模具设计

合肥学院化工系

题目: 粉末冶金模具设计 专业: 粉体材料科学与工程 班级: 14粉体(1)班 姓名: 刘 迪 学号: 1403011008 指导老师: 赵娣芳

2017年 12 月 20 日

粉末冶金模具设计任务书 粉末冶金零件压模结构设计

二、设计要求

1. 根据所给零件结构图绘制压坯结构图、装粉图、脱模图各一张，并对压坯的尺寸、重量进行计算和标注。

2. 根据所绘压坯结构图绘制模架模具装配图一张，对相关模具尺寸进行详细计算。

3. 选择成形该压坯所用的设备并描述选择依据

4. 对设备结构特点及模具动作过程进行详细介绍并绘制模压成形动作曲线。

1

前言................................................................................................................................ 3 1. 压模设计的基本要求和方法................................................................................... 4

1.1模压成形过程及压模设计基本要求.............................................................. 4 2.压坯设计及计算......................................................................................................... 6

2.1压坯精度的设计.............................................................................................. 6 2.2压坯尺寸计算.................................................................................................. 6 3.压机的选择................................................................................................................. 9

3.1压机类型.......................................................................................................... 9 3.2压机的选择依据.............................................................................................. 9 3.3油压机的选型及计算.................................................................................... 10 4.压模设计基本原理................................................................................................... 12

4.1压制过程中粉体的密实化过程和力的分析................................................ 12 4.2单向压制方式对压坯密度分布的影响 ...................................................... 13 5.粉体材料模压成形设备与压制工具系统............................................................... 14

5.1成形设备........................................................................................................ 14 5.2压制工具系统................................................................................................ 14 5.3压制过程对成形设备及压制工具系统的动作要求.................................... 14 6.压模结构设计........................................................................................................... 15

6.1压模结构分析................................................................................................ 15 6.2压制过程自动化与自动压模结构设计........................................................ 15 6.3模架的选择.................................................................................................... 16 7.压模和压模零件的尺寸计算................................................................................... 18

7.2压模零件尺寸计算........................................................................................ 18 7.3提高模具寿命的途径.................................................................................... 20 8.结束语....................................................................................................................... 21 参考文献...................................................................................................................... 21

2

前言

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。近些年来, 由于一些新技术的兴起, 如机械合金化、粉末注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等, 使得粉末冶金材料和技术得到了各国的普遍重视, 其应用也越来越广泛。目前, 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。通过不断引进国外先进技术与自主开发创新相结合，中国粉末冶金产业和技术都呈现出高速发展的态势，是中国机械通用零部件行业中增长最快的行业之一，每年全国粉末冶金行业的产值以35%的速度递增。

全球制造业正加速向中国转移，汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。另外，粉末冶金产业被中国列入优先发展和鼓励外商投资项目，发展前景广阔。

我国粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投入缺乏与困扰。(5)工艺装备、配套设施落后。(6)产品出口少，贸易渠道不畅。随着我国加入WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。据《中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告前瞻》数据显示，目前，中国粉末冶金零件及含油轴承总产值超过55亿元，占全球市场比重较小，发展空间也较为广阔。通过不断引进国外先进技术与自主开发创新相结合，中国粉末冶金产业和技术都呈现出高速发展的态势，是中国机械通用零部件行业中增长最快的行业之一，每年全国粉末冶金行业的产值以35%的速度递增。全球制造业正加速向中国转移，汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来了不可多得的发展机遇和巨大的市场

3

空间。另外，粉末冶金产业被中国列入优先发展和鼓励外商投资项目，发展前景广阔。

1. 压模设计的基本要求和方法

1.1模压成形过程及压模设计基本要求 1.1.1模压成形过程

是将一定质量（体积）的金属（合金）粉末或金属粉末与无机非金属粉末及一定成形剂的混合物装入刚性模腔，然后通过上、下磨冲沿单一轴向方向对粉末施加一定大小的压力，使松散的粉料在封闭的模腔中压缩成具有一定尺寸、形状、密度与强度的压坯，再将压坯从模中脱出的工艺过程。整个过程包括装粉，压制，脱模三个步骤。

1）装粉前，首先应根据设计计算，确定满足压坯单重、密度要求的粉末质量，然后采用量重法或容量法将一定量的粉末均匀装入阴模腔内。

2）压制时，可以通过控制单位压制压力或采用高度限位块控制压缩粉末的距离来保证压坯所需高度尺寸与密度。

3）脱模：可采用顶出式脱模或引下式脱模使压坯从模腔中脱出。 1.1.2压模设计基本要求

一般来讲，在压制过程中，要达到一定的尺寸、形状和平均密度是比较容易的，但要使压坯密度分布均匀却比较困难。形状越复杂，越难使压坯密度分布均匀。压坯密度分布的不均匀性不但最终影响产品的力学性能，而且也是引起压坯

4

开裂、分层、掉边掉角、烧结收缩不均、产品变形、精度超差等压制废品的重要原因。因此：

第一：除了要尽量保证压坯的尺寸、形状和精度，以便在压坯烧结后满足产品尺寸、形状和精度要求，减少后续辅助机械加工，提高材料的利用率，降低生产成本，充分发挥这种零件制造技术和方法的优势外，还要尽量保证压坯密度分布的均匀性，减少压制废品，提高半成品的合格率，降低生产成本。这就要求根据产品尺寸形状，合理进行压坯设计，合理配置粉末数量，并使压坯各部分尽可能达到一致的压缩程度（注意不是一致的压缩量），周密考虑压模结构，合理选择合适的压制方式和脱模方式，充分利用摩擦的有利作用，克服摩擦作用的不利影响；

第二：在根据所要生产的零件的尺寸、形状、精度和性能要求、生产批量、生产工艺和有关设备条件、所用的粉末原料有关工艺参数等设计资料进行压坯和压模结构设计时，在满足上述要求的前提下，既要考虑生产的经济性，尽量简化模具结构，合理选择模具材料，合理提出模具加工要求（包括尺寸公差、表面粗糙度、形状与位置精度、热处理要求等），减少模具加工难度，降低模具制造费用，又要容易调节，方便操作，降低劳动强度，改善劳动条件。

第三：要尽可能采用先进的计算机辅助设计与制造技术，尽量采用通用模架和通用模具零件，逐步实现模具零部件的通用化和模具零件生产的批量化，以提高模具设计制造效率，降低模具设计制造成本。 1.1.3压模设计的基本方法和步骤

压模设计的基本方法有两种，一种是传统的人工设计方法，另一种是计算机辅助设计方法。人工设计方法步骤：

（1）设计前首先需要认真收集、了解和掌握有关设计资料，为模具设计提供基本的依据；

（2）根据所掌握的上述资料，先要对所有生产的产品零件图纸进行全面的技术与经济可行性分析；

（3）压坯设计确定后，就要根据压坯的尺寸、形状、精度和密度要求，结合成产批量和压机设备进行压模结构的设计，具体考虑如何实现装粉、压制和脱模这几个基本动作要求。

5

（4）压模结构确定后，就要对压模零件的结构、尺寸进行设计计算（包括强度校核与计算）。

2.压坯设计及计算

2.1压坯精度的设计

压坯精度设计正确与否，不但关系到产品的最终精度，也关系到模具零件加工精度要求的高低，从而影响到模具零件加工方法的选择和模具制造费用的高低，同时还涉及对压机精度、压模结构及模具安装调试等方面的要求。此外，压坯精度要求也是生产管理、质量控制和半成品检验的重要依据。因此，压坯精度设计是压坯设计的重要内容之一。压坯精度设计既然考虑产品精度要求，又要考虑粉末冶金产品零件制备技术所能达到的精度水平及生产的经济性。

首先考虑产品零件的精度要求，一般来讲，产品的零件精度要求越高，压坯精度也应相应提高。

采用模压成形、烧结方法生产的产品零件的精度，不但与压坯精度有关，而且与粉末类型（还原粉、雾化粉、电解粉、羟基粉等）、化学成分、杂质种类及其含量、粉末颗粒形状、粉末粒度与粒度组成、压坯密度的均匀性、烧结工艺条件（温度、时间、气氛等）、后续加工处理等许多因素有关。可以先选用低的压坯精度，然后采取辅助加工等后续处理加工更经济、更合理。

此外，压坯的径向（垂直于压制方向）的尺寸精度和表面粗糙度一般比轴向（平行于压制方向）的尺寸精度和表面粗糙度高，且比较容易获得较高的精度等级。这是因为，压坯径向的精度主要取决于模具（阴模、芯杆等）的尺寸精度和模壁的粗糙度。则，径向精度要求设计得高一点，而轴向精度要求则适当放宽一些。

2.2压坯尺寸计算 2.2.1压坯的弹性后效

压坯的弹性后效是表示压坯弹性膨胀程度的一个重要参数，用压坯径向或轴向的膨胀量同膨胀前压坯的径向或轴向尺寸的百分比来表示，即

t=(l－l0)/l0×100%

式中，t-压坯的弹性后效，l-压坯脱模后的尺寸，l0-压坯脱模前的尺寸。

从生产实际中知道，压坯沿高度方向（压制方向）的弹性膨胀常常大于径向

6

（垂直于压制方向）的弹性膨胀。另外，压坯弹性后效的大小无论轴向还是径向都受粉末的特性（粉末颗粒本身的塑形、粉末粗细、粉末颗粒形状等）、压制单位压力、成形剂的种类和数量以及压模的材质、结构、刚度等的影响。对于相同压坯来说，组合阴模所引起的弹性后效比单层厚壁筒阴模小，硬质合金阴模比钢模小。总之，影响压坯弹性后效的因素是多方面的，在选择压坯弹性后效时应根据具体的情况恰当选择。

表1 部分金属粉末压坯的径向弹性后效

密弹性后效/% 度 5.6~6.1 6.1~6.5 6.5~7.2 7.2~7.6 /( g/cm3) 粉末压坯 铁基 6-6-3 青铜 紫铜 2.2.2烧结收缩率

0.1~0.2 0.15~0.25 0.20~0.30 0.05~0.15 0.10~0.20 0.15~0.25 0.08~0.12 0.10~0.20 压坯烧结收缩的程度通常用烧结收缩率来表示。它一般是用压坯在烧结过程中的线性收缩量同烧结前压坯尺寸的百分比S来表示，即：

S=（D坯－D烧）/D坯×100%

式中，S-烧结收缩率，D坯-压坯烧结前的尺寸，D烧-压坯烧结后的尺寸。

压坯的烧结收缩率受许多因素的影响，其中主要的有粉末的化学成分、压坯密度、烧结工艺（温度、时间、气氛）等。不同金属的粉末，其烧结收缩率不同；不同合金元素对烧结收缩率的影响也不同。一般来讲，烧结温度越高，时间越长，收缩就越大。保护气氛也是个不能忽视的因素，真空和良好的还原性保护气氛可增大收缩率，反之则阻碍收缩，甚至根本烧不好。另外，有利于烧结过程进行的其他措施（如铁、铜基制品的预氧化烧结、振动烧结、

气氛中加入少量的卤化物等）也可增大收缩。表2为部分压坯的烧结收缩率，设计计算时应根据实际情况，合理选择。

表2 部分压坯的烧结收缩率

7

成分 纯铁 密度/（g/cm3） 5.6~6.1 6.1~6.5 6.5~7.1 收缩率/% 0.5~0.8 0.3~0.7 0.2~0.4 0.5~1.0 0.4~0.8 0.3~0.5 0.4~0.7 0.1~0.5 ±0.2 工艺条件 烧结温度1080~1150℃ 铁-碳 （含碳1%~3%） 5.6~6.1 6.1~6.5 6.5~7.1 烧结温度1080~1120℃ 铁-铜-碳 （铜2%~8%碳0.5%~1.5%） 6-6-3 青铜 5.6~6.1 6.1~6.5 6.5~7.1 烧结温度1120~1150℃ 6.5~7.1 1.2~2 烧结温度780~830℃ 对于纯铁制品，根据表格，选择密度为6.1~6.5g/cm3之间的进行计算（假定为6.5g/cm3）。则其对应的径向弹性后效为0.15%~0.25%（取0.25%），径向收缩率为0.3%~0.7%（取0.7%）。而轴向弹性后效高达1.2%~1.5%（取1.5%），轴向收缩率为1.8%~2.5%（取2.5%）。 2.2.3压坯密度与单重的确定

确定压坯的密度与单重也是压坯设计不可缺少的内容之一。压坯的密度和单重是两个相互关联的压坯参数，确定其中一个，另一个即可根据压坯的体积（由压坯尺寸求得）来确定：

压坯的密度=压坯的单重/压坯的体积 压坯的单重=压坯的密度x压坯的体积

在压坯密度未知的情况下，压坯的单重就不能由上式来确定，而是根据用户对产品密度（或是产品的相对密度、产品的孔隙度）要求和产品的体积（如果出于模压成形要求，对产品尺寸形状进行了修改的话，应以修改后的产品尺寸形状计算其体积）来确定。即：

W产品=V*d产品=ρ*d理论V=（1-θ）d理论V

由产品的单重或产品的密度（相对密度或孔隙度）和体积就可以确定压坯单重。考虑到混合料添加有少量的成形剂（硬脂酸眼、油酸、汽油橡胶、石蜡等），

8

另外压制过程中模具间隙也会引起少量粉末的损失，压坯的单重应比产品的单重大一点，应乘上大于1的系数K，K值一般为1.05左右，所以：

W坯=KW产品=KV*d产品=Kρ*d理论V=K（1-θ）d理论V 需要指出的是：压坯的单重和密度设计既不是可有可无和随意的事，也不是一经确定就丝毫不能改变的。

则根据所给零件尺寸，得出对应压坯尺寸为A1：Ø20.20；A2：Ø16.07；A3: 12.03；B1: 6.05; B2：18.31。

3.压机的选择

3.1压机类型

目前压机的类型主要为机械式压机和液压机两种，其中机械式压机主要分为凸轮式机械压机、杠杆式粉末压机、曲轴式压机（冲床）及肘杆式压机，而液压机根据液体介质不同，可分为油压机和水压机。 3.2压机的选择依据

机械式压机的生产效率较高，一般为液压式压机的1.5~5倍。由于机械式压机的动作行程由凸轮轮廓形状、曲轴或者偏心轮半径等决定，对于具体的一台压机而言其尺寸是设计制造时确定了的，而且压制行程也可以进行调节。因此，机械式压机所压的压坯高度上的尺寸精度较高。因受压机结构的限制，机械式压机的吨位较低，行程较短，允许的装粉高度和压块高度不高，因此，机械式压机比较适合尺寸较小、高度较矮的零件模压成形。另外机械式压机冲击作用较油压机大，安全防护、过载保护的难度也较大，普通的机械式压比较容易发生安全事故。所以机械式压机不适合此次零件的加工设计。

冲床的工作原理一般是曲柄压力机，通过电动机驱动飞轮，并通过离合器，传动齿轮带动曲柄连杆机构使滑块上下运动，带动拉伸模具对钢板成型。所谓的双动就是指压力机有两个滑块，分为内滑块和外滑块，内滑块带动模具的凸模或凹模，外滑块带动模具上的压边圈，在拉伸时压边圈首先动作压住钢板边缘,内滑块再动作进行拉伸。

而液压机则是利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，种类很多。当然，用途也根 据需要是多种多样的。如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压、液压机是一

9

种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。液压机除用于锻压成形外，液压机也可用于矫正、压装、打包、压块和压板等。液压机包括水压机和油压机。以水基液体为工作介质的称为水压机，以油为工作介质的称为油压机。液压机的规格一般用公称工作力（千牛）或公称吨位（吨）表示。锻造用液压机多是水压机，吨位较高。为减小设备尺寸，大型锻造水压机常用较高压强（35兆帕左右），有时也采用 100兆帕以上的超高压。其他用途的液压机一般采用 6～25兆帕的工作压强。油压机的吨位比水压机低。

液压机通常用来给模具（热固型橡胶模具，拉伸金属薄板模具等等）施加压力，动作频率较低。它施加给被压物体的总压力通常比冲床更大。水压机的压制压力很大，多用于重型机械厂和造船厂等。油压机的压制压力较水压机小，在许多工业部门都得到了广泛应用。粉体材料模压成形使用的液压机主要是油压机。

所以综合考虑，压机选择油压机更为合适。 3.3油压机的选型及计算 3.3.1油压机的类型

（1）油压机按结构形式分类

现主要分为：四柱式油压机（三梁四柱式、五梁四柱式）、双柱式油压机、单柱式油压机（C形结构）、框架式油压机等。 （2）按油压机的用途分类

主要分为金属成型油压机、折弯油压机、拉伸油压机、冲裁油压机、粉末（金属，非金属）成型油压机、压装油压机、挤压油压机， 挤压成型等。 3.3.2油压机的选型及计算

根据零件形状及压坯结构，我们选择下缸式四柱油压机，如下图所示：

10

下缸式四柱油压机性能特点：通过四根立柱把上下横梁连接起来，且带定位套的活动横梁靠四根立柱导向，机器具有结构简单，制造成本低等特点，故应用最为广泛。

下缸式四柱油压机产品特点：主油缸采用合金钢整体锻造或优质球墨铸铁整体铸造，并经精密研磨，在高压状态下使用可靠；主活塞采用合金钢整体锻造，表面精磨并镀硬铬，耐磨性好；立柱采用高强度合金钢制作，整体调质加工，表面精磨并镀硬铬，耐磨性好。 压机技术参数的选择及计算： 令最大行程为Smax,则受力行程：

XDF-S系列下缸式四柱油压机技术参数 型 号 单位 XDF-10XDF-200XDF-150S XDF-300S 0S S 100 100 820 400 150 120 820 400 200 150 820 400 300 150 820 400 XDF-500S 500 200 900 600 主缸公称ton 力 主缸最大mm 行程 工作台距mm 地面高度 开口高度 mm 最大快mm/s 速活动工作下台运行 动速最度 大工mm/s 进速

210 210 180 140 135 5/10 4/7 4/7 3/6 3/6 11

度 最大回mm/s 180 180 程速度 活动左mm 400 400 工作右 台尺前mm 500 500 寸 后 有无T形槽、联接螺 无-M16 无-M16 钉尺寸 电机功率 机器参考重量

kw kg 5.5 2300 5.5 2600 120 110 110 450 550 无-M16 550 650 无-M20 700 800 无-M20 5.5 3200 7.5 4500 15 7500 由于压坯高度约为18mm,所以由上式可计算得Smax为150mm~180mm。所以可以从符合要求的XDF-150S、XDF-2000S中选择；同时当产品批量大，形状简单、尺寸小，要求生产效率高时，宜选用每分钟行程次数多的、速度快的压机，所以进一步选择XDF-2000S为所需的压机型号。

4.压模设计基本原理

4.1压制过程中粉体的密实化过程和力的分析 4.1.1压制过程中粉体的密实化过程

（1）当松装的粉体在封闭的钢模中受到外加压力作用时，粉体内的“拱桥”现象遭到破坏，粉末颗粒通过位移、转动与变形等方式重新排列，一些孔隙被填充，颗粒之间进一步靠拢，接触面积增加，整个体积明显减少，密度明显增加。

（2）随着压坯密度的增加，粉体内孔隙越来越少，颗粒之间的接触面越来越大，颗粒之间的机械啮合程度更紧，弹性变形程度增加，粉末颗粒移动变形的阻力越来越大，因而粉末颗粒进行移动和转动的难度也增加，密度增加，速度变

12

慢。

（3）随着压力的进一步提高，当施加到粉末颗粒上的力超过它的弹性极限时，粉末颗粒将发生一定程度的塑性变形。 4.1.2压制过程中力的分析

粉体在压制过程中不但有引起粉末颗粒位移、变形或断裂，从而导致内部孔隙减少，颗粒之间接触面积增加，压坯密度提高的外力作用，而且也存在粉末与粉末、粉末与模壁之间的摩擦阻力，模壁与压坯之间的侧压力和使压坯从模腔中脱出所需要的脱模压力。压制压力与脱模压力是模具设计和设备选择的基本依据。

（1）压制压力

压制压力是为获得所要求的压坯密度和强度施加到粉末体上的外加总压力。在进行模具设计及设备选型时，需要知道压制压力的大小。压制压力的大小随粉体的单位压制压力和压坯横截面积的不同而不同。

（2）脱模压力

粉体作为一种非连续可压缩体在封闭的模腔中在外力作用下被压缩时，压坯中会产生很大的内应力。在这种内应力的作用下，压坯力图向外膨胀，其中在垂直于压制方向上，压坯对模壁产生一个水平方向的侧压力，引起阴模发生弹性膨胀。与此同时，模壁也会给压坯一个大小相等、方向相反的正压力，以阻止压坯的膨胀。

4.2单向压制方式对压坯密度分布的影响

单向压制示意图 密度变化 摩擦压力损失与坯块尺寸的关系：

单向压制只有一个活动模冲，通常是上模冲动，下模冲不动。坯块高度越高，

13

坯块上下密度差越大，原因是摩擦压力损失的存在。为了减小坯块上下密度差，单向压制只压制比较薄的坯块。

压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，各层的厚度和形状均发生了变化，由图可知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小[8]。

因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。 为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：

1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具； 2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性； 3）模具设计时尽量降低高径比。

5.粉体材料模压成形设备与压制工具系统

5.1成形设备

从粉体成形的方法来讲，粉体密实成形除了广泛使用的钢模冷压成形（通常称之为模压成形）之外，还有粉末注射成形、粉末挤压成形、粉末温压成形、粉末轧制、粉末锻造、冷热等静压等。

不同的成形方法需要采用不同的成形设备。

成形设备的水平在一定程度上代表了一个国家、一个企业的粉体材料及零件的制造生产能力和水平。 5.2压制工具系统

由压机、模架及模具组成的具有不同动作功能特征，能满足压制过程动作要求的工作系统称之为压制工具系统，分为：

（1）带多模板模架的多动作压机配置结构相对简单的压模所组成的工具系统；

（2）简单动作压机配置结构比较复杂的模架和模具所组成的工具系统。 5.3压制过程对成形设备及压制工具系统的动作要求 （1）不同装扮高度及装扮方式的动作要求； （2）不同压制方式的动作要求；

14

（3）不同压制压力、压制先后顺序； （4）压制速度及压制行程的动作要求； （5）不同脱模方式的动作要求。 5.4模压成形动作曲线

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

6.压模结构设计

6.1压模结构分析 6.1.1单向自动压模

相同点：单向自动压模和单向手动压模一样，都是用来成形压坯侧面积与横截面积的比值S侧/S截<=K，或圆柱体压坯的高径比H/D<=K/4及圆环状压坯的高厚比H/D<=K/2的压坯。

不同点：单向手动压模结构简单，制造容易，有些模具的脱模杆、脱模座、高度限制块、垫板等可以共用或搭配使用，灵活性较大，劳动强度较大，一般用于科学研究，新产品试制或小批量生产；

单向自动压模采用自动装粉、自动压制、自动脱模，生产效率高、劳动强度低、产品质量也比较稳定，适合较大批量的生产。 6.2压制过程自动化与自动压模结构设计 6.2.1压模过程自动化对压模结构设计的基本要求

15

压制过程自动化是指压机及其工具系统按照要求连续不断、自动有序、安全高效完成送粉、压制、脱模、复位等压制成形动作。

自动压模结构设计就是根据压坯尺寸，形状和压机结构，设计一种能自动完成压制成形过程的压模结构，包括压模和模架的基本结构。这种自动压模结构主要包括自动送粉、自动压制、自动脱模与自动复位这三部分。

首先满足对送粉高度、送粉方式、压制方式、压缩距离（压缩量）、压制先后顺序、压制速度、脱模方式等设计要求外，还要从设计上满足连续不断、自动有序、安全高效地完成压制动作要求。 6.2.2压模结构设计要求

粉体模压成形模具主要零件包括：阴模、芯杆、模冲。在进行模具零件结构设计时，应考虑压制成形过程要求、安全（人身、设备、模具）要求、与模架连接要求、装配要求、制造要求等。

阴模要求：①阴模高度应能容纳压制所需的松散粉末，并使上、下模冲有良好的定位和导向；②能保证压坯外形的几何形状和尺寸精度；③工作面的粗糙度Ra≤0.8um；④工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性；；⑤在工作压力下应具有足够的强度和刚性； ⑥根据产品的批量和复杂程度，选择合适的阴模材料⑦结构上应便于制造和维修，使用安全，操作方便⑧能使压坯完好的脱出⑨平磨后需退磁。

芯棒要求：①保证压坯内腔的几何形状和尺寸精度②工作面的粗糙度Ra≤0.8um；③与上下模冲应有良好的配合、定位和导向④工作段应有高的硬度④平磨后需退磁。

模冲要求：①工作表面要有足够高的硬度和良好的耐磨性，材料的选择与处理应考虑有适当的韧性；②上、下模冲对阴模和芯棒应有良好的配合、定位和导向，并有合理的配合间隙，复合的模冲（即有压套时）应能脱出压坯③上下模冲的工作面和配合面的粗糙度Ra≤0.8um，非工作段的外径可适当缩小，内径可适当放大，减少精加工量和阴模、芯棒之间的摩擦④有关部位应能保证垂直度、平行度和同轴度等技术要求④平磨后需退磁。 6.3模架的选择 6.3.1零件形状分析

16

从所给的零件结构图来看，所要设计的零件为等截面件，其形状示意图如下：

6.3.2模架的选择

模架的结构不但与压机的结构密切相关，而且还随压坯尺寸、形状的不同而异。对于垂直于压制方向上截面尺寸形状不发生变化的等截面（等高）压坯来说，无论截面形状是圆形、环形、矩形、多边形，还是其他不规则形状，都只带有上下两个平行端面。成形这类压坯，只需要一个阴模、上下两个模冲和一至数根芯杆（对于带通孔的压坯而言）即可。成形这类压坯的模架相对比较简单，一块安装固定上模冲的上模板、一块（个）安装固定下模冲的下模板、一块（个）安装阴模的阴模板（或阴模座）和安装固定芯杆的模板及必要的导向、连接类零件即可。这种用来成形上述等高压坯的模架就是所谓“一上一下”式A型模架，其结构示意图下型模架所示。

由于设计的零件为等截面的压坯，所以选用简单的A类模架结构，即一上

17

一下式模架。

7.压模和压模零件的尺寸计算

7.2压模零件尺寸计算 7.2.1压缩比

压缩比是表示粉末压缩参数的基本参数之一，是指粉末未被压缩之前的体积与压缩后压坯的体积比，即

k=V粉/V坯

式中，k为压缩比，V粉为松装粉末体积，V坯为压坯的体积。

因为在压制过程中，钢模的截面积可认为没有发生变化，对于整个高度方向上的截面积形状与尺寸一样的柱形模腔来说，压制前粉末的横截面积与压制后压坯的横截面积相等，即S粉=S坯。于是松装粉末的体积与压坯的体积之比等于它们的高度之比。因此，压缩比也可用粉末的松装高度与压坯高度之比表示，即

k=V粉/V坯=H粉S粉/h坯S坯=H粉/h坯 式中，H粉为松装粉末的高度，h坯为压坯高度。

需要指出，不同的产品，由于材质不同，性能要求不同，对压坯的密度要求也不同。另外，不同的粉末，由于成分、颗粒形状与大小、粒度分布、添加的成形剂种类与数量不同，粉末的松装密度也不同，实际生产中在一定范围内有些波动。表3提供了压缩比数据范围，设计时需根据具体情况适当选择。

表3 某些粉末冶金制品的压缩比

压坯类型 黄铜制品 青铜轴承 铁基零件，低密度 铁基零件，中密度 铁基零件，高密度 压缩比 2.4~2.6 2.5~2.7 2.0~2.4 2.1~2.5 2.4~2.8 压坯类型 铁氧体 铜-石墨 硬质合金 钨 钛 压缩比 3.0 2.0~3.0 3.0 2.5 2.5 根据表格，选择铁基零件，中密度压坯类型，则其压缩比范围为2.1~2.5（取为2.5）。

根据压坯尺寸，得出对应粉装高度为H粉=45。 7.2.2模冲高度的确定

18

下模冲的定位高度是根据下模冲与阴模之间的装配需要而选定的。总的来说，以能满足下模冲在阴模中的定位需要为原则，一般取10~30mm（取20mm）。手动模的定位高度要比自动模大些；如果压机或模架的导向精度不高，也应适当增大定位高度。

在采取容量法装粉的自动压模中，粉末与阴模上端面持平，上模冲是采取机械夹固方式连接在垫板上进行定位的。因此，在计算阴模高度时不必留意这个高度（即h上=0）。

故，模冲高度为：h上=0，h下=20。 7.2.3阴模高度的计算

阴模高度应满足装粉高度和模冲定位的需要。因此，阴模高度一般包括松装粉末的高度、下模冲的定位高度和上模冲压缩粉末前进入阴模的深度，即 H阴=H粉+h下+h上

式中，H阴为阴模高度，h下为下模冲定位高度，h上为上模冲压缩粉末前进入阴模的深度。则

H阴=35.78+20+0=65.78 7.2.4芯杆长度的确定

芯杆的长度应不超过阴模上端面或略短一点，以便于自动送粉，但不宜过低，以免引起夹粉，磨损芯杆。芯杆不宜过长，以免给芯杆的加工带来麻烦。特别是细长杆件在热处理时容易变形，加工精度也难保证。为此，在模具结构需要较长的芯杆时，可分成几段，然后组装起来。

故本组选取两段芯杆组装，两段芯杆长各为35.00。 7.2.5阴模内径的计算

压坯的外径是由阴模的内径直接决定的。因此，阴模的内径应根据压坯的外径要求进行确定。当需要精整外径时，还应留有精整余量（取0.02mm）。因此

故阴模内径为：D阴内=20.32。 7.2.6芯杆外径的确定

和阴模内径的确定方法类似，芯杆的外径是根据压坯内孔尺寸的要求确定的。但应注意：当要求压坯内孔有精整余量或机加工余量（取0.02mm）时，芯杆外径应减少相应的余量。

19

故芯杆外径为：d芯=16.05。 7.2.7模冲内外径的确定

模冲的内、外径是按照与之配合的芯杆外径和阴模内径来确定的。具体来讲，模冲内孔直径（内径）的基本尺寸应与芯杆外径的基本尺寸一样，而模冲外径基本尺寸则应与内径的基本尺寸一样。一般情况下，需要根据压模零件的尺寸大小、压坯的精度要求、粉末的粒度等合理选择配合间隙。一般选取0,。01~0.03mm。（本组选取0.02mm）

故模冲内、外径为：d模内=16.03，D模外=20.44。 7.2.8阴模外径的确定

在压制过程中，阴模及模套承受很高的侧压力。若其强度不足，工作中的阴模或模套就会炸裂；若刚性不足，卸载时会使压坯产生层裂。但是，阴模和模套又不能过厚，以免浪费材料，并造成制造和使用困难。但是，根据经验，在压制一般机械零件时，若阴模外径与内径的比值m在2~3范围内（取m为2），可不进行刚度计算。

D外=mD内=65.78 7.3提高模具寿命的途径 （1）研究和选用新型模具材料

为了节约原材料、提高生产效率、降低成本，世界各国的制造业广泛地采用各种模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。

国外工业发达国家的模具制造业发展很快，从20世纪80年代以来，不少国家模具制造业已经超过机床制造业的产值，模具制造业已经发展成为一个独立的工业部门。 （2）革新热处理工艺

热处理发展的主要趋势是，不断改革加热和冷却技术，发展真空热处理，可控气氛形变热处理等，以及创造新的表面热处理工艺。新工艺和技术的发展主要是：（1）为了提高零件的强度、韧性；增强零件的抗疲劳和耐磨损能力；（2）减轻加热过程中的氧化和脱碳；（3）减少热处理过程中零件的变形；（4）节约能源，降低成本，提高经济效益；（5）减少或防止环境污染等。 （3）模具表面的强化处理

20

模具是各工业部门的重要工艺装备，它的使用性能，特别是使用寿命反映了一个国家的工业水平，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争能力。因此，各国都非常重视模具工业的发展和模具寿命的提高工作。目前，我国模具的寿命还不高，模具消耗量很大，因此，提高我国的模具寿命是一个十分迫切的任务。模具热处理对使用寿命影响很大。我们经常接触到的模具损坏多半是热处理不当而引起。据统计，模具由于热处理不当，而造成模具失效的占总失效率的50%以上，所以国外模具的热处理，愈来愈多地使用真空炉、半真空炉和无氧化保护气氛炉。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。基体强韧化在于提高基体的强度和韧性，减少断裂和变形，故它的常规热处理必须严格按工艺进行。表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表面强化处理方法很多，主要有渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、氮碳共渗、渗金属等。

8.结束语

本次课程设计之前，我们已经学习了《粉体材料成形设备与模具设计》、《粉末冶金原理》、《硬质合金生产原理》等相关课程的知识。

这次在老师的指导下，和同学的互帮互助之下，不断的己查阅资料，基本上懂得了模具设计的步骤和方法。相信经过这次设计后，对以后的工作会有很大的帮助。

参考文献

[1] 熊春林.粉体材料成形设备与模具设计.北京：化学工业出版社，2007。 [2] 周盛安.硬质合金制造工艺学.自贡硬质合金有限公司，2006。

[3] 机械设计实用手册编委员.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2008。 [4] 周书助.粉末冶金材料.湖南冶金职业技术学院，2002。

[5] 陈楚轩.硬质合金质量控制原理.自贡硬质合金有限公司，2007。 [6] 韩风麟. 粉末冶金机械零件[M].北京：机械工业出版社，2003。

[7] 粉末冶金模具设计编写组. 粉末冶金模具设计手册[M].北京：机械工业出版社, 2005。

[8] 周作平，申小平.粉末冶金机械零件实用技术[M].北京：化学工业出版社2006。

21