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金属粉末件钢模压制成形模具设计计算方法

北京科技大学余智勇李亚军

摘要：在文献［1］的基础上，叙述并归纳了金属粉末钢模压制成形坯及相应的压制模具结构的设计与计算方法、内容和步骤；并介绍了一典型粉末件的设计计算结果。

关键词：金属粉末；钢模压制成形；烧结；压制模具

金属粉末成形和传统的金属塑性加工工艺相类似，对于某一具体金属粉末件，在确定了其钢模压制方法后(参见文献［1］)，就要根据该零件生产的有关技术要求和原始数据，包括制件的零件图、粉末成分及其工艺性能、加工工艺流程、压制方法和批量大小等，进行压制坯和压制模具设计。

一、金属粉末的工艺特性和材料性能参数与压制坯计算

1.金属粉末的工艺特性和材料性能参数

在制定金属粉末压制成形工艺时，其基本特性参数有：(1)粉末松装(或摇实)密度，即压制前金属粉末在凹模内的平均密度ρ0；(2)粉末的可压缩性，按实验数据或有关标准确定；(3)粉末的可变形程度，按实验数据或有关标准确定；(4)粉末流动应力。

而在进行压制成形模具设计时，还需知道以下参数：(1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp；(2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示；(3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量ε表示；(4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用相对值ζ表示；(5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相对值τ表示。上述回弹与收缩量等的相对值可按下式换算成绝对值：

（图片） (1)

式中A—制件的线尺寸

αp，αrp，β值预先给出。

2.确定压制成形方法

具备了上述技术资料和数据后，可根据实际生产条件，选择压制设备型式以及相应的压制方法，并选好压制方向，具体参见文献［1］。

3.压制坯的计算

压制坯的计算，其实质就是根据所加工的粉末零件，决定压制坯的体积、质量和相关尺寸，以确定压制凹模型腔的尺寸和检验压制坯的尺寸精度。具体如表1所示。

表1金属粉末压制成形坯料计算

计算内容	定义或计算公式	有关说明
压制坯面积F_p(cm²)	压制坯在垂直于压制方向的平面的投影面积	-
压制坯体积V_p(cm³)	V_p＝(1+ξ/100)V_e；V_e—零件体积	ξ—相对质量损耗量
压制坯质量G_p(kg)	G_p＝ρ_pV_p	ρ_p—压制件平均密度
装粉质量G₀(kg)	G₀＝C_mG_p；C_m＝1.02～1.05	系数C_m考虑了装粉及压制时的质量损失
压制坯高度H_p(mm)	H_p＝H-l_p+ε+Δ_m；Δ_m—机加工余量，H—粉末零件尺寸	l_p，ε的意义见上，其他线尺寸确定方法相同
装粉高度H₀(mm)	H₀＝K_ρH_p；K_ρ＝ρ_p/ρ₀	K_ρ—粉末压实系数

二、凹模与芯棒的工作尺寸

所确定的尺寸包括凹模总高度、凹模型腔及芯棒的工作尺寸，具体如下：

1.凹模总高度

如文献［1］所述，凹模各段的装料高度应与制件中相对应的各段高度成比例，以保证压制坯密度分布均匀化。而凹模的总高度则主要取决于其装料高度，同时还要考虑上、下冲头进入凹模的导向部分，如图1a所示。

（图片）

图1 确定凹模总高度示意图

H_d＝H₀+h_h+h_l (2)

式中H_d—凹模总高度

H₀—总装料高度

h_h—上冲头导入长度h_l—下冲头导入长度

对于固定式结构，由于凹模本身沿高度方向具有分配粉料的作用，因此可以不考虑上、下冲头的导入部分(见图1b)，则

Hd＝H0(3)

2.凹模型腔与芯棒工作尺寸

凹模型腔的工作尺寸主要决定于粉末零件的外尺寸，同时必需考虑粉末体在压制、烧结、后续精压等工序这些外尺寸变化，以及凹模最大允许磨损量；而芯棒的工作尺寸则主要取决于零件的内尺寸，同样也要考虑其内尺寸在各工序的变化，并按零件的上极限偏差确定，以保证芯棒留有最大的磨损余量。具体计算如表2所示。

表2金属粉末压制成形模具凹模型腔与芯棒的工作尺寸

-	凹模型腔工作尺寸(mm)		芯棒工作尺寸(mm)
-	尺寸名称	计算公式与说明	尺寸名称	计算公式与说明
压制模具	型腔名义尺寸	D_n＝D_min-l_p±ε±η_rp D_min—零件最小允许尺寸 η_rp—后续精压余量	芯棒名义尺寸	d_n＝d_max-l_p±ε±η_rp±l_rp d_max—芯棒最大尺寸
	型腔最大允许尺寸	D_n′＝D_max-l_p±ε±η_rp D_max—零件最大允许尺寸	芯棒最大允许尺寸	d_n′＝d_min-l_p±ε±η_rp±l_rp d_min＝d+δ_l—芯棒最小允许尺寸 d—零件孔径；δ₁—孔径下偏差
	型腔磨损余量	ΔD＝D_n′-D_n-δ_A δ_A—型腔尺寸实际偏差量	芯棒磨损余量	Δd＝d_n′-d_n-δ_a δ_a—芯棒尺寸实际偏差量
后续精压	型腔名义尺寸	D_rpmin＝D_min-l_rp	后续精压芯棒直径(孔件)	d_rp＝d_max±l_rp “+”—精压后回弹使孔径减小时 “-”—精压后回弹使孔径增大时
后续精压	型腔最大允许尺寸	D_rpmax＝D_max-l_rp	后续精压芯棒直径(孔件)	d_rp＝d_max±l_rp “+”—精压后回弹使孔径减小时 “-”—精压后回弹使孔径增大时
坯料	烧结坯外尺寸	D_s＝D_min±η_rp “+”—为正偏差精压时 “-”—为负偏差精压时	烧结坯内尺寸	d_s＝d_rp±η_rp “+”—为负偏差精压时 “-”—为正偏差精压时
坯料	压制坯外尺寸	D_p＝D_s±ε “+”—粉体烧结后收缩时 “-”—粉体烧结后膨胀时	压制坯内尺寸	d_p＝d_s±ε “+”—烧结后内尺寸减小时 “-”—烧结后内尺寸增大时

注：公式中凡有“±”处则表示经此工序后尺寸的实际增减。

三、压制力与凹模预应力圈尺寸

1.压制力、顶出力和设备吨位

金属粉末的压制力通常由其单位流动压力所决定：

P＝nF（图片）

式中（图片）—金属粉末平均单位流动压力，由压制实验曲线或实际经验确定

F—压制坯截面积

n—压制模中型腔数量(对一次多件压制)

确定压制力后，则可选择压力机吨位： P_T＝C_pP (5)

式中Cp—压力机吨位裕度系数，Cp＝1.25～1.30

而压制后制件的顶出力由侧压力pc、粉体侧表面面积Fc和粉体与模壁的摩擦系数μ(＝0.1～0.2)确定： P_out＝μF_cp_c (6)

2.凹模预应力圈尺寸

为了提高压制成形模具的寿命，并保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于压制时凹模内壁所承受的压力大小。对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公式估算：p_c＝C_cρ^m_p (7)

式中Cc＝0.00725，m＝6.8

（图片）

图2 凹模预应力圈尺寸关系

而预应力圈的尺寸，必须保证凹模具有最大刚度，设凹模筒内半径为r1，则有：

当pc≤200MPa时，r2＝2r1,r3＝4r1(8a)

当pc＞200MPa时：（图片） (8b)

此时，凹模与预应力圈的过盈量为：（图片）

式中E—模具材料的弹性模量

根据上述一、二、三节的计算结果，便可绘制压制坯图、烧结坯图、后续精压坯图、压制凹模型腔图、后续精压凹模型腔图。

四、压制模具的结构设计及其强度校核

1.模具结构形式

在确定了凹模、冲头和芯棒的基本尺寸，以及选择了压力机型号规格后，就可按生产计划设计模具结构。通常有3种模具结构型式：

(1)组合式适用于批量不大的金属粉末件压制成形，凹模内各段的装粉高度由相应的冲头垫块来调节；

(2)固定式适用于在通用压力机上小批量金属粉末件压制成形，凹模内各段的装粉高度由浮动模座上的冲头调节；

(3)固定式专用压力机上大批量金属粉末件压制成形所采用的结构型式。

2.模具封闭高度

如图3所示，当采用固定式模具结构时，上冲头既可采用固定式，也可采用浮动式，而其总高度可确定为：

L_h＝h_ht+h₁+h₂ (10)

（图片）

图3 确定模具封闭高度示意图

同样，下冲头的总高度为：

L_l＝h_lt+h₃+h₄ (11)

式中hht,hlt—上、下冲头固定板的厚度

h1,h4—分别为上冲头压制和下冲头顶出行程

h2—压力机在下死点时凹模上端面与上冲头固定板下端面之间的距离

h3—下冲头导入凹模筒部分的长度

3.模具受力件的强度校核

由于压制成形模具在周期高载荷下工作，因此，必须对主要受力件进行强度校核。

(1)冲头一般处于压应力状态，其强度校核式为：

σ＝P/F_min≤［σ］(12)

式中P—金属粉末压制力

Fmin—冲头最小截面积

［σ］—淬硬钢许用压应力

(2)当细长型冲头(多为下冲头)和芯棒的长径比L/d≥3时，还需进行抗弯强度校核，具体步骤如下：

(a)计算纵向弯曲失稳临界载荷

（图片） (13)

式中L—冲头自由部分的长度，等于从冲头固定板到冲头导入凹模部分中间位置和距离

Jmin—冲头最小截面矩

E—工具钢材料的弹性模量，一般可取E＝2.15×105MPa

Pcr—产生纵向失稳的临界载荷

(b)选取冲头的抗弯安全系数：对于淬硬钢冲头，一般可取

P/Pcr≤n＝2～3(14)

(c)确定冲头最大允许长度：

（图片） (15)

(3)对支承模座和固定板也需进行抗压强度校核：

σ＝P/F≤［σ］(16)

通常，与冲头模座投影面积相当的中间固定板其厚度可取5～8mm。

(4)弹簧校核：在金属粉末件压制成形模具中，主要采用圆柱压缩螺旋弹簧。其选择和校核可按有关手册进行。

五、设计实例简述

（图片）

图4铁粉末零件图

对于图4所示的有内外凸缘的铁粉末零件，要求其最终平均体积密度达到6.25g/cm3，年产50万件。具体设计计算简述如下：

1.制件加工工艺流程

此制件的加工工艺流程为：装料(Fe+0.8%硬脂酸锌：ρ0＝2.54g*cm-3)→压制→烧结(1110℃，2h)→精压→成品。

2.确定压制成形方法

如文献［1］所示，对此制件，可采用浮动压制与弹性冲头压制相组合的压制成形方法。

3.坯料计算

按本文表2方法进行坯料计算，并根据计算结果绘制出压制和烧结坯图、压制和精压凹模筒图，如图5所示。

（图片）

图5计算坯料与凹模筒图

(a)压制坯图(b)烧结坯图

(c)压制凹模筒图(d)精压凹模筒图

4.模具结构特点

如该粉末件是在带顶出装置的普通油压机或机械压机上压制成形，则可采用图6所示的模具结构：由喂料装置1将粉料装入凹模筒4内，此时置于顶杆上的弹性冲头7应处在最上位，以保证粉体底面为平面；压制行程时，滑块向下运动使冲头2下移到楔形固定块处停止，而冲头3通过粉体迫使冲头7同步向下运动到定位块，以实现粉料沿高度分配；当滑块继续下行，楔形固定块被挤到一边，冲头2、3开始对凹模模腔内的粉体进行压制成形，而压制时，凹模4、冲头6和凹模固定板5均可浮动，其浮动行程可由挡块调节；压制完后，由冲头7顶出制件。

（图片）

图6压制成形模结构简图

1.喂料装置2.上外冲头3.上内冲头4.凹模筒

5.凹模固定板6.下外冲头7.下内冲头

（图片）

图7精压模结构简图

1.凹模2.预应力圈3.上冲头4.下冲头5、10.垫板

6.下模座7.垫板8、9.模具固定板11.上模座12.顶杆

13.烧结坯14、19.螺栓15.制件16.螺钉17.螺母18.垫圈

烧结坯的精压模结构如图7所示。烧结坯由其外凸缘定位，靠其内孔负偏差的余量体积转移来实现体积精压，由下冲头将制件顶出。生产实际表明，采用上述的压制与精压成形工艺以及相应的模具结构，完全能够满足产品质量和生产率的要求。

参考文献

1，余智勇，康永林，李亚军.金属粉末件钢模压制成形与质量控制方法，锻压技术，2000(1).

2，国家自然科学基金委.自然科学学科发展战略调研报告：冶金与矿业科学.北京：科学出版社，1997.

3，任学平，康永林.粉末塑性加工原理及其应用.北京：冶金工业出版社，1998.

4，АКГрабчак，ИДРадомысельский， ГГСердюк. Расчетиконструирование пресс-форм дляпрессованияметаллических порошков.КИЕВ：ИПМАНУКРАИНЫ，1983.

5，ЛАПозняк.Инструментальныестали.КИЕВ： НАУКОВАДУМКА，1996. 7/8/2007


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