)度Ha1=160m，選用彈簧線徑d=5mm，外徑Dm=40mm的合金鋼彈簧（G=79000N/m3），彈簧圈數(shù)為9圈，可得勁度系數(shù)ka=13.77/N.mm；下導(dǎo)柱彈簧工作長(zhǎng)度Hb1=240m，選用彈簧線徑d=6mm，外徑Dm=40mm的合金鋼彈簧（G=79000N/m3），彈簧圈數(shù)為11圈，可得勁度系數(shù)Kb=22.22N/mm。

上模架和上連接板均采用45鋼，整體尺寸取50mm*200mm*200mm，根據(jù)材料密度7.85g/cm3可得質(zhì)量為15.7kg，兩根導(dǎo)柱采用密度為7.85g/cm3的高碳鉻軸承鋼，質(zhì)量約為4.2kg，上凸模采用密度為7.85g/cm3的碳素工具鋼，質(zhì)量約為1.9kg，則整個(gè)上動(dòng)組質(zhì)量約為21.8kg；

陰模為100mm*200mm*200mm的長(zhǎng)方體塊，減去中間1個(gè)直徑50mm高100mm的陰模孔和4個(gè)直徑30mm高100mm的導(dǎo)柱孔，采用密度為14.2g/cm3的硬質(zhì)合金鋼，質(zhì)量約為50kg。

故選用原長(zhǎng)為175mm的上導(dǎo)柱彈簧，原長(zhǎng)為243mm的下導(dǎo)柱彈簧。

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