毕业设计（论文）-小型金属粉末挤压成形机的设计

绪论1.1引言随着我国综合国力不断地增强，在交通工具、家电制造等诸多领域，传统的机械生产技术虽然已经不能满足工业中复杂精细的生产需求,但是粉末挤压成型技术的迅猛发展，为制造业注入了新的活力。在粉末冶金领域中，使用挤压成形技术去生产产品，有着诸多的优点，一方面对于材料的消耗少，加工时间短，另一方面，实际生产出来的产品不仅质量极高，而且还能够压制出各式各样复杂形状的元件[1]。与大部分的制造生产方式相比，挤压成形方式特别适用于大批量的加工尺寸结构相同的零部件，可以极大地降低生产成本。并且，加工完之后不需要再进行其余复杂的加工工序，即可压制成最终需要尺寸形状的坯件。基于粉末挤压成型技术的许多许多优势，随着生产制造技术的不断发展，粉末挤压成型技术将会越来越地应用于机械制造业。挤压成型技术起初来源于冶金领域中的曲柄压力机,其他国家在很久之前便已经开始了对挤压成形技术的开发，1990年，随着美国、德国、日本等制造业发达的国家在我国的投资建厂，我国的挤压成型技术领域得以抓住契机，开始了迅猛的发展。虽然我国的挤压成型技术发展的历史较短，但挤压成型技术已经广泛地用于实际的工业生产中，为制造业的发展不断助力。1.2粉末挤压成型技术粉末冶金领域中，挤压成型是已经发展了很多年的加工方式。挤压成型最常见三个阶段[2]是：①送料盒内装入金属粉末团，送料液压缸推进送料盒。②上冲模向下挤压成型。③下冲模向上将挤压完成的成品从料模内顶出回送料盒中。随着粉末挤压成型技术的不断发展，实际在生产加工时，挤压出的元件密度会变大，结构尺寸也变得复杂起来，这就导致在具体加工时，对于成型产品的加工时间、结构尺寸精确度、品质合格率提出了更高的需求。但是，在具体生产时，不确定因素较多，例如:设备在运行时的稳定性、粉末受到挤压时的滚动性、冲模和料模的组成特征等都会对产品最终的形状结构产生作用。除此之外，粉末的生产经过、粉末团的结构、挤压机和料模的生产方式等也都会在产品的加工过程中产生关键性的作用。依据挤压成型原理，粉末的挤压成型经过大致由如图1-1所示的三个阶段组成。图1-1粉末挤压成型的三个阶段1.3研究现状及发展趋势1.3.1研究现状中国的粉末冶金技术自1955年开始不断地成长，现在已经进入到了高速发展时期，粉末挤压成形技术更是在近年得到了快速发展的一门新兴科学，全球近30%～35%的产品都是通过粉末挤压成形技术生产出来的。粉末冶金加工行业生产时的投入低、生产质量好，生产效率高，（材料利用率能达到95%～98%），对环境污染小。使用粉末挤压成型技术生产出来的产品在硬度、强度及精度等方面与机械加工出来的产品不相上下，并且产品的尺寸稳定性极佳，特别适用于标准化大批量的生产[3]。根据实际的加工生产需求来进行模具结构的改进或是通过变换作用方式等途径,金属粉末挤压成型技术可实现复杂性能要求及特殊形状产品的加工成形,进而涌现出了一些“非”常规的挤压成型工艺方法,大大丰富了现有的挤压成型工艺的应用领域和技术手段[4]。依据实际生产中挤压方式的差别，挤压成型分成两类，第一种是发展历史较长的直接挤压，第二种是发展时间较短的间接挤压。直接挤压是将压力直接作用在待加工表面，实际效果良好。间接挤压是通过挤压把粉末挤压至型腔内，再将压力作用到待加工表面，加工出来的产品能够达到很高的要求[5]。1.3.2发展趋势挤压成型机的发展趋势主要表现在这种设备的自身使用范围极广，通过对基础技术的研发，对原始设备的开发，极大地拓宽了挤压成型机加工产品时的成型速度，以及使用范围[6]。挤压模具强度的增强、挤压设备不断的大型化，挤压装置结构的不断改善等方式都会对挤压技术的发展起到积极的作用。另外，挤压加工时的连续性，能够解决挤压技术目前最大的短板[7]。1.4研究内容及意义1.4.1研究内容小型金属粉末挤压成形机是对金属粉末进行挤压成形的设备，本次的研究内容主要包括金属粉末挤压成形的原理和机械结构的设计。根据材料的强度和能加工产品的最大横截面积确定设备的公称压力，再以此计算出主液压缸的相关尺寸。通过受力分析计算出机架中上横梁、立柱及固定螺栓的相关尺寸。1.4.2意义本次设计的小型金属粉末挤压成形能够实现自动上下料、连续挤压的功能。工作时利用液体的压强产生压力来改变金属材料的形态，在使用上比较环保，排放基本零污染，对金属粉末原料的利用率较高。小型金属粉末挤压成形机通过安装模具的方式来生产元件，在需要生产不同规格的的元件时，可以直接通过更换模具来达到生产目的，而不需要再次更换设备，节省成本。第2章总体方案2.1金属粉末挤压成形原理金属粉末的挤压成形是在一定的工作温度下，根据金属塑性变形原理，利用安装在挤压成型机上的模具，对金属粉末施加挤压力，使金属材料在挤压力作用下内部结构产生塑性变形，从而加工出符合生产要求的产品。2.1.1挤压变形过程金属粉末受到挤压力作用时的流动过程由以下三个阶段组成[8]：①开始阶段：金属粉末团在上冲模的挤压作用下开始进入料模，变形区域迅速扩大。②稳定阶段：进入到料模内的金属粉末团的高度随着挤压的不断进行而逐渐降低，已变形完成区域的高度稳定不变。③完毕阶段：金属粉末团经挤压成形完成后，被下冲模顶出。2.1.2挤压变形时的应力与应变变形时，金属的硬度是随变形程度的增加而增加的。金属粉末团在挤压时会受来自上冲模的挤压力、模壁的侧应力、内模壁阻止金属粉末流动时产生的摩擦力，金属粉末材料受到三向压应力。三向压应力的状态有利于提高金属材料的塑性并且能够使得金属材料的组织变得更加致密、晶粒变得更加细小。图2-1挤压变形时金属的应力与应变挤压时，金属粉末的变形抗力和塑性变形会因成分差异、组织结构形式的不同而受到不同的影响：不同种类、不同成分金属粉末的塑性不同，力学性能和强度不同；不同内部组织结构形式、不同成分的金属粉末与安装在挤压机上的模具的材料的摩擦系数不同；而合金元素的存在，会导致固溶体形成、晶粒细化、晶格扭曲，从而影响到最终金属粉末塑性变形的效果。2.1.3挤压变形后的变化1内部结构的变化经过挤压，金属材料结构内部的晶粒由等轴状向受挤压的方向拉长，变成纤维。变形后，缩孔、缩松被挤压，金属内部结构变得更加地紧密[9]。图2-2挤压变形前后组织的变化2金属性能的变化①机械性能方面变化显著：材料的组织决定材料的性能，组织的改变将引起性能的变化，提高硬度，塑韧性则下降。②各向异性出现：材料沿纤维方向强硬度提高，沿垂直方向塑韧性则较好。2.2设计思路本次设计的小型金属粉末挤压成形机主要用于完成对金属粉末的挤压成型。先在一定工作温度下将金属粉末和粘接剂混合并制团，接着将金属粉末团放入送料盒中，通过送料液压油缸将其驱动到工作位置，然后主液压缸推动上冲模对置于工作台上的金属粉末团进行挤压。金属粉末团在挤压力的作用下通过与其制品形状和横截面尺寸相同的料模被挤压成产品。之后下液压缸推动下冲模将已挤压成形好的成品推出到送料盒中，最后送料液压缸回程，将送料盒拉出，从而完成对金属粉末的整个挤压成型过程，主要流程如图2-3所示。图2-3挤压成型流程图2.3总体方案小型金属粉末挤压成形机主要由主液压缸、机架、送料装置组成。主液压缸使用活塞式液压缸作为挤压装置，可免去减速装置，且没有传动间隙，运行平稳。机架用于对主液压缸的固定，通过公称压力可计算出上横梁的相应尺寸及立柱的直径。底座用于承载整个设备的作用力，考虑到挤压时会有强烈的振动和冲击，因此使用活动地脚螺栓将底座固定。送料装置则用于对金属粉末团的送料和卸料，经送料液压缸驱动沿着导轨移动。

第3章挤压机构设计3.1挤压模具本次的小型金属粉末挤压成型机为满足不同的加工要求，选定加工铁基金属粉末，模具中最大可加工的材料横截面积S为0.02m2计算工作负载F：F=S×σ（3-1=0.02×145×=2.9×10取F为3000kN式中：S–横截面积（m2σ–铁基金属粉末材料的屈服强度（MPa），为145Mpa。考虑到实际加工的需要，本次设计的小型金属粉末挤压成型机在工作时需要根据具体的生产要求选定上冲模具、下冲模具、料模。设备工作时主液压缸驱动上冲模具对位于工作台上的金属粉末团进行挤压，挤压后的成品进入到料模。金属粉末团的挤压过程完成后，下液压缸驱动下冲模具将料模内已经挤压完成的成品顶回至工作台。3.2主液压缸结构设计3.2.1主要参数的确定由液压缸的基本结构可绘出如图3-1所示的液压缸受力图[10]：图3-1液压缸受力图由力的平衡关系可得如下公式：（3-2）由于在实际数值中远小于，可忽略不计，该式可简化为：（3-3）求得活塞面积：==0.12（3-4）得主缸内径D=0.3907m。查内径参数表，将内径圆整为标准直径：D=400mm工作压力25MPa。通过查表，取d/D=0.7。（3-5）活塞杆的直径为0.28m。综上：液压缸内径D=400mm,活塞杆直径d=280mm.由以上数据求出液压缸实际有效面积如下：无杆腔：==126000有杆腔：==64000活塞杆面积：A=-=62000根据以上数据及本次金属粉末挤压成形机的实际需求，可将液压缸的工作速度定位：空程速度：100，工作速度：10，回程速度：60。活塞杆最大行程定位800mm。3.2.2液压缸工作时的流量液压缸运行时的液体流量根据工作速度和内径D来计算。空程速度V1=100，工作速度为V2=10，回程速度为V3=60.（3-6）空程：Q1=V1×D2=0.1m/s××(0.4)2=0.012566m3/s=753.6L/min；工作：Q2=V2×D2=0.012m/s××(0.4)2=0.001256m3/s=75.3L/min；回程：Q3=V3×（D2-d2）=0.06m/s××(0.42-0.282）=0.003843m3/s=230.6L/min根据金属粉末团在被挤压时的具体加工要求，液压缸产生的挤压力可以通过调速阀来调节3.2.3缸的设计1缸筒的材料和结构在很多情形下，缸筒的构成方式和制造的材料有关。本次的缸筒使用45#钢材料。可以确保内部构造的公用性好，缸体制造时简单，拆装便利，足够符合实际运行需求[11]。45#钢性质如表3-1所示。表3-1缸筒材料型号≥／MPa≥／MPa≥／%45600355162缸筒要求①活塞在缸筒内往复运动时，两者之间不断的发生磨损，因此缸筒的内表面要能满足长时间运行的需求，并且内部组织结构要符合活塞在密封性能上的需求。②设备运行时，会对缸筒产生作用力，因此缸筒要能够承受住挤压机的最大工作负载，而不会因为支撑不住而导致结构扭曲，装置毁坏。由于缸筒在液压缸运行时将会直接承受空气压力，因此必须要有一定厚度，本次设计的主缸内径D与壁厚之比在3.2至16之间，使用公式：=PyD(2.3σ-Py)φ=1.25×25×0.42.3×120-1.25×25=0.051m取=0.05m式中：--试验压力（MPa），工作压力P≥16MPa时，=1.25p;D--液压缸内径（m）;--缸体材料的许用应力（MPa）：--缸体材料的抗拉强度（MPa）--安全系数，一般取n=5—缸体内最大工作压力为25MPa.--强度系数，一般取13缸筒强度校核缸筒内径D=400mm，壁厚为50mm，则外径：（3-8）额定压力必须要小于一个值，这样缸筒才是符合强度要求的，即：≤0.35×=0.35××355=44.7MPa（3-9）式中：--液压缸额定压力(MPa)--液压缸外径(m)--液压缸内径(m)--材料的极限应力(MPa)，选定的液压缸工作压力为25MPa，25＜44.7，因此缸筒强度符合安全标准。4缸筒底部厚度缸筒底部为平面时：缸筒厚度h计算公式为：h0.433Dpσp=0.433×0.4×25120=0.08m（3-取h=80mm式中：--液压缸内径（m）--试验压力（MPa）--缸底材料的许用应力（MPa）5液压缸固定螺栓直径校核ds≥2.6kFπz[σ]式中：k--螺纹拧紧系数k=（1.12-1.5），取1.3；F--液压缸的负载，为3000kN。[]--/(1.2—2.5),是材料的屈服极限Z--固定螺栓数。固定螺栓较少时，会导致直径增大，扩大安置区域，对其它部件也有干扰；而如果固定螺栓较多的话，会导致安装难度变大，经综合分析，取固定螺栓数为四。所以：ds≥采用M24螺栓。3.2.4活塞的设计活塞在液体压强差产生的挤压力作用下沿着内壁往复运动，它与内壁之间的配合应适当，两者之间的缝隙要适中。缝隙太大，会使得性能不符合需求；缝隙太小，则会导致设备难以启动，效率变低，并且长期运行下去的话表面容易遭受大大的破坏。1活塞的设计挤压机在运行时，主液压缸中的活塞在作用力之下沿着内壁往复运动，直径与液压缸内径应当一致。活塞直径取为0.4m,宽度B=0.6d=0.24m。2活塞杆的材料使用45号钢加工生产活塞杆，其力学性能如表3-2所示。表3-245号钢力学性能型号≥／MPa≥／MPa≥／%45MnB103083593活塞杆直径d的校核：(3-12)≥4×3≥0.0738m取d=0.28m,满足要求。式中：F--活塞杆上的作用力；--活塞杆材料的许用应力，=/1.4。

第4章机架设计4.1机架构成本次设计的小型金属粉末挤压成形机采用四柱型机架，这种形式的机架的刚度高，性能好，对基础要求较低，适合于本次的小型金属粉末挤压成形机。设计出的机架为满足小型金属粉末挤压成形机能够实现自动上下料、自动挤压、自动顶出的功能，主要由5个部分组成：上横梁、活动横梁、传动装置、底座、立柱。每个部分对设备都有自己独特的作用。4.2上横梁的设计4.2.1上横梁的作用及要求小型金属粉末挤压成形机通过主液压缸产生加工金属粉末团所需要的力，而为方便主液压缸工作，需将其置于设备的最上方，而液压缸自身是有重力的，因此需要使用上横梁将主液压缸固定在需要的位置。主液压缸运行时，上横梁会承受到主液压缸的反向作用力，因此需要对上横梁进行受力计算分析和强度校核。上横梁需要较强的弯曲力和弯曲疲劳强度，故选用铸造材料HT200-40[12]。上横梁通过与立柱的连接形成机身的上半部分，并且在中间安装有主液压缸。上横梁是机架中的主要部件，为了使设备能够正常运行，对其尺寸结构的设计提出以下具体要求[13]。①液压缸法兰盘表面和用来固定液压缸的六角螺母之间的不平行度允差需要符合标准；②液压缸法兰盘表面与上横梁中间安装孔轴线之间的不垂直度允差需要符合标准；③上横梁安装立柱孔的轴线之间的不平行度允差需要符合标准。④上横梁安装立柱孔和立柱之间的配合需要符合标准。4.2.2上横梁的强度校核上横梁可简化为左右两端支承，受到两集中力的简支梁。受力图如图4-1所示。设计：上横梁中间钻孔放入主液压缸，计算时，将主液压缸直径忽略。由于上横梁在各个截面上的受力一致，因此长宽取一致[14]。负载作用下的受力分析如图4-1所示。图4-1上横梁受力图由弯矩图很容易看出，上横梁受到的最大弯矩是在最中间，是危险截面。为了防止横梁发生断裂或是在设备运行时达不到应有的疲劳极限，故对上横梁截面进行强度校核。正应力公式为：σmax=MmaxW式中：σmaxMmaxW—抗弯截面系数(m3)矩形截面抗弯系数W：W=bh2式中：b—矩形截面的宽；h—矩形截面的高。最大弯矩MmaxMmax=F式中：Fmax—最大弯曲力，为F/2L—力臂，为上横梁长的一半综上：σmax=MmaxW=F2查得许用应力[σ]=60MPa，σmax＜[σ]即：h>0.6m取h=0.65m剪切应力：τmax=32Fs=3查得剪切应力[τ]=20MPa，τmax＜[τ]即：a>0.7m取a=0.8m为承受负载及考虑到加工要求，将上横梁安装液压缸的地方做成圆筒形，整个梁体做成箱形结构。4.3活动横梁的设计4.3.1作用及结构形式活动横梁通过与主液压缸活塞杆连接来向下传递主液压缸的压力，设备运行时，活动横梁通过导向装置沿着立柱移动，下表面与上冲模具相连。设备在工作时，主液压缸产生的挤压力通过活动横梁连接着的上冲模具传递到金属粉末团上进行挤压，活动横梁的上下往复运动是依靠安装在梁上的导套装置。为便于实际中的制造，活动横梁的材料可与上横梁一致。为保证足够的精度，一般情况下，高度通常与上横梁相近。活动横梁是小型金属粉末挤压成形机的主要活动部件，为了保证设备符合精度要求，对活动横梁提出以下具体要求[15]：①活动横梁上表面与下表面之间的不平行度允差要符合要求。②活动横梁安装立柱孔的轴线应当互相平行，四个孔轴线之间的不平行度允差要符合要求。③活动横梁立柱孔轴线与横梁下表面之间的不垂直度允差要符合要求。从结构上来看活动横梁通过模具垫板来传递压力，仅仅受到挤压和向下的弯曲，相比于横梁的尺寸而言，足以承受，因此活动横梁的计算可从略。4.3.2活动横梁的连接1活动横梁与液压缸柱塞的连接活动横梁与主液压缸的连接方式有许多种，常使用的连接方式有球面连接、中间杆连接和刚性连接。①球面连接该结构是柱塞固定在活动横梁的球面上，受力时会发生相对移动，以此来保证液压缸柱塞仍处于垂直形态。但此结构的不足之处在于对球面光滑要求比较高。②中间杆连接柱塞与中间杆连接时，两者之间有缝隙，当设备运行受力时，中间杆会使得柱塞依然处于垂直形态，并且受到的侧力较小，能够长时间的工作，但缺点在与结构过于复杂，成本高。③刚性连接刚性连接是主液压缸柱塞下端插入到活动横梁之内，多应用于单缸挤压成形机的工作缸，其结构简单，制造方便。因本挤压机工作时的偏心载荷有限，为了便于生产，可直接用M38的双头螺柱将其与主液压缸的法兰盘连接，从而达到预紧的目的。2活动横梁与立柱连接主液压缸在工作时，会驱动活动横梁移动，而活动横梁会以立柱为方向进行上下运动，长时间、高频率的运动会加速立柱与活动横梁之间的磨损，因此，为了减少设备的损耗，不能让立柱与活动横梁直接接触，而是在这两者之间留出一定空间，安装方便更换、耐磨的导向装置，以此来将两者隔开。导向装置常使用如图4-2所示的导套。图4-2导套可以通过在活动横梁的立柱孔中安装上下两个导套从而实现活动横梁的运动。该结构简单，拆装方便。导套材料常使用具有较高强度，良好的抗滑动磨擦性的锡青铜导套比压q的计算（4-4）=3×10=2.3MPa满足要求式中c——导套高度（m）T——立柱上的侧推力（N）[q]——许用比压（MPa），[q]=6∽8MPad——导套内孔直径(m)4.4传动装置的设计本次设计出的小型金属粉末挤压成形机能够实现自动上下料的功能，因此设备上必须要有传动装置。考虑到生产时的实际需要，传动装置可由送料液压缸、送料盒、送料盒导轨三部分组成。由于送料液压缸仅仅具有驱动送料盒沿着导轨来回移动的功能，因此可直接参考机械设计手册JB/ZQ4181-2006选取液压缸，缸体通过油缸座连接于机架上，油缸座固定于机架上，输出轴与送料盒连接。送料盒用于放置待加工的金属粉末团，然后沿着导轨移动。送料盒导轨通过两根M24六角螺栓固定在工作面上。整个传动装置仅起到送料卸料的功能，计算可忽略[16]。4.5立柱的设计4.5.1立柱设计计算本次设计出的小型金属粉末挤压成形机的最大工作负载为3000kN，立柱需承受得住负载和横梁的重量，由于主液压缸的工作负载过大，故在进行载荷的设计计算时，可直接取负载3000kN对立柱进行受力分析计算。当力作用在横梁和立柱上时，横梁受到压力，立柱受到反作用的拉力，受力如图所示。F-最大受力负载T-立柱拉力图4-3立柱受力分析图材料选择：由受力分析可知，立柱会受到较强的拉力，故选择的材料应具备较强的抗拉强度，可选择45号钢。加工工艺：设备工作时，立柱不仅受到拉力的作用，还有与活动横梁导套之间的摩擦，为了减少立柱表面的磨损程度，增加使用寿命，可以通过金属表面的热处理来有效的增加立柱表面的耐磨性及硬度。立柱计算;设备实际运行时最大3000kN的负载作用力，作用在4根立柱上，平均到每根立柱上受到750kN的作用力。通过使用许用应力公式（4-5）可以计算出立柱的安全直径D。[σ]=FA式中：[σ]—许用应力；45钢[σ]=80MPa;F—立柱轴向拉力；A—立柱横截面积。即：D=4Fπ[σ]取D=110mm，为防止设备工作时立柱受力断裂，考虑到安全性、可靠性，选取立柱时，可以适当加大立柱直径，取D=140mm4.5.2立柱的连接方式小型金属粉末挤压成形机的机架通过使用四根立柱将上横梁、活动横梁和底座连接在一起，形成结构框架。在此结构中，即安装了挤压成形机本体所需要的主要部分，还可以在设备工作时，承受住设备的作用力。而整个框架的结构形式，取决于立柱的连接方式。小型挤压成形机中，常用如图4-4所示的四种连接方式，图4-4小型挤压成形机立柱的四种连接方式①立柱使用两螺母固定，内螺母起到支撑作用，外螺母起到紧固作用。机架的整体结构依靠螺母的调节。该方式结构简单，但是对精度要求极高，并且在安装时也很繁琐②立柱通过螺母紧固，台肩支撑，横梁之间的位置依靠台肩和螺母的结构来确保。该方式安装简单，但无法按要求准确地调节机架结构，并且对台肩之间的尺寸精度要求极高。③上横梁与立柱的连接处使用台肩，该方式在安装和结构调整时比较容易，但是对立柱的紧固比较繁琐。④与上一种连接方式类似，只是在上横梁下表面与立柱接触处使用台肩，并且该结构的精度调节更加容易可靠。综合分析比较，本次立柱的连接形式选用第④种。4.6底座的设计底座安装于设备底部，与基础相连。底座仅承受机器之总重量和负载力，安装时，通过活动地脚螺栓将其固定在地面。底座选用焊接结构。主要考虑到外形的美观，对精度无要求。第5章挤压成形机的装配经过前面一系列的设计分析，最终可确定小型金属粉末挤压成形机由三部分组成，分别是挤压装置、上下料装置、顶出装置。挤压部分是设备的主体部分，其中的主液压缸对金属粉末进行挤压加工，上横梁、立柱、底座起到固定及受力作用。上下料装置和顶出装置属于辅助部分，送料液压缸驱动送料盒上下料，顶出液压缸负责将挤压完成的成品从料模内顶出到送料盒中。最终小型金属粉末挤压成形机的装配图如图5-1所示。5-1小型金属粉末挤压成形机

结论本次的小型金属粉末挤压成形机采用液压缸作为动力源，可通过液压系统对整个送料卸料、挤压顶出过程进行控制。通过主液压缸对金属粉末团施加挤压力，使其通过满足具体加工要求的模具，发生塑性变形得到最终的产品。设备在实际工作时，通过安装在设备右侧的送料液压缸驱动送料盒沿导轨进行