粉末压制成形模具设计
粉末冶金模具设计
粉末移动成形法分类：侧向移动成形法和轴向移动 成形法
多台阶压坯的组合模冲设计
一般可以按照台阶分别设计模冲，以保证各横截面 上的粉末填装系数和压缩比相同或者相近。当压坯 相邻台阶的高度差较小时，可以用一个模冲来压制 这二个台阶。
当相连台阶的高度差不超过压坯较高台阶高度的
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25%时，可以采用整体模冲来压制。
m：阴模外径与内径之比； ρ：压坯的相对密度 当相对密度为：0.80~0.85时，m=2~4，可粗略 估算：
对于铁基：P侧剩=0.18~0.20P 对于铜基： P侧剩=0.20~0.22P
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•精整压力的计算
外箍内的精整： 精整压力Fc=F1+F2+F3
其中：F1为实现轴套纯变形所需要的力；
形状完整，具有一定强度
3.5 压制过程的图示
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2
•压制压力的计算
模压过程的总压制力等于净压力与外摩擦力 之和
单位压制压力与压坯密度定量关系的研究， 是近60年来粉末成形理论研究的主要内容
•脱模力的计算
压制压力去掉后，侧压力因为高度方向的弹 性后效，侧压力会下降35~77%
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影响压坯密度分布均匀性的因素：
•粉末成分和性能
•模具表面质量
•摩擦力
•压制时粉体产生柱式流动，几乎不产生明显
的横向流动 2019/12/1
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压坯中中立层的位置可以表示压坯密度分布
的均匀程度。通过压制方式和压模结构合理
选择使中立层2边受相同压缩，提高密度分布
均匀性 2019/12/1
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粉末冶金模具设计
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粉末冶金模具设计
•带斜面的第五类压坯
当压坯斜面与垂直方向的夹角超过25°~30°，或 者具有多个斜面和平面时，一般按照斜面和平面的 分界线设计组合下模冲。斜面的装粉高度等于斜面 的压坯平均高度乘以粉末填装系数。
x=(d2-d1)h/d1
或者 y=x/l=100(d2-d1)/d1(k-1)
其中：d2为要求的压坯平均密度；d1为单向压 制的平均密度；h为压坯高度；k为压缩比；l 为装粉高度与压坯高度之差。
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粉末冶金模具设计
非同时双向压制原理为压模结构设计提供了 压坯密度均匀分布的理论基础；也为粉末压 机的设计提供了重要基础，使得多凸轮和凸 轮曲柄粉末压机更好地满足粉末压坯密度均 匀分布的要求。
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粉末冶金模具设计
摩擦压制
在压制过程中，让阴模或芯杆与样品侧面产 生同向相对移动，即运动得更快，借助粉末 与模壁之间的摩擦，带动与阴模或芯杆接触 的粉末层移动，从而可改善沿压坯高度方向 的密度分布均匀性。
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粉末冶金模具设计
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粉末冶金模具设计
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距离，用先压缩高区粉末再同时压缩高低区粉末的
方法，使压坯各横截面上的粉末受到相同的压缩程
度。
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粉末冶金模具设计
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粉末冶金模具设计
如果压坯中间带内、外台阶，除不同横截面需要 设计组合下模冲外，还有根据粉末移动成形法的 要求设计组合上模冲。
金属粉末注塑模具
金属粉末注塑成型结合了注塑成型的成 性优势与金属出众的物理性能。他正 在迅速成为一种金属粉末的新型生产 技术，用于需要高产量、高性能、低 成本和复杂形状的场合。
金属粉末注塑的适用范围
各种汽车、电子、电脑外围设备、医疗、 工业、军事和航空部件。
汽车应用包括涡轮增压器、刹车和点火 部件，以及氧传感器。
整理：区分物品的用途，清除不要用 的东西 。20.11. 1020.1 1.1009:3709:37 :1809:3 7:18No v-20
重视合同，规范运行，确保质量，信 誉承诺 。2020 年11月1 0日星 期二9时 37分18 秒Tues day , November 10, 2020
全员参与，强化管理，精益求精，铸 造品质 。20.11. 102020 年11月 10日星 期二9 时37分1 8秒20. 11.10
1.用量少，用较少的粘接剂能使混合 料产生较好的流变性；
2.不反应，在去除粘接剂的过程中与 金属粉末不起任何化学反应；
3.易去除，在制品内不残留碳。
脱除黏结剂的方法
⑴黏结剂热脱除方法 ⑵催化型黏结剂脱除剂 ⑶溶剂抽提方法
4.烧结
烧结是在低于基体金属熔点的温度 下加热、保温，粉末颗粒间产生扩 散、固溶、化合和熔接，致使塑件 收缩并强化。
决定混料属性的五大因素
①粉末特征 ②黏结剂组成 ③粉末–黏结比例 ④混合方法和造粒技术
粉末介 绍
金属粉末注塑机设备及工艺流程图～
①粉末选用
金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm；从理论上讲， 颗粒越细，比表面积也越大，易于成型和烧结。 而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的 粉末。有机胶粘剂 有机胶粘剂作用是粘接金 属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热具有 流变性和润滑性，也就是说带动粉末流动的载体。 因此，粘接剂的选择是整个粉末的载体。因此， 粘拉选择是整个粉末注射成型的关键。
粉末冶金材料模具设计
设计说明书1、工艺流程本产品属于亚共析钢合金(Fe-0.6C/60钢)，其具体生产工艺流程如下：Fe矿石→还原熔化（去脉石、杂质和氧）→氧化精炼（脱C、Si、P等）→球磨→铁粉+C粉+适量硬脂酸锌2、压坯设计2.1产品零件分析该产品采用Fe-0.6C（60钢），属于铁基制品，其制品密度依靠较高的压坯密度来达到，因此，在压制成形时需要采用较高的单位压力（一般在400-500MPa）。
由于该产品零件形状比较简单，带一个外台阶，采用简单的单上双下模冲即可成形，并使其密度分布均匀。
有配合、定位、相对运动要求的零部件，产品尺寸精度和形位精度及表面粗糙度要求较高，因此，该产品的的尺寸精度定义为IT8、形位精度如图所示为7级，表面粗糙度精度要求为7级。
2.2压坯精度设计由模具设计任务书的零件成品图可得知该产品压坯同轴度需控制在0.08mm，相当于IT10级；压坯垂直度控制为0.1mm，相当于IT11级；压坯侧面平行度为0.15mm，相当于IT12级。
2.3压坯密度和单重的确定由于已知压坯密度ρ=6.6g/cm3，因此压坯单重W=ρ×V ，由成品图给数据计算其压坯体V=h×S,算的V=166.8cm3 ，所以求的压坯单重W=6.6×166.8=1100.8g。
3、压机与压制方式选择3.1压机压力选择铁基制品一般采用固相烧结，其制品密度除了依靠烧结温度、保温时间之外，在一定程度上还依靠较高的压坯密度来达到，因此该产品采用500MPa的单位压力。
根据任务书要求，截面积S=74.0cm2 ，所以F=P×S=5×74=370t脱模压力，根据实际生产经验，铁基压坯的脱模压力P脱模≈0.13P=0.13×500MPa=65MPa3.2压制类型的选择年生产量为50万件，假设每年的工作时间为300天，每天工作时间为8小时，则p=500000/300/8/60=3.47=4件/min，所以选择自动压制。
粉末冶金：钢压模具设计
好的材料 ➢ 高密度、高精度件用耐磨性好的材料 ➢ 整形模用耐磨性好的材料
绘制模具装配图和零件图
➢ 绘制模具装配图和零件图 ➢ 标注尺寸偏差和形位公差 ➢ 标注其他加工要求
绘制模具装配图和零件图
模具示例
模具示例
设计模具结构
根据制品图纸设计坯件，选择压机和压制方式，设计 模具结构草图 ➢ 从生产工艺、压制成形和经济成本方面分析制品图纸 及技术要求，看是否适于用粉末冶金方法生产 ➢ 根据制品图纸及技术要求和粉末冶金生产工艺的特点， 设计坯件的几何形状、精度和密度 ➢ 为了使制品适于压制成形，或为了简化模具结构，常 对制品形状进行修改，设计出适合于压制的压坯 ➢ 在设计坯件形状的同时要确定压制方向，然后根据压 坯的形状、高径比、生产批量和压机来选择压制方式、 压模结构类型
粉末成形模具分类
➢ 压模、精整模、复压模、锻模、挤压模、 热压模、等静压模、粉浆浇注模、松装 烧结模
➢ 钢模、硬质合金模、石墨模、塑料橡皮 模和石膏模
钢压模具结构
钢压模具一般由 阴模、模冲、芯棒 组成
钢压模具结构
１—模柄 ２,９—法兰圈 ３—上模冲 ４—模套 ５—阴模 ６—模座 ７—弹簧 ８—下模冲 10—下模冲座 11—压垫 12—下模板 13—顶杆 14—顶板
➢ 制品生产工艺流程及工艺参数：粉末混合料成分、杜 装密度、流动性、压制性、单位压制压力、压坯密度、 压缩比、弹性后效、烧结收缩率、精整余量、机加工 余量、复压装模间隙和压下率等
➢ 压机类型及主要技术参数：公称压力、脱模压力、压 机行程、每分钟压制次数、工作台面积、压机自动化 程度和安全保险装置等
粉末冶金模具设计说明书
粉末冶金模具设计说明书粉末冶金模具设计说明书一、设计任务生产一批两个台阶面的钢制模坯，如图所示，数据要求：A=10mm，B=30mm，C=20mm，D=20mm，E=10 mm，F=10mm。
二、压坯设计1.产品零件分析该产品采用Fe-0.05C（50钢），属于铁基制品，其制品密度依靠其较高的压坯密度来达到，因此在压制成型时需要采用较高的单位压力（一般在300~800MPa）。
由于该产品零件形状比较简单，采用简单的上下模冲压制成型。
2.松装密度和压坯密度的确定采用水雾化铁粉压制，松装密度范围2.5~3.2,取常用值2.8，即松装密度：ρ松=2.8g/cm3压坯密度：γ压=6.6g/cm3压缩比：C=γ/ρ=2.36三、压制成形与压力机确定1.压制压力的选择采用500MPa 的单位压力，由已知可得压坯截面积22222S=(B (3010)62844mm ππ-=-A )= 则其压制力F=p×S=500MPa×628mm 2=314kN脱模压力F 脱=ƒ´p 侧余S 侧=0.2×100×1570=31.4kNƒ´——粉末对阴模壁的静摩擦系数，此处ƒ´=0.2p 侧余——残余侧压力，此处p 侧余=0.2p=0.2×500MPa=100MPa S 侧——侧面积， S 侧=πEB+πFC=3.14(10×30+10×20)=1570mm 2侧压力p 侧 =ξp=p ν/(1-ν)=0.38×500MPa=190MPa2.装粉高度确定带台阶面压坯成形模具的设计原则 1）粉末充填系数相同或相近 2）压缩比相同或相近 压缩比 C=γ/ρ=2.36装粉台阶高度 E 0=CE=2.36×10mm=23.6mm装粉总高度D 0=C(E+F)=2.36×20mm=47.2mm2.1压坯高度验算 max max 2.8(10)(18510)74.26.6H F mm ργ=-=⨯-= ——F max =185mm (设计手册表4-20TPA50/2压力机的最大装料高度)H=D 0=47.2mm<H max 可行 3.压制方式的选择c31406286628S S K S++===侧f 侧S 侧f =πD(B+C)=3140mm 2 S 侧c =πDA =628mm 2 K>单向K max =5(ƒ=0.1,表3-5)，压坯有台阶面，选择双向压制。
粉末压制成形模具设计
表1金属粉末压制成形坯料计算
计算内容
定义或计算公式
有关说明
压制坯在垂直于压制
压制坯面积Fp(cm2) 方向的平面的投影面
-
积
压制坯体积Vp(cm3)
Vp＝(1+ξ/100)Ve
芯棒磨损余 量
Δd＝dn′-dn-δa δa—芯棒尺寸实际偏差量
后续精压芯
＝dmax±lrp
棒直径(孔 “+”—精压后回弹使孔径减小时
件) “-”—精压后回弹使孔径增大时
烧结坯内尺 寸
压制坯内尺 寸
ds＝drp±ηrp “+”—为负偏差精压时
“-”—为正偏差精压时
dp＝ds±ε “+”—烧结后内尺寸减小时 “-”—烧结后内尺寸增大时
2.凹模预应力圈尺寸
为了提高压制成形模具的寿命，并
保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预
应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于
压制时凹模内壁所承受的侧压力大小。
对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公
式估算：
pc＝Ccρmp
(9)
式中Cc＝0.00725，m＝6.8
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：
其他参数
而在进行压制成形模具设计时，还需知道以下 参数：
(1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp； (2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相 对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示； (3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量 ε表示； (4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用 相对值ζ表示； (5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相 对值τ表示。
粉末模压成型工艺
粉末模压成型工艺粉末模压成型工艺是一种常见的制造工艺，主要用于生产各种形状复杂、尺寸精确的金属零部件。
该工艺通常适用于需要大批量生产的零部件，例如汽车零部件、机械零部件等。
粉末模压成型工艺通过将金属粉末与特定的添加剂混合，并在高压下压制成型，最终经过烧结工艺得到成型零件。
粉末模压成型工艺的优点之一是能够生产形状复杂、密度均匀的零部件，且具有高度的精度和表面质量。
通过粉末模压成型，可以实现对零件的几乎完全成型，减少后续的加工工序，提高生产效率并降低成本。
此外，粉末模压成型还可以实现对材料的节约利用，减少浪费，具有较好的环保效应。
在粉末模压成型工艺中，首先需要选择适合的金属粉末作为原料。
金属粉末的选择直接影响到成型零件的性能和质量，因此需要根据零件的要求选择粒度、形状、成分等合适的金属粉末。
接下来将金属粉末与添加剂混合均匀，添加的添加剂可以改善粉末的流动性、成型性和烧结性能。
混合后的金属粉末经过模压成型工艺，即将混合好的金属粉末放入模具中，在一定的压力下进行成型。
模具的设计需要考虑到零件的形状、尺寸以及成型后的收缩率，以确保最终成型零件的精度和质量。
在模压成型的过程中，通过控制成型压力、温度等工艺参数，可以实现零件的精确成型。
最后，经过模压成型的零件需要进行烧结处理。
烧结是利用高温将金属粉末颗粒粘合在一起的过程，使得零件的密度得到进一步提高，表面质量也得到改善。
烧结过程中需要控制好温度和时长，以确保零件具有良好的力学性能和表面质量。
在粉末模压成型工艺中，需要综合考虑材料选择、工艺参数控制、模具设计等方面因素，以实现对零部件的精确成型。
粉末模压成型工艺的发展使得生产过程更加高效、节约成本，同时也为制造业的发展带来了新的机遇和挑战。
随着技术的不断进步，粉末模压成型工艺将会在未来得到更广泛的应用，促进制造业的转型升级和可持续发展。
1。
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(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 (c)确定冲头最大允许长度： L≤(2∏EJmin/nP)1/2 (17) (18)
坯料
压制坯外 尺寸
_ 三 、压制力与凹模预应力圈尺寸 p:金属粉末平均单位流动压力，由压制 实验曲线或实际经验确定 F:压制坯截面积 1.压制力、顶出力和设备吨位 n:压制模中型腔数量(对一次多件压制)
P＝nF
PT＝CpP Pout＝μFcpc
(6)
(7)
Cp—压力机吨位裕度系数，Cp＝1.25～1.30 压制后制件的顶出力由侧压力pc、粉体侧表 面面积Fc和粉体与模壁的摩擦系数μ(＝0.1～ 0.2)确定
H0—总装料高度
hh—上冲头导入长度hl—下冲头导入长度 对于固定式结构，由于凹模本身沿高度方向具有分 配粉料的作用，因此可以不考虑上、下冲头的导入部分 (见图1b)，则 Hd＝H0 (5)
2.凹模型腔与芯棒工作尺寸
凹模型腔的工作尺寸主要决定于粉末零件 的外尺寸，同时必需考虑粉末体在压制、烧结、 后续精压等工序这些外尺寸变化，以及凹模最 大允许磨损量；
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。 其总高度可确定为： Lh＝hht+h1+h2。 (12) 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
上述回弹与收缩量等的相对值可按下式换 算成绝对值：
lp=αp· /100; b
lrp=αrp· b/100;
(1)
(2)
ε = β· b/100
式中：b—制件的线尺寸
(3)
αp，αrp，β值预先给出。
2.确定压制成形方法
具备了上述技术资料和数据后，可根据实际
生产条件，选择压制设备型式以及相应的压制方
压制坯在垂直于压制 压制坯面积Fp(cm2) 方向的平面的投影面 积 压制坯体积Vp(cm3) 压制坯质量Gp(kg) 装粉质量G0(kg) 压制坯高度Hp(mm) Vp＝(1+ξ/100)Ve Gp＝ρpVp G0＝CmGp Hp＝H-lp+ε+Δm
装粉高度H0(mm)
H0＝KρHp
Kρ—粉末压实系数， Kρ＝ρp/ρ0
芯棒工作尺寸(mm) 计算公式与说明
表凹 2模 金型 属腔 粉与 末芯 压棒 制的 成工 形作 模尺 具寸
型腔名义 尺寸
芯棒名义 尺寸
芯棒最大 允许尺寸
dn＝dmax-lp±ε±ηrp±lrp dmax—芯棒最大尺寸
dn′＝dmin-lp±ε±ηrp±lrp dmin＝d+δl—芯棒最小允许尺寸 d—零件孔径；δ1—孔径下偏差
二 、凹模与芯棒的工作尺寸
1、凹模总高度
所确定的尺寸包括凹模总高度、 凹模型腔及芯棒的工作尺寸
凹模各段的装料高度应与制件中相对应的各段高度成比例，以保证压 制坯密度分布均匀化。而凹模的总高度则主要取决于其装料高度，同时还要 考虑上、下冲头进入凹模的导向部分，如图1a所示。
Hd＝H0+hh+hl 式中Hd—凹模总高度 (4)
芯棒磨损余 量
Δd＝dn′-dn-δa δa—芯棒尺寸实际偏差量
后续精压芯 drp＝dmax±lrp 棒直径(孔 “+”—精压后回弹使孔径减小时 件) “-”—精压后回弹使孔径增大时 烧结坯内尺 寸 压制坯内尺 寸 ds＝drp±ηrp “+”—为负偏差精压时 “-”—为正偏差精压时 dp＝ds±ε “+”—烧结后内尺寸减小时 “-”—烧结后内尺寸增大时
同样，下冲头的总高度为： Ll＝hlt+h3+h4 (13)
3.模具受力件的强度校核
(1)冲头一般处于压应力状 (2)对支承模座和固定板也需
态，其强度校核式为：
ζ＝P/Fmin≤［ζ］ (14)
进行抗压强度校核：
ζ＝P/F≤［ζ］ (15)
式中:P—金属粉末压制力 Fmin—冲头最小截面积 ［ζ］—淬硬钢许用压应力
法，并选好压制方向。
3.压制坯的计算 压制坯的计算，其实质就是根据所加工的粉 末零件，决定压制坯的体积、质量和相关尺寸， 以确定压制凹模型腔的尺寸和检验压制坯的尺寸 精度。
表1金属粉末压制成形坯料计算
计算内容 定义或计算公式 有关说明
ξ—相对质量损耗量； Ve—零件体积 ρp—压制件平均密度 系数Cm＝1.02～1.05，考虑 了装粉及压制时的质量损失 H—粉末零件尺寸， Δm—机加工余量， lp，ε的意义见上
(8)
pc＝Ccρmp
2.凹模预应力圈尺寸
为了提高压制成形模具的寿命，并 保证压制件的尺寸精度，凹模常采用预 应力圈结构，如图2所示。其尺寸取决于 压制时凹模内壁所承受的侧压力大小。 对于铁粉末压制，其侧压力可按经验公 式估算： pc＝Ccρmp (9) 式中Cc＝0.00725，m＝6.8
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
当pc＞200MPa时： r3＝(pc/140+0.67)r1, r2＝(r1 r3) ½
(10a)
(10b)
此时，凹模与预应力圈的过盈量为：
△=2pcr2/E
(11)
四 、压制模具的结构设计及其强度校核
1.模具结构形式
(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
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。
(3)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 (a)计算纵向弯曲失稳临界载荷
Pcr=2∏EJmin/L2
位置和距离 ;
(16)
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
Jmin—冲头最小截面矩 ;
粉末压制成形模具设计 李文虎
一 、金属粉末的工艺特性和材料性能参数 与压制坯计算
1.金属粉末的工艺特性和材料性能参数
在制定金属粉末压制成形工艺时，其基本特性参数有:
(1)粉末松装(或摇实)密度，即压制前金属粉末在凹模
内的平均密度ρ0； (2)粉末的可压缩性，按实验数据或有关标准确定； (3)粉末的可变形程度，按实验数据或有关标准确定； (4)粉末流动应力。
压制 模具
型腔最大 允许尺寸
后续 精压
型腔磨损 余量 型腔名义 尺寸
型腔最大 允许尺寸 烧结坯外 尺寸
ΔD＝Dn′-Dn-δA δA—型腔尺寸实际偏差量 Drpmin＝Dmin-lrp
Drpmax＝Dmax-lrp Ds＝Dmin±ηrp “+”—为正偏差精压时 “-”—为负偏差精压时 Dp＝Ds±ε “+”—粉体烧结后收缩时 “-”—粉体烧结后膨胀时
而芯棒的工作尺寸则主要取决于零件的内
尺寸，同样也要考虑其内尺寸在各工序的变化， 并按零件的上极限偏差确定，以保证芯棒留有 最大的磨损余量。具体计算如表2所示。
凹模型腔工作尺寸(mm) 尺寸名称 计算公式与说明 Dn＝Dmin-lp±ε±ηrp Dmin—零件最小允许尺寸 ηrp—后续精压余量 Dn′＝Dmax-lp±ε±ηrp Dmax—还需知道以下 参数： (1)预先给定的粉末压制坯的密度ρp； (2)压制(和后续塑性加工)后制件线回弹量，用相 对值αp(αrp)或绝对量lp(lrp)表示； (3)制件烧结后的线收缩量，用相对值β或绝对量 ε表示； (4)烧结氧化或其他原因引起的质量损耗量，用 相对值ζ表示； (5)后续塑性加工引起的制件密度增加量，用相 对值η表示。