中南大学粉冶院课程设计之模具设计

1、申南大，喙CfcNT WAL SOUTH UfMiVbHSIT Y粉末冶金模具设计课程设计指导老师：姓 名：王XX班 级：学 号：2012年12月25日目录一、引言二、设计任务书三、工艺流程设计四、压坯设计1、 产品零件分析2、 压坯形状的设计3、 压坯尺寸的计算4、 压坯精度的设计5、 压坯密度与单重的确定五、压制方式与压机的选择1、 压制压力及脱模压力计算2、 压制方式的选择3、 压机的选择4、 压模的设计六、模具零件的设计1、 零 件尺寸的计算2、 压 模零件材料的选择 七、附图一、引言材料是中国四大产业之一，它包括有机高分子材料、复合材料、金属材料及 无机非金属材料。粉末冶金技术作为金

2、属材料制造的一种，以其不可替代的独特 优势与其它制造方法共同发展。粉末冶金相对其它冶金技术来说具有：成本低； 加工余量少；原料利用率高；能生产多孔材料等其它方法不能生产或着很难生产 的材料等优势。粉末冶金是采用金属粉末以及将金属粉末或金属粉末与非金属粉末混合料 成型和烧结来制取粉末冶金材料或粉末冶金制品的技术。 粉体成形是粉体材料制 备工艺的基本工序。模具是实现粉体材料成形的关键工艺装备。 模具的设计要尽 可能的接近产品的形状，机构设计合理表面光滑，减少应力集中，避免压坯分层、 开裂。模具本身要有一定的强度保证压制的次数，不易变形。粉体模压成形模具主要零件包括：阴模、芯杆、模冲。模具设计首先要

3、厂家 提供产品图，再确定成型的方式，收集压坯设计的基本参数（包括：松装密度、 压坯密度、粉体的流动性、及烧结收缩系数等。）来算得压坯的尺寸。根据压坯 形状尺寸以及服役条件和要求来设计出成型模具尺寸，校核模具强度。最后在用模具试压，若压坯合格，则此模具符合要求。本次课程设计之前，我们已经学习了热处理原理与工艺、粉体材料成形 设备与模具设计、粉末冶金原理、硬质合金等相关课程的知识。这次在老师的指导下，和同学的相互讨论，自己查阅资料，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三、工艺流程设计本产品为Fe基零件，粉末冶金铁基结构件生产大致工艺流程如下:1、制粉采

4、取还原法制取多孔海绵状的铁粉，采用电解法制取树枝状的铜粉，其 成形性较好。2、混料以铁粉为主要原料，添加石墨炭、铜粉及其他少量合金元素(例如Mn、 V等，根据不同的使用性能添加不同种类和含量的合金元素)。这里，原料 配比为Fe-(1.52)Cu-(0.60.7)C (质量分数),再加入适量的硬脂酸锌 充当成形剂，然后进行混料均匀。3、成形混料均匀后，根据产品的质量算出粉末单重，装粉压制。铁基材料压制 压力一般在400700MPa ,根据产品的尺寸，依照下文计算这里选取压制压力 600MPa 。4、烧结将压制的压坯放置在采用还原性气氛的铝丝炉中进行烧结，通过缓慢加热、保温、冷却三个阶段，该铁基制

5、品采用1120c的烧结温度。由于高温下不同种类原子的相互扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结 品，使粉末颗粒相互结合，提高了粉末冶金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。经烧结后的制件中，仍然存在一些微小的孔隙，属于典型粉末冶金产品。5、后续处理一般烧结好的压坯能够达到所需性能，可直接使用。但有时还需进行必要的后处理。如精整处理，可提高制件的密度和尺寸形状精度；对铁基粉末冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达到润滑或耐蚀目的而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗入制件孔隙中去的熔渗处理，可提高制件的强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。四、压坯设计所谓压坯设计，就

6、是确定所要压制成型的压坯的几何尺寸与形状、尺 寸精度和形状位置精度、压坯密度等。1、产品零件分析本产品为Fe-0.6C的铁基材料，压坯密度为6.5g/cm3,原料的粉末松装密度为2.5g/cm3， 年产量为 40 万件。 压坯的压缩比为K=6.5/2.5=2.6 。2、压坯形状的设计产品的形状及尺寸见模具设计任务书所示，压坯的形状和零件形状基本相同。可知该零件为等截面零件，在圆环柱上挖去四个对称分布的10的圆柱。3、压坯尺寸的计算由 粉体材料成形设备与模具设计P161 查得， 压坯密度为6.5 g/cm 3的铁基制品的轴向弹性后效t1=1.2%,轴向烧结收缩率s1=2.0%径向弹性后效t2=0

7、.25%,径向烧结收缩率S2=0.8%o所以压坯尺寸:压坯高度：（）压坯外径：压坯内径：（）（此计算忽略四个挖空的的圆柱。4、压坯精度的设计采用模压成型、烧结方法生产的产品零件的精度，不但与压坯精度有关， 而且与粉末的类型（还原粉、雾化粉、电解粉、羟基粉）、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、压坯密度均匀性、烧 结工艺条件（温度、时间、气氛）、后续加工处理等许多因素有关。因此， 压坯密度设计既要考虑产品零件的精度要求，又要考虑粉体材料模压成形烧 结工艺方法的特点与所能达到的精度水平。压坯的径向尺寸精度和表面粗糙度一般比轴向的尺寸精度和表面粗糙 度高，且比较容易获得较

8、高的精度等级。由于零件精密结构连接件，故对其 表面精度要求较高，整形后公差应降到IT8的等级。5、压坯密度与单重的确定已知压坯密度为：6.5g/cm 3,由压坯尺寸的计算结果算出压坯的体积：则压坯单重为：由于压制过程中模具间隙也会引起少量的粉末损失，压坯单重应比理论 计算大一些，应乘以大于1的系数K, K值一般大小为1.05左右。故，压坯 单重为：W 坯=970.78 X1.05=1019.32g ,取整后为 1019g 。五、压制方式与压机的选择1、压制压力及脱模压力算设计P=600MPa,压坯的横截面积为:换算为工程单位为 592.6t,又因为制品的压制压力应该为压机额定压力的 60%-8

9、5%，则压机的压力范围为：697.2t 986.7t。零件的脱模压力可由经验公式选择：P 月=0.13P=0.13 X600 =78 Mpa2、压制方式的选择该产品为多个内孔形状，性能要求高，而侧面积较大，因摩擦力而损失的压制压力较大，故采用浮动阴模的非同时双向压制的方法。3、压机的选择产品年产量为40 万件，假设每年工作300 天，每天工作8 小时，则400000=2.8 件 /分钟，取3件 /分钟。由于其尺寸较大、形状比较简单、批量大、生产效率比较高，则选用自动化程度较高的液压式自动压机。已经求得压机的压力范围为：697.2t986.7t,故选择Dorst生产的TPA-H系列的 800H

10、全自动液压机,即公称压制压力为800t 的新一代液压机。4、压模的设产品为等高截面，故采用“上一下一”的A型模架。脱模方式选用引下式脱模，利用产品的弹性后效可使芯杆从定位孔中拖出，实现全自动脱模。压机动作描述：采用辅助油（气）缸驱动料靴进行自动装粉。在料靴到达阴模模口前，料靴前端的橡皮头先将压坯推开，然后料靴盖到阴模模口上，下缸通过拉杆使阴模板和阴模上升回程，进行吸入式自动装粉。当阴模板和阴模回到装粉高度位置时，下缸停止上升，装粉完毕，料靴回程。压制时，上缸驱动上模板向下运动，上模冲进入阴模压缩粉末。当粉末对阴模模壁的摩擦力超过下缸的浮力时，装在芯杆板上的芯杆和阴模板上的阴模便向下浮动， 进行

11、双向压制。压制到位后，上模冲回程，下缸将阴模和芯杆一同拉下，进行引下式脱模，压坯脱模完成后便进入下一回合的压制动作。六、模具零件设计1) 零件尺寸计算2) 阴模的高度计算阴模高度应根据整个压坯高度进行计算。假设下模冲的定位高度为15mm,由于是自动压机，则上模冲压缩粉末前伸进阴模的深度为0mm,粉 末 的 松 装 密 度 为 2.5g/cm3， 压 坯 密 度 为 6.5g/cm3， 则 压 缩 比 为 k=6.5/2.5=2.6 。由 粉体材料成形设备与模具设计P161 查得， 压坯密度为6.5 g/cm3的铁基制品的轴向弹性后效 t1=1.2%,轴向烧结收缩率s1=2.0%径向弹 性后效t

12、2=0.25%， 径向烧结收缩率s2=0.8%。 两端各留0.1mm 的机加工余量，模具零件机加工尺寸公差 0.02mm,本产品的精度要求不高且为多孔 柱状，故不需精整。所以压坯尺寸：压坯高度：坯总的装粉高度：粉，取为 40mm阴模总高H 阴 =40+15+0=55mm3) 上模冲的高度计算采用落入式装粉，阴模板和芯棒板向下运动，所以上模冲取值只要可压到粉末即可。上模冲主体高度拟取H 上 =70mm， 外形按照压坯试样设计。4) 下模冲的高度计算采用引下式脱模，下模冲也作脱模杆用。因此，它的高度主要是从脱 模需要来考虑。为了能将压坯从阴模内脱出，下模冲的高度应大于阴模的 高度55mm,考虑到安

13、装固定等因素，取 H下=80mm。5) 芯杆的长度计算根据压机的结构可知，芯杆的工作段长度应略大于阴模的高度 55mm, 则工作段的长度取70mm,考虑模架结构和便于连接，取 120mm。6) 阴模内径的计算阴模内径：阴模内,取7) 芯杆外径的计算芯杆()(),取另外，还需要取4根的芯杆。8) 上下模冲的内、外径取0.01的滑配间隙，故上下模冲的外径根据基孔制可得，上下模冲的内径，根据基轴制可得，9) 阴模外径及中径的计算产品的理论密度为：理压坯密度为6.5g/cm3,相对密度，单位压制压力取6t/cm2=60kgf/mm2,测压系数 取0.38,则侧压力：x 0.83 x 60阴模材料选用G

14、CU5,其中内模套材料选用45钢，其中应力外夕卜4内内刀 侧, 取2.7,许用应力）（调质态），取1.5,许用两种材料的弹性模量E泊松比V相近，取按等强度设计公式确定组合筒外径，中径取 m=1.8外内（）取 D 外=218mm中内（）取 D 中=162mm选择过盈配合H/p6，阴模外径取，模套内径取2、压模零件材料的选择芯杆材料选用GCU5,热处理硬度HRC6063上模冲材料选用T10A,热处理硬度HRC5660下模冲材料选用5CrNiMo,热处理硬度HRC5860阴模材料选用GCU5,热处理硬度HRC6065装粉座45钢，上下模板4钢，模套材料选用45Cr。1）阴模技术要阴模高度应能容纳所需的松散粉末，并使上、 下模冲有良好的定位和导向；能保证压坯外形的几何形状和尺寸精度；工作面的粗糙度 Ra< 0.8um；工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性；在工作压力下应具有足够的强度和刚性；根据产品的批量和复杂程度，选择合适的阴模材料；结构上应便于制造和维修，使用安全，操作方便；能使压坯完好的脱出；平磨后需退磁。2）芯杆技术要保证压坯内腔的几何形状和尺寸精度；工作面的粗糙度 Ra< 0.8um；与上下模冲应有良好的配合、定位和导向；工作段应有高的硬度；平