基于制備鐵基粉末冶金異形定位塊的模具設(shè)計(jì)*

劉 博, 羅海玉, 盧振華,馬虎林, 胡煒煒, 黃志鴻

(1.天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院,甘肅 天水 741000; 2.天水長城精密機(jī)械電器有限公司,甘肅 天水 741000)

0 引 言

粉末冶金技術(shù)具備節(jié)省材料、無污染、精度高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)零件的近凈成形，廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、航空、通信等行業(yè)中產(chǎn)品的成型與制造，在材料和特殊零部件加工過程中具有重要地位和作用，始終是材料及相關(guān)工業(yè)發(fā)展的前沿科技領(lǐng)域[1-4]。作為價(jià)格低廉、產(chǎn)品力學(xué)性能穩(wěn)定、應(yīng)用最為廣泛的鐵基粉末冶金制件，隨著工藝的發(fā)展和科技手段的進(jìn)步，具備低成本、高密度、高性能的金屬基復(fù)合材料發(fā)展迅猛，促進(jìn)了粉末冶金行業(yè)的應(yīng)用[5-7]。

模具作為實(shí)現(xiàn)從粉末到零件的載體，直接影響著制件尺寸精度和后期使用性能，尤其是異形復(fù)雜、幾何尺寸精度要求高的零件，模具結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)至關(guān)重要[8-9]。

本文將結(jié)合企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)與性能要求，從模具材料、設(shè)計(jì)、加工制造、熱處理、安裝調(diào)試、零件制備等階段，詳細(xì)介紹一種基于鐵基粉末冶金材料定位塊的模具設(shè)計(jì)過程，為后期模具制造、產(chǎn)品生產(chǎn)和合理應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 零件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為該異形定位塊結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)客戶需求，該零件硬度、耐磨性抗疲勞性能要求較高。結(jié)合課題組前期研究成果和零件使用工況，零件選用Fe-Cu-C系列材料，材料成分見表1。通過合理設(shè)計(jì)合金元素比例和燒結(jié)工藝，提高產(chǎn)品耐磨性，延長固定件使用壽命。具體技術(shù)要求固定件表面無毛刺、空洞、裂紋等缺陷。

表1 材料成分

圖1 異形定位塊結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具的主要零件是指陰模、芯棒和上、下模沖(包括模套、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、上、下模板、陰模外套等)，其主要計(jì)算包括徑向尺寸和向尺寸計(jì)算，其他尺寸可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架選取。

2.1 模具徑向尺寸的計(jì)算[10]

該零件為不精整的制品，在進(jìn)行徑向尺寸計(jì)算時(shí)，可直接計(jì)算成形模尺寸。

(1) 陰模內(nèi)徑

不精整制品的成形模具陰模內(nèi)徑計(jì)算公式[1]：

Dm=Dcp(1+c-e)

(1)

式中:Dcp為制品內(nèi)徑平均尺寸；c為燒結(jié)收縮率(%)；e為壓坯壓制回彈率(%)。

由于本文所設(shè)計(jì)的模具制備試樣為Fe-Cu-C系材料，結(jié)合文獻(xiàn)[10]，選擇c和e分別為0.05%和0.3%，所以計(jì)算陰模內(nèi)徑為：

Dm1=Dcp(1+c-e)=36(1+0.0005-0.003)

=35.91 mm

Dm2=Dcp(1+c-e)=18(1+0.0005-0.003)

=17.955 mm

(2) 芯棒外徑

不精整制品的成形模具芯棒外徑計(jì)算公式:

dm=dcp(1+c-e)

(2)

式中:dcp為制品外徑平均尺寸；c為燒結(jié)收縮率(%)；e為壓坯壓制回彈率(%)。

由公式(2)計(jì)算得芯棒外徑：

dm1=dcp(1+c-e)=24.2(1+0.0005-0.003)

=24.1395 mm

dm2=dcp((1+c-e)=8.5(1+0.0005-0.003)

=8.4788 mm

(3) 孔心距

不精整制品的成形模具孔心距的計(jì)算公式[10]：

Am=Acp(1+c-e)

(3)

即，Am1=Acp(1+c-e)=50(1+0.0005-0.003)

=49.875 mm

式中：Acp為制品中心距平均尺寸。

2.2 模具軸向尺寸的計(jì)算

軸向尺寸計(jì)算的主要部分是裝粉高度，其它高度方向的尺寸，往往由結(jié)構(gòu)上的需要(如定位、脫模、裝粉、連接和強(qiáng)度等)選定，從而確定陰模、芯棒和上、下模沖的軸向尺寸。

(1) 裝粉高度

裝粉高度可由裝粉體積算出，而裝粉體積取決于壓縮比(壓坯密度與粉末松裝密度之比)和壓坯體積。裝粉高度(無臺(tái)階面壓坯)計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中：H0為裝粉高度；H為壓坯高度；ρ0為粉末松裝密度；ρ為壓坯密度；C為壓縮比；V0為裝粉體積；V為壓坯體積。

≈28.286 mm，確定裝粉高度29 mm。

(2) 模具高度計(jì)算

① 陰模 陰模高度Hf一般由三部分高度組成，即

Hf=H0+H1+H2

(6)

式中：Hf為陰模高度(mm)；H0為裝粉高度(mm)；H1為下模沖定位高度(mm)，一般為10～50 mm；H2為手動(dòng)模裝粉錐高度(mm)，不需要此錐時(shí)H2=0。

由上述計(jì)算公式Hf=H0+H1+H2=28.286+20+12=60.286 mm，從而陰模的高度為60 mm。

② 芯棒 該模具采用機(jī)動(dòng)模，其芯棒上端面應(yīng)與陰模上端面平齊或略低，且芯棒成形面的長度應(yīng)與陰模高度相等[11]。

③ 模沖 上、下模沖的徑向尺寸與陰模相同，滿足配合要求

④ 上、下模沖軸向尺寸

在計(jì)算上、下模沖軸向尺寸時(shí)，要考慮模具工作時(shí)足夠的壓縮和脫模行程，具備適宜的定位高度和連接所需高度。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定模沖高度。

一般來講下模沖高度滿足下列公式：

h=Hf+(25～30)

(7)

2.3 強(qiáng)度和剛度計(jì)算

在模具工作過程中，相關(guān)零部件受到強(qiáng)大的側(cè)向應(yīng)力，如果強(qiáng)度和剛度達(dá)不到工作要求，會(huì)導(dǎo)致陰模或模套變形，甚至斷裂，故有必要對(duì)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。

其中，陰模承受側(cè)向壓強(qiáng)，即：

p側(cè)=ε0θp

(8)

式中：p側(cè)為側(cè)壓強(qiáng)；ε0為壓件材料致密狀態(tài)下的側(cè)壓系數(shù)(鐵為0.38，銅為0.54；p為壓制時(shí)的單位壓力，MPa。

(1) 強(qiáng)度

徑向應(yīng)力：

(9)

切向應(yīng)力：

(10)

式中：R為陰模外半徑；r為陰模內(nèi)半徑；ri為r到R之間的任意半徑。

(2) 剛度

在彈性范圍內(nèi)，由廣義虎克定律，得：

(11)

(12)

式中：εt為徑向的相對(duì)形變量，即應(yīng)變值。

陰模內(nèi)側(cè)形變量Δr為：

(13)

陰模外側(cè)形變量ΔR為：

(14)

任意點(diǎn)的變形量Δri為：

(15)

綜上所述，考慮模具的工作環(huán)境和安全生產(chǎn)因素，外加制品的后期精整，設(shè)計(jì)陰模外徑R=48 mm。

3 壓制力與脫模力的確定

壓制力和脫模力直接影響粉末成形后材料的精度、綜合力學(xué)性能以及模具結(jié)構(gòu)方案的確定。

(1) 壓制壓力

根據(jù)壓制力的計(jì)算公式[13]：

F總=pS

(16)

(17)

式中：p為單位壓制壓力(MPa)；S為壓坯受壓的橫截面積(cm2)；γ為壓坯密度(g/cm3)；a為取決于粉末種類的常數(shù)；b為當(dāng)壓制壓力為100 MPa時(shí)的壓坯密度值。

根據(jù)粉末冶金實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，鐵基材料的單位壓制壓力為400～700 MPa[14]。由公式(16)和(17)計(jì)算得壓制力F=pS=500×11.198 cm2=560 kN。

(2) 脫模壓力

壓坯從模具中容易脫出，脫模壓力必須大于模具壁摩擦阻力，因此頂出壓坯所必需的脫模壓力P脫的計(jì)算公式為[15]：

(18)

p側(cè)余=jp側(cè)=jεp=jε0θp

(19)

式中：f′為粉末對(duì)陰模壁的靜摩擦系數(shù)，取值0.17～0.19[10]；p側(cè)余為殘余側(cè)壓強(qiáng)(MPa)；S側(cè)為坯料與陰模壁接觸的側(cè)向面積(cm2)；j為剩余側(cè)壓強(qiáng)與側(cè)壓強(qiáng)之比；ε為側(cè)壓系數(shù)；θ為坯料相對(duì)密度。

若陰模為鋼模，彈性模量E陰=2×105MPa，泊松比ν陰=0.3，鐵基壓坯密度為6.6 g/cm3，E壓坯=1.2×105 MPa，ν壓坯=0.22時(shí)，j與m的關(guān)系見表3。

表3 m與j的關(guān)系[10]

由此計(jì)算得：

p側(cè)余=0.22p=0.22×500=110 MPa

p脫=0.18×110×19.5722=38.75 kN

(3) 壓坯高度校核

壓坯的最大高度尺寸受到模具最大裝粉高度(與壓力機(jī)選取有關(guān))的限制。模具的裝粉高度主要受到原料粉末的類別、配比、混料方式及裝粉的方法等因素的影響[16]。壓坯高度的驗(yàn)算公式為[10]：

(20)

H≤Hmax

(21)

式中：ρ0為粉末松裝密度；ρ為壓坯密度；H為壓坯高度；Fmax為成形壓力機(jī)最大粉末填充高度。

由公式(20)和式(21)得ρ0=2.0 g/cm3，ρ=6.6 g/cm3，F(xiàn)max=65 mm，計(jì)算得Hmax=16.67 mm，即壓坯的高度H=12 mm

(4) 壓制方式

粉末冶金壓制方式的不同(主要為單向和雙向壓制)，其上、下模沖與陰模和芯棒對(duì)粉體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度亦不同，因此壓制方式影響著坯料密度分布、組織均勻性[17-18]。

對(duì)于密度范圍在6.0～6.8 g/cm3的柱狀壓坯或帶孔柱狀壓坯，其最大側(cè)正面積之比Kmax與H/D(高與直徑之比)、H/T(高與壁厚之比)關(guān)系的參考值見表4。

表4 Kmax與 關(guān)系[10]

對(duì)比表4中的數(shù)據(jù)，當(dāng)壓坯的形狀相同時(shí)，采用單向壓制比采用雙向壓制時(shí)的側(cè)正面積Kmax小，即壓制力損耗小、表面質(zhì)量較高。因此，在滿足制件性能要求前提下，綜合考慮模具設(shè)計(jì)時(shí)陰模的強(qiáng)度、剛度模具的使用壽命等因素，將采用單向壓制方式。

圖2 粉末冶金模具裝配示意圖1.下模座版 2.墊塊 3.支承板 4.陰模模套 5.上模座版 6.上模沖 7.推板 8.推桿固定板 9.推桿 10.小型芯 11.大型芯 12.下模沖 13.推件板 14.陰模 15.內(nèi)六角螺釘 16.壓坯 17.頂桿

4 模具結(jié)構(gòu)

圖2為該零件的粉末冶金模具示意圖，其基本工作原理分為壓制前準(zhǔn)備、壓制階段和脫模階段三大步。壓制前在各活動(dòng)部件間均勻涂抹潤滑油，之后進(jìn)行裝粉(人工裝粉)，裝粉前需保證粉末混料的均勻，完畢后進(jìn)行下一步壓制。在壓制階段，上模沖6在壓力機(jī)作用下向下運(yùn)動(dòng)，粉末在陰模14中受壓成形，直至上模沖肩部與上模座板5接觸停止施加壓力，上模沖6上移復(fù)位，完成壓制過程。經(jīng)過保壓后進(jìn)行脫模工序，頂桿17在液壓機(jī)作用下向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作用于推板7，通過導(dǎo)柱、導(dǎo)套的導(dǎo)向作用推動(dòng)推桿9和推件板13，將壓坯16從陰模14中推出，完成脫模過程，取出壓坯后對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)等后續(xù)處理。脫模完成后液壓機(jī)帶動(dòng)頂桿17歸位，利用工具將推件板13向下推動(dòng)，直到推件板13回到裝粉前的位置，完成復(fù)位，為下一次生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

為驗(yàn)證該模具結(jié)構(gòu)合計(jì)合理性，本文采用UG軟件對(duì)其進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)過程分析校核，如圖3所示?？梢钥闯?，壓制與脫模動(dòng)作合理可靠，符合設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)目標(biāo)。

圖3 模具運(yùn)動(dòng)過程簡圖

5 結(jié) 語

通過分析異形定位塊零件結(jié)構(gòu)、粉末冶金模具結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核、對(duì)比壓制方式，合理設(shè)計(jì)出一套壓制模具，并得到以下成果和結(jié)論：

(1) 在本課題組前期研究成果確定粉末冶金元素配比、燒制工藝前提下，通過分析模具壓制力、脫模力、壓坯高度和壓制方式，為實(shí)際壓制過程提出了參考數(shù)據(jù)，具有一定參考價(jià)值。

(2) 針對(duì)某一簡單零部件，結(jié)合企業(yè)實(shí)際產(chǎn)值，給出了完整、詳細(xì)、合理的粉末冶金模具設(shè)計(jì)、計(jì)算和工作過程，并通過UG軟件進(jìn)行裝配校核，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)合理性，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程提供了思路。