400 t全自動(dòng)粉末液壓機(jī)壓坯密度分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

楊繼東，宋朝陽

(重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

作為制造機(jī)械零件的一種特殊方法，粉末冶金技術(shù)近年來取得了快速的發(fā)展，在工業(yè)界占據(jù)了較為重要的地位。采用這一技術(shù)能大量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，減少后續(xù)加工，較大程度地節(jié)省工時(shí)，降低了成本，同時(shí)，因其符合節(jié)省資源和可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代需要，因而得到了廣泛推廣和應(yīng)用。全自動(dòng)粉末制品液壓機(jī)是粉末預(yù)成型的專用壓機(jī)。隨著我國工業(yè)化生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展，對粉末冶金制品的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高。目前，制約粉末冶金工業(yè)發(fā)展的2個(gè)主要因素是粉末材料和粉末冶金的專用壓制設(shè)備。近年來，由于高精度、高強(qiáng)度和形狀復(fù)雜的零件在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣，并逐漸占主導(dǎo)地位，對粉末冶金壓機(jī)的性能和壓制精度也提出了更高的要求。

粉末冶金技術(shù)具有節(jié)能、節(jié)材、高效、少切屑或無切屑等顯著優(yōu)點(diǎn)，可生產(chǎn)出許多其他冶金設(shè)備難以制造的、具有特殊性能的材料和零件。隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展及市場的需求，多臺(tái)面的復(fù)雜零件在粉末冶金零件生產(chǎn)中所占比重逐漸增大。由于其形狀復(fù)雜，成形技術(shù)要求很高，能準(zhǔn)確地分析出對壓坯密度影響的因素成為保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，合理的密度分析尤為重要。

粉末成型液壓機(jī)由液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、模架3部分組成，自動(dòng)化程度較高。但壓機(jī)類型不同，其具體結(jié)構(gòu)也不同，確定它所需用的參數(shù)也不同。參數(shù)設(shè)計(jì)是粉末壓機(jī)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)能夠保證壓機(jī)更加合理和精確地完成復(fù)雜的動(dòng)作。但由于模架零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度較高，所以設(shè)計(jì)中尺寸參數(shù)的確定應(yīng)既要保證科學(xué)性，又要滿足系列標(biāo)準(zhǔn)化要求。針對400 t壓機(jī)的技術(shù)要求，本文根據(jù)相關(guān)資料手冊以及經(jīng)驗(yàn)公式，給出了400 t全自動(dòng)粉末壓機(jī)參數(shù)。

1 400 t全自動(dòng)粉末液壓機(jī)壓制過程中壓坯密度分析

1.1 壓制力

粉料在型腔內(nèi)受壓成型，壓制壓力是壓機(jī)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。在壓制過程中，不考慮模具變形，粉末體主要受2個(gè)力的作用:

1)靜壓力。忽略粉末與模壁之間的摩擦阻力，在粉末體壓制變形過程中，粉末體內(nèi)部壓縮所需要的力，也就是壓制過程中金屬粉末所產(chǎn)生的內(nèi)部阻力F1。

2)外摩擦力。壓制過程中，金屬粉末體與型腔接觸面上所產(chǎn)生的摩擦力，即克服這個(gè)摩擦力所消耗的力F2。

壓制過程的總壓制力

總壓制力Fall與壓坯的關(guān)系為

式中:p為單位壓制力(即壓制壓強(qiáng))，MPa;s為壓坯受壓橫截面積，cm2。

1.2 壓制力與壓坯密度的研究分析

壓制力與壓坯密度的關(guān)系，直接粉末體在壓制過程中的變形規(guī)律。

常見的粉末材料的壓制壓強(qiáng)p與壓坯密度γ之間的關(guān)系為

可以化為

式中:γ為壓坯密度(g/cm3);a為粉末種類常數(shù)，表示粉末壓縮性，鐵粉的a值為0.20～0.22;b表示當(dāng)壓制壓力為100 MPa時(shí)的壓坯密度值。

根據(jù)式(2)，a 取0.21，用 Matlab 進(jìn)行分析，得出鐵粉壓制時(shí)壓力與密度關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 鐵粉壓力和密度關(guān)系曲線

從圖1可以直觀地看出，壓制壓力和密度為指數(shù)關(guān)系，當(dāng)壓力為400 MPa時(shí)，密度值約為5.6 g/cm3。

將式(2)用對數(shù)形式表示為

可以看出壓坯密度γ和單位壓力p取對數(shù)后就成為線性關(guān)系。圖2為 Matlab得出的對數(shù)曲線。

圖2 壓力和密度對數(shù)關(guān)系曲線

圖2更加直觀地顯示了取對數(shù)后壓力和密度的關(guān)系。取不同壓力壓制出來的粉末冶金零件，做密度測試，連接成光滑的曲線，就得出圖3所示曲線。

圖3 壓力和密度關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線

從圖3可以看出，當(dāng)壓力為400 MPa時(shí)，密度值大概為6.0 g/cm3，這與圖1和2得出的結(jié)論基本相符，可以說實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了式(1)所表述的壓制壓強(qiáng)與壓坯密度之間的關(guān)系。

1.3 關(guān)于粉末壓坯密度均勻性的影響

在粉末壓機(jī)壓制多臺(tái)階零件壓坯過程中，一般有2種情況:一種是型腔內(nèi)各橫截面上的粉末受到同樣程度的壓縮，可以被近似看作粉末只產(chǎn)生縱向壓縮，不產(chǎn)生橫向側(cè)移;另外一種是型腔內(nèi)相鄰縱截面上壓縮程度不同，壓縮程度高的那部分粉末體在壓制過程中會(huì)向相鄰界面橫向移動(dòng)。在壓制過程中，壓坯中壓縮程度高的部分粉料與壓縮程度低的部分的界面上，很可能會(huì)產(chǎn)生很大的橫向壓力，粉末體會(huì)向壓縮程度低的界面滑移，產(chǎn)生滑面，形成內(nèi)部裂紋。所以裝粉高度、壓縮比及壓制速率影響著不等高壓坯不同高度部位密度的均勻性，這就要求在工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中制訂出合理的工序，控制這種滑移，減少坯料的廢品率。

1.3.1 裝粉高度對多臺(tái)階壓坯密度均勻性的影響

壓坯密度分布的均勻性首先取決于裝粉高度，若要保證壓坯密度均勻，首先應(yīng)該保證臺(tái)階面上裝粉高度與壓坯高度比例相同，即要有相同的粉末充填系數(shù)。當(dāng)壓坯各截面的粉末不能同時(shí)受壓或受壓程度差別大時(shí)，先受壓或受壓程度大的截面上應(yīng)適當(dāng)?shù)囟嗉臃哿蟻碓龃蟪涮钕禂?shù)。

比較壓制前后型腔內(nèi)粉末體和壓坯體質(zhì)量，若能做到在壓制開始時(shí)，圖4(a)中A、B部分的上面同時(shí)接觸模沖，即同時(shí)受壓，任意時(shí)刻壓制速率相同，則A、B兩柱體相鄰面上不產(chǎn)生橫向應(yīng)力，粉末不會(huì)橫向移動(dòng)，則粉末體A部分和壓坯A部分質(zhì)量相同，同樣，粉末體B和壓坯B部分質(zhì)量相同，于是有:

或

或

式中:VAF為粉末體A部分體積;dF為粉末體A部分密度;VAP為壓坯A部分體積;dAP為壓坯A部分密度。

忽略壓制前后模具形變，橫截面積保持不變，所以有:

圖4 粉料與壓坯示意圖

要使壓坯 A、B兩部分密度相同，即 dAP=dBP，則

從這個(gè)分析過程可以看出，臺(tái)階狀壓坯各截面如要密度均勻且相同，除了要滿足裝粉均勻外，型腔和壓坯各階梯高度也應(yīng)成比例，即有相同的比例系數(shù)K，也就是:

這就得出，要使臺(tái)階狀壓坯各部分密度一致，就要盡量滿足型腔裝粉時(shí)各臺(tái)階部分的填充系數(shù)一樣。

1.3.2 壓縮比對多臺(tái)階壓坯密度均勻性的影響

臺(tái)階狀壓坯壓制過程中除了要求滿足各階梯裝填系數(shù)一致外，還需要壓坯各臺(tái)階縱向有相同或相近的壓縮比，否則，壓縮比大的臺(tái)階面，壓坯壓得實(shí)，密度也就相應(yīng)地高，而壓縮程度小的臺(tái)階面，粉末壓得松，密度也相應(yīng)地低，無法滿足壓坯密度均勻性要求。

壓縮比反映了壓坯的壓縮程度，是壓坯密度與壓制前型腔內(nèi)粉末密度之比，其值和粉末的填充系數(shù)相同。

壓縮比定義為壓縮前粉末的體積與壓縮后壓坯體積之差與壓縮前粉末的體積之比，參考圖4，其值即為，求證過程與粉末充填系數(shù)求證過程相同。要得到密度均勻的壓坯，用公式表述相同或相近的壓縮比:

1.3.3 壓制速率對多臺(tái)階壓坯密度均勻性的影響

粉末壓制中，除了要使壓縮比和裝填系數(shù)相同外，還需要考慮壓制速率對壓坯密度均勻性的影響。壓制速率就是單位時(shí)間內(nèi)粉末體體積變化值ΔV與之前體積V之比。在壓制過程中，速率快的部位，單位時(shí)間形變大，壓縮程度高，這就在相鄰界面上，對旁邊壓縮程度小的臺(tái)階面產(chǎn)生一個(gè)橫向應(yīng)力，容易在臺(tái)階面處產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致壓坯內(nèi)部產(chǎn)生裂痕，形成廢品。

圖4中，設(shè)某一時(shí)刻A、B粉末體壓制速率分別為 ξA、ξB，則:

式中:VA對應(yīng)A部分模沖速度;VB對應(yīng)B部分模沖速度。

壓制速率相同，即ξA=ξB，也就是

400 t粉末壓機(jī)由于各模沖可以單獨(dú)控制速度，所以要使粉末體內(nèi)各部分壓制速率相同，需要根據(jù)實(shí)時(shí)粉料高度控制模沖速度。

從以上分析可知，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，合理制定工序，控制裝粉高度、壓縮比和壓制速率這3個(gè)要素，能有效地避免內(nèi)部裂痕，得到密度均勻、質(zhì)量較高的壓坯。

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

400 t粉末壓機(jī)的公稱力為4 000 kN。有了公稱力，經(jīng)理論及經(jīng)驗(yàn)公式并參考其他壓機(jī)主要參數(shù)分析方法，即可得出400 t全自動(dòng)粉末液壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 400 t粉末成形液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)束語

通過對壓制力與壓坯密度關(guān)系的分析以及影響粉末壓坯密度均勻性因素的研究，從理論上得出了壓力與密度關(guān)系的參考性曲線，以及要得到密度均勻的壓坯所要求的壓制條件，為400 t以及其他噸位粉末壓機(jī)提供了分析依據(jù)。

［1］印紅羽.張華誠.粉末冶金模具設(shè)計(jì)手冊［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］韓鳳麟.粉末冶金模具模架實(shí)用手冊［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］黃伯云.粉末冶金標(biāo)準(zhǔn)手冊［K］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］東臺(tái)市唐洋帶鋸機(jī)械有限公司.機(jī)械式浮動(dòng)成型粉末壓機(jī)［P］.中國:01217756.3，2002.

［6］黃春曼.精密粉末壓制設(shè)備的設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.機(jī)床與液壓，2008(6):54-56.

［7］Hinzmann G.CNC metal powder compaction presses［Z］.M?nchengladbach:Metal Powder Report，2010.

［8］Zhanwu L.Design and application of a general purpose die set for use on a hydraulic press［Z］.Beijing:PM Technology，1991.

［9］Moser G.Dorst-Maschinen，Anlagenbau GmbH，Kochel am See G.Moser，Mechanical and hydraulic multi-platen presses for production of complicated PM parts［C］//Dorst-Maschinen und Anlagenbau GmbH.Germany:Kochel am See，1994.

［10］Unkel R F.Closed loop control of hybrid hydraulic/mechanical.compacting presses［R］.USA:Metal Powder Report，1995.

［11］胡俊文.精密成形粉末壓制設(shè)備模架機(jī)身及液壓系統(tǒng)的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2004.