补偿装料法粉末冶金模设计

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1、引言    磁性材料器件以及电机、汽车、航空工业中用到的一些铁基或铜基耐磨和自润滑零件大量采用粉末冶金来制造。近几年，随着汽车工业的蓬勃发展，铁基粉末冶金零件随之快速增长。
    这类零件坯件的形状一般比较复杂，有的带有内台阶，有的带有外台阶，有的则是内外台阶都有，如图1所示。这类零件之所以用粉末冶金法制造，主要原因是：①机械加工方法不易加工其复杂的形状；②粉末冶金能很好地保证复杂型面的形状和尺寸的一致性；③粉末冶金法制造远比机械加工的成本低廉；④粉末冶金法制造可根据不同的性能需要而加入相应的元素起到耐磨和自润滑的作用。因此，粉末冶金的未来领域非常广阔。这类坯件有一个共同特点：沿压制方向坯件的横截面有变化，轴向不等高。对这些坯件的粉冶成型简单地采用一个装料高是无法成型的，而是要根据不同截面的高度相应地设计不同的多个装料高。要在一个模腔里实现不同的多个装料高就要采用“补偿装料法”，它是使坯件不同截面、不同高度处的密度一致的常用而重要的方法。
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图1 粉末冶金零件坯件例图

    2、补偿装料的原理及作用
7 \& c, c- R: t    以图2所示坯件为例，它有一个内台阶H2，一个外台阶 gs1 组成。各台阶的横截面积沿压制方向不相等。
    各截面对应的高度也不相等。在成型诙坯件的内外台阶时就不能简单地采用如图3的整体下凸模来成型，这样会仪各截面的密度相差很大。为此，就必须采用将下凸模分解成多件组合式，如图4所示。使各组台下凸模分别对应坯件不同的截面，其中下凸模3固定不动，下凸模4浮动。
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4 q, D- F% U' k7 N! c! u/ q    装料时可浮动的下凸4上浮一定的距离，使坯件对应的环形装料腔H1的装料量得到一定的补偿，使各截面对应的高度上的松装比相等（H1/H1= H2/H2），这种装料法就是补偿装料法。
    用一句话来概括即：为了使产品坯件不同高度处的松装比相等或相近，对高度大的部分就相应地按同比例多装料。
    粉末冶金产品坏件的鼋要质量指标之一就是坯件密度的一致性。密度不均匀的坯件会出现裂纹、烧结变形、机械物理性能不一致等严重缺陷。凡是带台阶、凸台、凸沿或罐形坯件必须州补偿装料法的原理来设计模具才能压出合格的产品。因此，补偿装料法广泛应用于粉末冶金模具的设计中，也是设计该类模具的核心技术之一。
    3、补偿装料法模具结构设计
) [1 f  ?1 u0 P( x5 y0 H    3.1 设计的原则
4 y% x8 x1 F4 P. S    补偿装料法模具结构设计必须遵循以下3个原则。
0 u6 n) _# a  L) B    (1) 松装比相同或相近。所谓松装比就是粉料在模腔中末匝制前的松装高度H与压制后坯件相应高度h的比值。如图2和图3中的H1/H1= H2/H2=松装比由于模腔中粉料的流动性很差，不会象液体一杆在压力的作用下流向所有空间，这就要求坯件高度人的地方按照高度屉低处装料星的同等比例多装料才能为达到坯件密度一致建立物质基础，也是先决条件。

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图2 坯件

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图3 整体式下凸模

    (2) 压缩比相等或相近。为了保证坯件的密度分布均匀，就要求坯件各截面处的密度 ρ坯件与相应处的粉末松装密度 ρ松装之比相等或相近，这一比值就是压缩比。因为各处的装料高不等，又要求压缩比相等，就必须使不同截面对应的上、下模冲在压制过程中的移动距离各不相同，这也正是为什么要将上、下凸模分解成多个浮动的组合凸模的原因。
    (3) 压制速率相等。虽然在压制时各组合上、下凸模的移动距离和移动速度各不相同，但在单位时间内各组合凸模所对应的截面上的粉料被压缩减少的体积 ΔV(ΔV=V粉-V坯)与未压制前粉料充填体积V’粉 的比值相等或相近。只有这样，才能保证粉料在压制过程中不产生横向移动，不在截面分界处形成滑移层而产生裂纹或应力集中。
1 W$ s2 b2 }) M, r' b9 k    凡是带台阶或罐形坯件用整体上、下凸模但不能保证成型，就必需依据以上3个原则采用组合上、下凸模的结构保证复杂坯件的成型。
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: E/ a1 H. B& p; r+ }' C5 r图4 补偿装料原理示意图

    3.2 组合上、下凸模的设计要点
( |+ X; t3 w* I7 |8 M6 C# Y    （1）组合界限系数C
) s6 p" e' {1 ~0 r" p& F# d    坯件不等高处的高度差与坯件最小高度的比值称为组合界限系数C，如图2中的 C=( H1- H2)/ H2一般情况下，这一比值C≤O.15－O.2时，可采用整体上、下凸模，如果大于此比值则要依据补偿装料法采用组合上、下凸模。其中当粉料的横向流动性较好，C可取大些，反之则取小些。
1 d: b+ t* I& r" P' P4 |    （2）组合凸模的个数N
    采用组合凸模的日的就是为子满足补偿装料的三相等或三相近原则，因此组合凸模的个数N应按坯件不等高的截面数分解成相应个数。即组合凸模个数等于坯件不等高截面数。如图2巾的N=2。
    （3）组合凸模静止、浮动的确定
    为了模具结构的简化，在压制过程中让组合凸模中的一个静止不动，其余几个在压制过程中主动浮动或在压力作用下被动浮动。通常，坯件最大高度对应截面下的凸模宜设计成静止的,其余应全部浮动。如图3中的外下凸模应该设计成在压制过程中固定不动而内下凸模浮动。这样便于简化设计，井能借助上凸模向下的压力使浮动凸模向下浮动。
    4、结束语
    以上的一些设计方法是自己十多年的工作实践总结，实践证明合理而有效。本文中仪以一个简单的坯件为例，着重从理论方面对补偿装料沾做了详细阐述。实际中可能会遇到各种复杂的坯件，但是只要依据上述理论和设计方法都会设计出合格的模具。

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