一種氮化硅球模壓模具的設(shè)計(jì)

徐振宇，周鵬飛，姚玉婷，萬磊，張永乾

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039)

1 概述

高效壓制成型模具是氮化硅球制造的關(guān)鍵技術(shù)裝備，直接影響氮化硅球的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)壓制模具由上沖頭、中模、下沖頭3部分組成(圖1)，安裝在粉末自動(dòng)成型機(jī)上。

圖1 傳統(tǒng)壓制模具

氮化硅壓制模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件加工復(fù)雜，成本高；沖頭與中?？住_頭與定位壓板配合精度要求高，球窩近環(huán)帶段為薄壁銳角，易碰損報(bào)廢；沖頭球窩磨損大，需周期性返修。球窩在鏡面電火花機(jī)上使用球形電極脈沖成形后再拋光與中?？籽信洌庸すに噺?fù)雜且價(jià)格昂貴。受限于卡具和空間布置尺寸、制造精度、成本等原因，現(xiàn)有粉末自動(dòng)成型機(jī)的模具[1]存在安裝難，磨損周期短和脫模困難[2]等問題，有較大的提升空間。

現(xiàn)有粉末冶金領(lǐng)域存在一出多的模具，沖頭多為平頭。對(duì)模具材料和結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較多，而對(duì)提高模具生產(chǎn)效率，降低安裝難度和延長磨損返修周期的研究相對(duì)匱乏。

本文通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，換用沖擊韌性更優(yōu)良的材料，簡化安裝方式，試圖實(shí)現(xiàn)模具6沖頭布置，延長球窩表面粗糙度的劣化周期，研究提高模壓成型效率，避免模具原因?qū)е虑蚺鲝U品，并降低模具成本的方法。

2 新模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 模具結(jié)構(gòu)

新模具裝配示意圖如圖2所示，模具由上沖頭座板、上沖頭壓板、上沖頭、中模、下沖頭、下沖頭壓板、下沖頭座板、連接座和連接零件組成。

1—上沖頭座板；2—上沖頭壓板；3—上沖頭；4—中模；5—下沖頭；6—下沖頭壓板；7—下沖頭座板；8—連接座

模具對(duì)主要零件材料的剛度、沖擊韌性和耐磨性有很高的要求，模具結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

1)下沖頭與壓機(jī)的連接設(shè)計(jì)用連接座(圖3)取代螺紋緊箍，依靠壓機(jī)下軸的旋轉(zhuǎn)功能調(diào)整下沖頭角度。

圖3 連接座

2)上沖頭與壓機(jī)的連接設(shè)計(jì)為單純螺栓壓板連接，取消螺紋緊箍，用旋轉(zhuǎn)壓機(jī)上軸調(diào)整上沖頭角度。這種方式解決了沖頭布置空間的問題，沖頭布置不受壓機(jī)卡具尺寸限制，且加工制造僅對(duì)沖頭底座的平面度和平行度有要求，精度易保證。

3)沖頭用壓板孔徑向定位，壓板(圖4)設(shè)計(jì)為一體式的壓緊腔，腔底面的平面度更易保證，沖頭用座板底面軸向定位，定位端沒有分隔，可布置更多沖頭。

圖4 下沖頭壓板

4)可替換的階梯軸沖頭。氮化硅球壓制模具磨損快，需周期性返修，沖頭必須便于拆卸，傳統(tǒng)模具壓板一個(gè)沖頭一個(gè)孔，沖頭難以拆掉，一個(gè)沖頭變形導(dǎo)致整套模具報(bào)廢。通過階梯軸設(shè)計(jì)，沖頭變形能輕易拆下替換，不同規(guī)格沖頭可共用壓板座板，模具成本降低20%～30%。

5)沖頭雙排錯(cuò)開布置，便于推球。

2.2 沖頭數(shù)量的選擇

以直徑4.762 mm氮化硅球?yàn)槔O(shè)計(jì)模具。壓制需要的壓力通常按壓坯橫截面積[3]計(jì)算，根據(jù)長期生產(chǎn)實(shí)踐，6 t(F=60 kN)壓機(jī)完全滿足需要，單位面積壓制壓力取12 kN/cm2。

成品球4.762 mm，相應(yīng)生坯球直徑7.3 mm，生坯球截面積0.42 cm2。多頭模具可布置的沖頭數(shù)量為

(1)

式中:F為壓機(jī)額定壓力，kN；S為單個(gè)壓坯環(huán)帶橫截面積，cm2；F均為單沖頭每平方厘米的壓制力，kN；r為球坯半徑，mm。

由(1)式可得，6 t機(jī)壓4.762 mm球壓力可滿足布置11(取整數(shù))個(gè)沖頭的需要，受空間限制，實(shí)際設(shè)計(jì)為每排3個(gè)沖頭，2排共6個(gè)。

2.3 零件材料

為保證模具能長時(shí)間連續(xù)、可靠工作，要求沖頭、中模、座板和壓板具有足夠的剛度、沖擊韌性和耐磨性，其材料應(yīng)易加工且熱處理變形小。

當(dāng)前行業(yè)使用的沖頭材料主要為SLD模具鋼，其特點(diǎn)是可以手工拋光球窩，抗碰損性能和耐磨性較好。

2.3.1 沖擊韌性與抗碰損

沖頭與中?？椎呐浜祥g隙通常為微米級(jí)，安裝時(shí)稍有偏差，沖頭即被碰掉塊，抗碰損能力取決于材料的沖擊韌性。為解決此問題，模具設(shè)計(jì)選用CPM-3V耐磨工具鋼，與傳統(tǒng)的SLD模具鋼相比，沖擊韌性好(表1)，安裝稍有偏差時(shí)，沖頭的銳角與中模接觸可產(chǎn)生相對(duì)較大的彈性變形，不易碰損。

表1 CPM-3V與SLD的沖擊韌性對(duì)比

2.3.2 耐磨性與返修周期

CPM-3V實(shí)際生產(chǎn)耐磨性提高不明顯，很快出現(xiàn)球窩豎紋(圖5)。為解決此問題，分別試驗(yàn)了碳氮氧鹽浴復(fù)合(QBQ)處理技術(shù)(圖6)、類金剛石(DLC)鍍膜表面處理技術(shù)(圖7)對(duì)沖頭進(jìn)行表面處理。QBQ處理后沖頭變形嚴(yán)重。DLC鍍膜表面技術(shù)處理后沖頭球窩的摩擦因數(shù)減小，表面硬度提高，磨損周期達(dá)2～3個(gè)月，素坯裂紋顯著減少。

圖5 球窩豎紋

圖6 QBQ處理后的沖頭

圖7 DLC處理后的沖頭

3 彈出脫模與環(huán)帶高度優(yōu)化

球坯環(huán)帶(球坯中間的圓柱段，作用是防止上下沖頭碰在一起)高度越大，越易推出，但球坯球形度變差，磨削加工量相應(yīng)增大，加工廢品率高。環(huán)帶高度在確定模具設(shè)計(jì)定形尺寸時(shí)設(shè)定[4]，本模具根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)優(yōu)化，將環(huán)帶高度設(shè)計(jì)為1.8 mm，此時(shí)球坯球形度達(dá)到最優(yōu)，但傳統(tǒng)的脫模推球方式難以將球坯推出下沖頭球窩。

配合模具設(shè)計(jì)，生產(chǎn)實(shí)踐中采用彈出脫模技術(shù)[5]和創(chuàng)新的反弧推球技術(shù)，解決了脫模推球困難問題。

4 球坯性能對(duì)比

傳統(tǒng)模具與新模具壓制的生坯球尺寸及質(zhì)量對(duì)比見表2。球坯的單重、高度等一致性沒有明顯差異，生產(chǎn)實(shí)踐效果良好。

表2 傳統(tǒng)模具與新模具壓制的生坯球尺寸及質(zhì)量對(duì)比

燒結(jié)坯性能對(duì)比見表3,由表可知，同種原料，新模具與傳統(tǒng)模具壓制的球坯，密度范圍均為3.25～3.30 g/cm3，無明顯差異。同規(guī)格鋼球的標(biāo)準(zhǔn)壓碎載荷值16 kN，傳統(tǒng)模具的壓碎載荷比為44.1%～80.3%，新模具為54.7%～79.3%(35.0%以上即為合格品)，比傳統(tǒng)模具離散范圍略小。改進(jìn)設(shè)計(jì)的氮化硅球成型模具與傳統(tǒng)模具的參數(shù)對(duì)比見表4。

表3 傳統(tǒng)模具與新模具壓制的燒結(jié)坯性能

表4 新模具與傳統(tǒng)模具的參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了氮化硅球壓制多頭模具，解決了粉末自動(dòng)成型機(jī)沖頭多難以布置，脫模推出困難，磨損返修周期短，易碰損報(bào)廢等問題。新模具特點(diǎn)如下：

1)利用壓機(jī)下軸旋轉(zhuǎn)調(diào)整下沖頭角度，模具與壓機(jī)的連接采用單純螺栓壓板連接，克服多沖頭空間難布置問題。

2)沖頭壓板設(shè)計(jì)為一體式壓緊腔，空間設(shè)計(jì)合理，便于拆裝沖頭，且加工精度更易保證。

3)采用可替換的階梯軸沖頭，有效降低模具成本，便于維修，避免沖頭碰損整體報(bào)廢。

4)雙排錯(cuò)開布置，結(jié)合創(chuàng)新的彈出脫模和反弧推球技術(shù)，有效解決了脫模推球困難。

5)通過材料優(yōu)化解決了模具碰損，返修周期短的問題。