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： (8b)

此时，凹模与预应力圈的过盈量为：

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

(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：

(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. (end)

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