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摘要：在文獻［1］的基礎上，敘述并歸納了金屬粉末鋼模壓制成形坯及相應的壓制模具結構的設計與計算方法、內容和步驟；并介紹了一典型粉末件的設計計算結果。
關鍵詞：金屬粉末；鋼模壓制成形；燒結；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)的有關技術要求和原始數(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的平均密度ρ0；(2)粉末的可壓縮性，按實驗數(shù)據(jù)或有關標準確定；(3)粉末的可變形程度，按實驗數(shù)據(jù)或有關標準確定；(4)粉末流動應力。

而在進行壓制成形模具設計時，還需知道以下參數(shù)：(1)預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)制件燒結后的線收縮量，用相對值β或絕對量ε表示；(4)燒結氧化或其他原因引起的質量損耗量，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值預先給出。

2.確定壓制成形方法

具備了上述技術資料和數(shù)據(jù)后，可根據(jù)實際生產(chǎn)條件，選擇壓制設備型式以及相應的壓制方法，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，其實質就是根據(jù)所加工的粉末零件，決定壓制坯的體積、質量和相關尺寸，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
計算內容 定義或計算公式 有關說明 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—相對質量損耗量 壓制坯質量G_p(kg) G_p＝ρ_pV_p ρ_p—壓制件平均密度 裝粉質量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�、凹模型腔及芯棒的工作尺寸，具體如下：

1.凹�？偢叨�

如文獻［1］所述，凹模各段的裝料高度應與制件中相對應的各段高度成比例，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

對于固定式結構，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、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尺寸，同樣也要考慮其內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 燒結坯內尺寸 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
“+”—粉體燒結后收縮時
“-”—粉體燒結后膨脹時 壓制坯內尺寸 d_p＝d_s±ε
“+”—燒結后內尺寸減小時
“-”—燒結后內尺寸增大時
注：公式中凡有“±”處則表示經(jīng)此工序后尺寸的實際增減。

三、壓制力與凹模預應力圈尺寸

1.壓制力、頂出力和設備噸位

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，由壓制實驗曲線或實際經(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壓力pc、粉體側表面面積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.凹模預應力圈尺寸

為了提高壓制成形模具的壽命，并保證壓制件的尺寸精度，凹模常采用預應力圈結構，如圖2所示。其尺寸取決于壓制時凹模內壁所承受的壓力大小。對于鐵粉末壓制，其側壓力可按經(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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