花鍵套粉末冶金壓制工藝及模具設(shè)計(jì)探討

馬秉馨，焦芳敏，翟德梅

花鍵套粉末冶金壓制工藝及模具設(shè)計(jì)探討

馬秉馨1,2，焦芳敏3，翟德梅1,2

（1.河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)市材料成型與加工工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

粉末冶金工藝能夠用來制造高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜制件，在節(jié)約原材料及勞動(dòng)成本上比傳統(tǒng)的制造工藝有較大的優(yōu)勢。生產(chǎn)粉末冶金制件最重要的就是要設(shè)計(jì)合格的粉末冶金模具。文章以花鍵套為例，完整闡述了花鍵套粉末冶金壓制工藝及模具設(shè)計(jì)過程。

花鍵套；粉末冶金；模具設(shè)計(jì)

0 引言

花鍵套零件的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝為鍛造—機(jī)械加工—熱處理，生產(chǎn)周期長，加工廢料多，制造成本高。粉末冶金是一種精密的少切削或無切削的加工方法，工藝簡單，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，在用于大批量生產(chǎn)時(shí)成本相對較低。此外，粉末冶金生產(chǎn)的零件同樣能夠獲得較高的強(qiáng)度、硬度和尺寸精度，能充分滿足零件的使用性能要求[1-9]。為此，筆者提出使用粉末冶金生產(chǎn)花鍵套的方法，并設(shè)計(jì)了花鍵套的壓制工藝及模具。

1 工藝性分析及壓制方案確定

花鍵套零件如圖1所示，要求密度不低于6.6 g/cm3，硬度超過40 HRC，抗拉強(qiáng)度大于300 MPa，內(nèi)、外形尺寸精度等級在IT7~IT8之間。

1.1 壓坯設(shè)計(jì)

綜合制品的密度及強(qiáng)度要求，選擇含碳量在0.6%~1.0%之間、代號為F-08-450的燒結(jié)碳鋼粉體，粉末松裝密度為2.4g/cm3[10]。

為滿足粉末冶金工藝要求，在不影響零件使用前提下，修改其結(jié)構(gòu)獲得花鍵套壓坯形狀如圖2所示，增加花鍵槽處圓角0.2和倒角2，增加平鍵槽棱角處圓角2和1，去掉外輪廓倒角，去掉2×6圓孔（后續(xù)機(jī)加工獲得）[10]。

1.2 壓制方案的確定

該花鍵套屬于“帶孔無臺(tái)階面柱狀類”零件，其壓制方式的選擇如下：壓坯的高度與壁厚之比較小，高徑比小于1，且壓坯側(cè)面積與正面積之比也較小，考慮到模具結(jié)構(gòu)或壓機(jī)動(dòng)作要簡單，若采用別的壓制方式，對壓坯密度均勻性的改善效果不顯著，故選擇單向壓制；零件外徑與內(nèi)徑之比大于1.5，最小壁厚大于3，尺寸精度在IT7~IT8之間，故選擇外箍內(nèi)脹的精整方式[10]。

2 相關(guān)計(jì)算

2.1 壓坯計(jì)算

花鍵套壓坯計(jì)算項(xiàng)目及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 花鍵套零件圖圖

圖2 花鍵套壓坯

表1 壓坯尺寸計(jì)算

2.2 相關(guān)力的計(jì)算

設(shè)計(jì)過程中，需要計(jì)算壓制壓力、側(cè)壓強(qiáng)、脫模壓力等，方便后續(xù)對模具材料及壓力機(jī)型號的選擇。實(shí)際生產(chǎn)中，鐵基材料的單位壓制壓力為400~700 MPa[10]，由于對花鍵套零件的密度要求較高，故在計(jì)算壓制壓力時(shí)選取單位壓制壓力為600 MPa，壓制壓力計(jì)算結(jié)果及相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 壓制壓力計(jì)算及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選擇型號為YA79-125全自動(dòng)粉末成形液壓式壓力機(jī)，其最大工作壓力為1250 KN，回程拉力為650 KN，上缸和下缸工作行程分別為400 mm和200 mm[10]。

2.3 成形零件的設(shè)計(jì)

對于需要進(jìn)行精整的零件，一般要根據(jù)制品圖紙的尺寸精度要求，先計(jì)算精整模尺寸，然后根據(jù)精整模尺寸計(jì)算成形模的尺寸；對于不需精整的制品，可直接計(jì)算成形模尺寸。該花鍵套粉末冶金模具中成形零件包括陰模、芯棒及上下模沖，成形零件的成形部位按照IT5~IT6級制造[10]。精整模及成形模零件的主要尺寸如表3所示。

表3 成形零件主要尺寸[10]

上表中，外為外徑精整回彈量，內(nèi)為內(nèi)徑精整回彈量，外為外徑精整余量，內(nèi)為內(nèi)徑精整余量，min為零件外徑最小尺寸，1max為零件花鍵孔頂圓直徑最大尺寸，2max為零件花鍵孔根圓直徑最大尺寸，'為壓坯高度，為壓坯密度，0為粉末松裝密度。

2.4 模具材料選擇及強(qiáng)度剛度校核

模具零件材料選擇時(shí)需要考慮零件的使用要求和制造成本等因素。陰模使用GCr15，淬火+低溫回火；芯棒使用9CrSi，淬火+中溫回火；上、下模沖均選擇Cr12MoV，淬火+低溫回火。芯棒只受側(cè)向的壓應(yīng)力，不需要進(jìn)行校核；陰模及上、下模沖的校核如表4所示。

表4 陰模及上、下模沖的校核[12]

3 模具工作原理

花鍵套的粉末冶金壓制模具如圖3所示，此模具安裝在YA79-125全自動(dòng)粉末成形液壓式壓力機(jī)上，其中下模板18固定在液壓機(jī)工作臺(tái)表面保持不動(dòng)，下模沖17固定在下模板18上，上模板16與液壓機(jī)的上缸相連，芯棒座19與液壓機(jī)下缸相連，初始狀態(tài)芯棒2端面與陰模16上表面平齊或略高于陰模上表面。

如圖3（a）所示，模架處于左側(cè)狀態(tài)時(shí)通過裝粉靴進(jìn)行自動(dòng)裝粉，粉末與陰模上表面平齊；裝粉完畢后，上模板12下行，通過上導(dǎo)柱8與固定在陰模板15上的導(dǎo)套14導(dǎo)向，其他部位不動(dòng)，上模沖9進(jìn)入陰模16型腔進(jìn)行壓制，如圖3（a）右側(cè)所示。

壓制完畢后，如圖3（b）左側(cè)，上模板12回歸壓制前的位置，在芯棒座19的帶動(dòng)下，由拉桿1拉動(dòng)陰模板15向下運(yùn)動(dòng)，此處拉桿還起導(dǎo)向作用，由于下模沖17不動(dòng)，就成功實(shí)現(xiàn)了拉下式脫模[10]。

1．拉桿 2．芯棒 3．導(dǎo)套 4．壓墊 5．下模沖 6．陰模壓板 7．帶槽圓螺母 8．上導(dǎo)柱 9．上模沖 10．導(dǎo)柱壓蓋 11．壓墊 12．上模板 13．上模沖壓板 14．導(dǎo)套 15．陰模板 16．陰模 17．下模沖 18．下模板 19．芯棒座 20．芯棒蓋板 21．芯棒板

4 結(jié)語

以上只詳細(xì)寫出了設(shè)計(jì)過程中的重要步驟，具體的粉末冶金模具設(shè)計(jì)步驟應(yīng)按以下順序進(jìn)行：（1）零件工藝性分析，包括零件參數(shù)分析、工藝分析、壓坯設(shè)計(jì)；（2）壓制方案確定，包括壓制方式及精整方式確定；（3）成形過程及精整過程中力的分析；（4）壓機(jī)及模架的選擇；（5）壓坯尺寸計(jì)算；（6）模具零件尺寸計(jì)算；（7）模具零件材料選擇及模具強(qiáng)度、剛度校核。

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Discussion on Powder Metallurgy Pressing Technology and Die Design of Spline Sleeve

MA Bing-xin1,2，JIAO Fang-min3，ZHAI De-mei1,2

(1. College of Materials Science and Engineering; Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China; 2.Xinxiang City Material Forming and Processing Engineering Technology Research Center, Xinxiang 453003, China; 3.School of Mechanical Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Powder metallurgy process can be used to manufacture high quality and high precision complex parts, which has great advantages over the traditional manufacturing process in saving raw materials and labor costs. The most important thing in the production of powder metallurgy parts is to design qualified powder metallurgy die. Taking the splice sleeve as an example, this paper completely expounds the process of powder metallurgy die design of the splice sleeve.

spline sleeve; powder metallurgy; die design

TG76

A

2096–7772(2020)02–0001–05

2019-11-28

馬秉馨（1991―），女，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要從事材料成型研究。

（責(zé)任編輯呂春紅）