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：

(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 型腔最大允许尺寸 D_rpmax＝D_max-l_rp 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 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

式中 —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

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