粉体材料成形模具设计课件.pptx

1、粉体材料成形模具设计2第一章第一章 压模设计基本要求和方法压模设计基本要求和方法重点：压模设计基本要求和程序步骤重点：压模设计基本要求和程序步骤一、模压成形过程 压制烧结工艺（PM工艺）过程： 混合料装入模具型腔上下模冲沿单一轴向对粉末施压，成形一定尺寸、形状、密度、强度压坯压坯从模具中脱出烧结整形后处理成品 3涉及到的科学技术问题混合料的制备材料科学模具设计加工机械设计与制造工程模压成形粉末冶金工艺烧结粉末冶金原理整形压力加工后处理金属热处理、表面处理等4Planetary carrier,AmericaVehicle rotor,JapanExhaust sprockets,GermanS

2、piral bevel gear, PoriteDrive sprockets, Canada螺旋伞齿轮螺旋伞齿轮行星运动装置机架行星运动装置机架车辆用转子车辆用转子驱动链轮驱动链轮排气装置用链轮排气装置用链轮5压制模具示意图6装粉、压制、脱模示意图7模压三个基本过程：装粉、压制成形、脱模 装粉装粉 装粉有重量法、容量法，是将一定重量的粉末装入模具型腔中 装粉精度会影响产品的尺寸精度、密度甚至可能导致缺陷的形成8关键工艺问题：装粉量精确计量和控制 自动压制中，粉末的稳定灌装决定装粉量的精度，它与粉末流动性、松比稳定、压制模具、设备等有关，涉及粉末（造粒）形貌、特性、成形剂种类、粉末（造粒）粒度

3、分布，有较强的工艺技巧9压制成形压制成形 有定压法和定程法二种控制方式 粉末的受力、位移、形变是决定压制致密化的根本因素，粉末应力应变响应特性、粉末形貌和表面状态、成形剂种类、施加载荷的方式、模具等都对致密化产生影响 10脱模脱模 有上模冲压下脱出、下冲头顶出脱模、阴模拉下脱出等方式 压坯脱模时受模壁摩擦力阻碍作用，脱模的生坯还产生弹性后效。上、下模冲有形位的还受冲头形位的约束 自动模的设计中脱模的方式是设计中考虑的重要因素之一11二、压模设计的基本要求产品形状、尺寸、精度，减少后加工产品密度、均匀性，保证内在质量生产经济性和安全性（包括模具加工、使用便捷可靠）模具设计采用CAD，以便后续数据

4、交换选标准件，实现模具标准化、通用化12三、压模设计的基本方法和步骤1、收集相关资料，对零件进行全面技术、经济可行性分析，为模具设计提供依据 产品图纸和技术要求。包括材质、性能、服役条件，几何形状特点、尺寸精度、表面状态等 产品批量、重量、价格、交货期等商业信息13生产方案：工艺流程、后处理、后加工等相关参数：粉末松比、流动性、压缩性、成形性、压坯密度、弹性后效、烧结收缩率、精整余量、机加工余量等压机类型、模架结构等模具加工的相关信息形成交付产品技术要求、工程图纸等文件形成交付产品技术要求、工程图纸等文件142、确定产品精整/机加工方式、精整/机加工位置、精整量/机加工量形成产品烧结坯的技术要

5、求、工程图纸形成产品烧结坯的技术要求、工程图纸3、按产品技术要求确定粉末材料、压制、烧结工艺，设计压坯形成产品压坯（生坯）技术要求、工程图纸形成产品压坯（生坯）技术要求、工程图纸154、结合产品、压机的特点设计模具结构，充分考虑装粉、压制、脱模绘制模具结构构思图绘制模具结构构思图5、压模结构确定后，对压模零件的结构、尺寸进行强度校核与计算绘制装配图、零件图，提出零件加工技术要求绘制装配图、零件图，提出零件加工技术要求 16压模设计的步骤17压模设计分析示例压模设计分析示例-TV169-TV169齿轮齿轮18TV169TV169齿轮技术、经济性分析齿轮技术、经济性分析 TV169TV169齿轮商

6、业信息齿轮商业信息 此产品的需求量较大，要求每天15K保证客户流水装配线的需求。产品价格可适度承受后加工、后处理费用TV169TV169齿轮性能要求齿轮性能要求 此款产品为车载电视翻屏减速机构后级齿轮，可推断齿轮的转速较低、受力较大。反映到产品的材料性能要求：齿部强度较好，但齿轮精度要求不会特别高 19产品密度的选择和均匀化要求产品密度的选择和均匀化要求 产品HRC32说明要求调质热处理，在这个硬度水平上要求齿部强度较好，实际也要求产品材料具有较好的韧性。因为齿轮受交变负载作用，有疲劳失效的倾向。参考标准手册和经验：FN0202-130HT材料产品的密度7.20 g/cm3可满足使用要求，特别

7、是齿部密度要达到这个标准。这个密度也能达到盐雾试验要求 20原料的选择和粉末的工艺特性原料的选择和粉末的工艺特性 FN0205-130HT材料要达产品的密度7.20 g/cm3需-200目的预合金水雾化粉。这种粉压制成形性、流动性一般，但由于装粉腔（压制面）较大，不需要对粉末作造粒处理。粉末的松比：粉末的松比：3.20 g/cm33.20 g/cm3压制弹性后效压制弹性后效0.35%0.35%烧结收缩率：烧结收缩率：99%(99%(生坯放大系数生坯放大系数1.01)1.01)压坯的密度压坯的密度7.00 g/cm37.00 g/cm321产品的几何形状特点产品的几何形状特点 产品为较复杂压制产

8、品，属上3/下4结构。由于工厂没有此类压机和模架，产品改为PM工艺+机加工完成，修改为上1（2）/下3结构，压制产品见图产品的表面状态要求产品的表面状态要求 产品表面要求电镀镍，厚度0.002mm，配合位置的尺寸精度须考虑此因素22产品各尺寸的精度要求和特点产品各尺寸的精度要求和特点 产品的精度要求主要体现在中心扁孔配轴的精度和齿廓的精度。其它为减重、避空位，精度没有高的要求。工程确定：精整齿廓和中心孔，PM产品齿廓按公称尺寸控制，中心孔双边留0.05mm的整形余量 232425第二章 压坯设计压坯设计的依据压坯设计的依据（烧结）产品技术要求产品材质、原料粉末特性压制成形工艺制造成本26压坯设

9、计包括三方面压坯设计包括三方面：压坯的几何形状、尺寸压坯的尺寸精度、形位精度压坯的密度/单重、密度均匀性27一、压坯设计前准备工作-零件分析 对产品（烧结产品）分析是压坯、模具对产品（烧结产品）分析是压坯、模具合理正确设计的基础合理正确设计的基础 产品服役条件、性能要求、材质零件几何形状特点、尺寸精度、表面状态制造成本 分析时要注意挖掘产品隐性要求和特点分析时要注意挖掘产品隐性要求和特点281、零件使用要求、材质分析据零件使用、性能要求选择材质l粉末冶金标准材料体系中按使用要求选择l在熔锻标准材料体系中按使用要求选择，要注意粉冶材与熔锻材的差异l按特定使用条件要求配制。由于缺乏系统、长时间考核

10、，这类材料的确定要慎重29常见的粉末冶金材料标准常见的粉末冶金材料标准国际标准化组织国际标准化组织ISO5755ISO5755美国金属粉末工业联合会美国金属粉末工业联合会MPIF-35MPIF-35德国、日本粉末冶金材料标准德国、日本粉末冶金材料标准行业粉末冶金材料标准行业粉末冶金材料标准30粉末冶金材料标准包括：材料化学成分配比主要力学性能、物理性能与性能相匹配的密度水平材料特点和应用领域31粉末冶金材料牌号的含义 不同粉末冶金材料标准材料牌号的含义不同，一般而言材料牌号反映了材料的类别、主要成分、力学性能和热处理状态。 例如：MPIF-35中的FN-02-05-80HT322、分析材质粉末

11、特点、粉冶工艺性能l粉末类型、形貌、粒度、松比、流动性l粉末的成形性、压缩性能和烧结性能3、密度和均匀性要求分析l零件性能决定密度和密度分布控制要求l密度与粉末原料的选择有关l密度均匀性对压坯设计有较大影响334、压坯尺寸、形状分析根据压坯尺寸、形状特点确定压模结构和模压成形工艺因压模结构、模具零件强度、刚度等限制不适合模压的产品，综合考虑零件性能和成本，合理修改零件适合模压成形345、零件精度分析零件精度：尺寸精度、形状位置精度、表面粗糙度等。它体现在零件的技术要求中，本质上是零件的使用要求决定的，如配合、定位、相对运动等功能要求。分析零件的使用特点和精度要求，有利于有的放矢保证零件精度 、

12、控制制造成本356、压制工艺和制造成本分析压制工艺与原料粉末的特性、零件的要求、设备的条件等诸多因素有关了解不同工艺的成本差异、部分位置后加工处理的优劣和成本区别36二、压坯几何形状设计l满足零件（力学、机械、功能）技术要求l适于成形工艺（装粉、压制、脱模）l模具加工、使用便捷l发挥粉末冶金净近成形优势，提高材料利用率，减少工艺成本371、装粉、压坯密度均匀性 压坯密度均匀是保证产品性能和防止缺陷的重要因素，按填充系数装粉是实现压坯密度均匀的前提条件 阻碍装粉的可能因素有：l产品台阶过多容易造成压坯密度不均匀l长薄壁位置l尖角、锐边、窄缝、深孔38阻碍装粉阻碍装粉改善装粉改善装粉392、压坯脱

13、模难易 能否脱模、脱模时是否容易产生缺陷，往往是制约模具设计的重要因素，在自动压制模中尤为突出横向孔、槽、螺纹等不能压制成形，应考虑后续机加工长薄壁密度差异大尖角、锐边、窄缝、深孔、深槽薄台阶、突台、沉孔40阻碍脱模阻碍脱模改善脱模改善脱模413、减少压制成形难度、简化模具结构 有些复杂零件无法压制成形，可结合粉末冶金的工艺特点，部分形位后续加工完成或先分拆成形再组合成品常用的方法有：l生坯组合的烧结收缩过盈法l装配组合钎焊法l烧结后组合:过盈压入法 42不能直接压出不能直接压出修改后可修改后可直接压出直接压出4344454、模具强度和使用寿命 压制模具工作压力较大，局部位置零件有过压的可能性

14、。模具设计中要充分考虑模具零件的耐磨、强度、刚度。对深窄槽(脱模阻力大、磨损大)、小孔（芯杆失稳）、倒角(冲头刀口崩缺)，采取措施 46模冲尖角模冲尖角易损坏易损坏改善尖角改善尖角受力受力47为便于分析总结规律，根据零件压制水平截面形状、大小沿压制方向的变化，将零件分类：l等截面（等高）零件；l截面呈连续变化零件l截面呈不连续变化（台阶）零件l组合复杂零件484950等高压坯（无压制台阶）：压制水平截面形状、大小沿压制方向没有变化的零件。模具由上/下冲杆、阴模、芯杆等构成不等高压坯（有压制台阶）：压制水平截面形状、大小沿压制方向有变化的零件。须控制各台阶的装粉高度、粉末压缩率、压制速度，成形过

15、程比较复杂，模具复杂515、零件局部位置常见形状的处理凸台高15%总高，可凹形模冲直接成形。需加大凸台侧面斜度、尖角尽可能园化凸缘宽度较小，可带台阶阴模成形，但需加大凸缘侧面脱模梢、底部尖角要园化压制面沟槽深度低于20%压坯总高，直接压出。需沟槽上、下角园化、脱模梢加大52盲孔：面积20%压坯总面积、深度25%总高，可以直接模冲压出。需修正加大孔侧面脱模梢、底部尖角要园化；园、倒角。A.尖角处更改为宽0.20.3的小平台；B.园曲率半径增长率大、角度减少字母、数字、LOGO等可直接压制成形，也可烧结后整形压出535455565758三、压坯精度的设计 精度设计是压坯设计重要内容之一。压坯精度设

16、计既要考虑产品的精度（尺寸和形位），也要考虑压坯内在质量（密度和均匀性）对精度的影响和粉末冶金工艺能达到的水平，以及生产的便捷性、经济性、安全性等综合因素59压坯的弹性后效粉末原料类型、化学成分、杂质、形貌、粒度、粒度组成等压坯密度的均匀性烧结工艺后续处理1、影响压坯精度的因素：602、粉末冶金压坯精度的特点：等高产品精度高于不等高产品的精度，或者二维复杂产品的精度高于三维复杂产品精度压坯径向的精度高于轴向的精度；个别尺寸的精度提高相对容易，全部尺寸精度要求高控制相当困难 613、提高粉末冶金产品精度的方法简化压坯有利于保证产品精度要求适当降低性能（密度）要求，有利于保证产品精度要求后续精整形

17、后续机械加工 62 粉末冶金产品由于影响精度的因素较多，部分因素精确可控难度大。一般来说粉末冶金产品目前仍属于中、低精度类型产品，过高的精度要求工艺实现难度大，成本上也不经济 高精度粉末冶金产品生产的发展趋势是：粉末冶金工艺与CNC加工相结合 634. 压坯精度的界定的一般原则压坯精度高于烧结产品0.51精度等级模具精度高于压坯产品0.51精度等级64四、压坯密度与单重的确定 压制密度与单重是压坯设计不可缺少的内容之一，是压坯质量控制的重要参数 密度与单重是相关联的 W压坯= 压坯V压坯 W烧坯= 烧坯V烧坯 W烧坯=K W压坯K与成形剂的添加量、原料可还原物量有关 65几个相关概念弹性后效e

18、=(L压坯-L模具)/L压坯*100%烧结（线性）收缩率S=(L压坯-L烧坯)/L压坯*100%模具放大（线性）系数LSF=L压坯/L烧坯孔隙度=（1-相对）*100%=（1-烧坯/理论）*100%66假设： 产品为长方体 烧结收缩是各向同性K 压坯V压坯= 烧坯V烧坯压坯= 烧坯V烧坯/ V压坯K = 烧坯/LSF3KLSF（线性放大系数）=L压坯/L烧坯 =(压坯/K烧坯 ) 1/3 =1/(1-S)烧结产品与压坯的转换67从烧结产品转换成压坯注意的几个问题：考虑烧结收缩的不均匀性，主要是重力影响考虑模具零件的使用磨损考虑压制的压后效应考虑坯尺寸的配合要求（主要是轴、孔）68确定压坯密度的主要因素：产品要求密度烧结收缩率产品的几何形状和复杂程度产品的精度要求