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摘要：在文獻［1］的基礎(chǔ)上，敘述并歸納了金屬粉末鋼模壓制成形坯及相應(yīng)的壓制模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算方法、內(nèi)容和步驟；并介紹了一典型粉末件的設(shè)計計算結(jié)果。
關(guān)鍵詞：金屬粉末；鋼模壓制成形；燒結(jié)；壓制模具

金屬粉末成形和傳統(tǒng)的金屬塑性加工工藝相類似，對于某一具體金屬粉末件，在確定了其鋼模壓制方法后(參見文獻［1］)，就要根據(jù)該零件生產(chǎn)的有關(guān)技術(shù)要求和原始數(shù)據(jù)，包括制件的零件圖、粉末成分及其工藝性能、加工工藝流程、壓制方法和批量大小等，進行壓制坯和壓制模具設(shè)計。
一、金屬粉末的工藝特性和材料性能參數(shù)與壓制坯計算

1.金屬粉末的工藝特性和材料性能參數(shù)

在制定金屬粉末壓制成形工藝時，其基本特性參數(shù)有：(1)粉末松裝(或搖實)密度，即壓制前金屬粉末在凹模內(nèi)的平均密度ρ0；(2)粉末的可壓縮性，按實驗數(shù)據(jù)或有關(guān)標準確定；(3)粉末的可變形程度，按實驗數(shù)據(jù)或有關(guān)標準確定；(4)粉末流動應(yīng)力。

而在進行壓制成形模具設(shè)計時，還需知道以下參數(shù)：(1)預(yù)先給定的粉末壓制坯的密度ρp；(2)壓制(和后續(xù)塑性加工)后制件線回彈量，用相對值αp(αrp)或絕對量lp(lrp)表示；(3)制件燒結(jié)后的線收縮量，用相對值β或絕對量ε表示；(4)燒結(jié)氧化或其他原因引起的質(zhì)量損耗量，用相對值ζ表示；(5)后續(xù)塑性加工引起的制件密度增加量，用相對值τ表示。上述回彈與收縮量等的相對值可按下式換算成絕對值：

(1)

式中A—制件的線尺寸
αp，αrp，β值預(yù)先給出。

2.確定壓制成形方法

具備了上述技術(shù)資料和數(shù)據(jù)后，可根據(jù)實際生產(chǎn)條件，選擇壓制設(shè)備型式以及相應(yīng)的壓制方法，并選好壓制方向，具體參見文獻［1］。

3.壓制坯的計算

壓制坯的計算，其實質(zhì)就是根據(jù)所加工的粉末零件，決定壓制坯的體積、質(zhì)量和相關(guān)尺寸，以確定壓制凹模型腔的尺寸和檢驗壓制坯的尺寸精度。具體如表1所示。

表1金屬粉末壓制成形坯料計算
計算內(nèi)容 定義或計算公式 有關(guān)說明 壓制坯面積F_p(cm²) 壓制坯在垂直于壓制方向的平面的投影面積 - 壓制坯體積V_p(cm³) V_p＝(1+ξ/100)V_e；V_e—零件體積 ξ—相對質(zhì)量損耗量 壓制坯質(zhì)量G_p(kg) G_p＝ρ_pV_p ρ_p—壓制件平均密度 裝粉質(zhì)量G₀(kg) G₀＝C_mG_p；C_m＝1.02～1.05 系數(shù)C_m考慮了裝粉及壓制時的質(zhì)量損失 壓制坯高度H_p(mm) H_p＝H-l_p+ε+Δ_m；Δ_m—機加工余量，H—粉末零件尺寸 l_p，ε的意義見上，其他線尺寸確定方法相同 裝粉高度H₀(mm) H₀＝K_ρH_p；K_ρ＝ρ_p/ρ₀ K_ρ—粉末壓實系數(shù)

二、凹模與芯棒的工作尺寸

所確定的尺寸包括凹�？偢叨取�凹模型腔及芯棒的工作尺寸，具體如下：

1.凹模總高度

如文獻［1］所述，凹模各段的裝料高度應(yīng)與制件中相對應(yīng)的各段高度成比例，以保證壓制坯密度分布均勻化。而凹模的總高度則主要取決于其裝料高度，同時還要考慮上、下沖頭進入凹模的導向部分，如圖1a所示。

圖1 確定凹模總高度示意圖

H_d＝H₀+h_h+h_l (2)

式中H_d—凹�？偢叨�
H₀—總裝料高度
h_h—上沖頭導入長度h_l—下沖頭導入長度

對于固定式結(jié)構(gòu)，由于凹模本身沿高度方向具有分配粉料的作用，因此可以不考慮上、下沖頭的導入部分(見圖1b)，則

Hd＝H0(3)

2.凹模型腔與芯棒工作尺寸

凹模型腔的工作尺寸主要決定于粉末零件的外尺寸，同時必需考慮粉末體在壓制、燒結(jié)、后續(xù)精壓等工序這些外尺寸變化，以及凹模最大允許磨損量；而芯棒的工作尺寸則主要取決于零件的內(nèi)尺寸，同樣也要考慮其內(nèi)尺寸在各工序的變化，并按零件的上極限偏差確定，以保證芯棒留有最大的磨損余量。具體計算如表2所示。

表2金屬粉末壓制成形模具凹模型腔與芯棒的工作尺寸
- 凹模型腔工作尺寸(mm) 芯棒工作尺寸(mm) 尺寸名稱 計算公式與說明 尺寸名稱 計算公式與說明 壓制模具 型腔名義尺寸 D_n＝D_min-l_p±ε±η_rp
D_min—零件最小允許尺寸
η_rp—后續(xù)精壓余量 芯棒名義
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
允許尺寸 D_n′＝D_max-l_p±ε±η_rp
D_max—零件最大允許尺寸 芯棒最大
允許尺寸 d_n′＝d_min-l_p±ε±η_rp±l_rp
d_min＝d+δ_l—芯棒最小允許尺寸
d—零件孔徑；δ₁—孔徑下偏差 型腔磨損
余量 ΔD＝D_n′-D_n-δ_A
δ_A—型腔尺寸實際偏差量 芯棒磨損余量 Δd＝d_n′-d_n-δ_a
δ_a—芯棒尺寸實際偏差量 后續(xù)精壓 型腔名義尺寸 D_rpmin＝D_min-l_rp 后續(xù)精壓芯棒直徑(孔件) d_rp＝d_max±l_rp
“+”—精壓后回彈使孔徑減小時
“-”—精壓后回彈使孔徑增大時 型腔最大允許尺寸 D_rpmax＝D_max-l_rp 坯料 燒結(jié)坯外尺寸 D_s＝D_min±η_rp
“+”—為正偏差精壓時
“-”—為負偏差精壓時 燒結(jié)坯內(nèi)尺寸 d_s＝d_rp±η_rp
“+”—為負偏差精壓時
“-”—為正偏差精壓時 壓制坯外尺寸 D_p＝D_s±ε
“+”—粉體燒結(jié)后收縮時
“-”—粉體燒結(jié)后膨脹時 壓制坯內(nèi)尺寸 d_p＝d_s±ε
“+”—燒結(jié)后內(nèi)尺寸減小時
“-”—燒結(jié)后內(nèi)尺寸增大時
注：公式中凡有“±”處則表示經(jīng)此工序后尺寸的實際增減。

三、壓制力與凹模預(yù)應(yīng)力圈尺寸

1.壓制力、頂出力和設(shè)備噸位

金屬粉末的壓制力通常由其單位流動壓力所決定：

P＝nF

式中 —金屬粉末平均單位流動壓力，由壓制實驗曲線或?qū)嶋H經(jīng)驗確定
F—壓制坯截面積
n—壓制模中型腔數(shù)量(對一次多件壓制)

確定壓制力后，則可選擇壓力機噸位： P_T＝C_pP (5)

式中Cp—壓力機噸位裕度系數(shù)，Cp＝1.25～1.30

而壓制后制件的頂出力由側(cè)壓力pc、粉體側(cè)表面面積Fc和粉體與模壁的摩擦系數(shù)μ(＝0.1～0.2)確定： P_out＝μF_cp_c (6)

2.凹模預(yù)應(yīng)力圈尺寸

為了提高壓制成形模具的壽命，并保證壓制件的尺寸精度，凹模常采用預(yù)應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其尺寸取決于壓制時凹模內(nèi)壁所承受的壓力大小。對于鐵粉末壓制，其側(cè)壓力可按經(jīng)驗公式估算：p_c＝C_cρ^m_p (7)

式中Cc＝0.00725，m＝6.8

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