高精密自緊鉆夾頭絲母粉末冶金壓制模具設(shè)計(jì)

吉風(fēng)霏 ，谷文金 ，孫立臣

1) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)工商管理學(xué)院, 葫蘆島 125105 2) 興城市粉末冶金有限公司, 興城 125100

鉆夾頭是電動(dòng)工具行業(yè)及機(jī)床行業(yè)的重要配件，被廣泛應(yīng)用于手電鉆及機(jī)床上。鉆夾頭與鉆具相連，是用來(lái)夾持柄類工具的附件。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高精密自緊鉆夾頭的需求越來(lái)越旺盛，這就要求對(duì)鉆夾頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。絲母是鉆夾頭中的重要零件，由于其精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此常采用粉末冶金工藝制備[1]。目前，國(guó)產(chǎn)粉末冶金絲母已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。粉末冶金絲母適用于高精密自緊鉆夾頭，具有體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高等特點(diǎn)，它可以提高高精密自緊鉆夾頭的精度，并且可以降低成本。因?yàn)檫@類絲母使用批量大，因此要求少無(wú)加工[2]。

可通過(guò)降低細(xì)長(zhǎng)模沖高度和提高模具配合間隙精度來(lái)保證粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母的形狀和精度，絲母生產(chǎn)過(guò)程的順暢進(jìn)行取決于壓制模具設(shè)計(jì)的合理性、壓制模具的精度和生產(chǎn)工藝的可執(zhí)行性[3-4]。通過(guò)研究粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母零件設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)壓制模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，選取壓制模具強(qiáng)度高、分形結(jié)構(gòu)合理的開(kāi)模方式。從壓制模具的材料選用、壓制模具的分形結(jié)構(gòu)（多臺(tái)階零件壓制模具分沖、模具臺(tái)階結(jié)構(gòu)）、壓制模具的配合間隙及模具尺寸（影響模具使用壽命）等方面對(duì)壓制模具進(jìn)行優(yōu)化，使壓制模具具有高使用壽命，生產(chǎn)的高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)要求，減少后序的機(jī)械加工。

1 工藝分析

圖1為粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品簡(jiǎn)圖，圖2為粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品造型圖。粉末冶金絲母的生產(chǎn)工藝流程包括壓制成形、燒結(jié)硬化、精整、成品包裝等[5]。根據(jù)圖1、圖2可知，產(chǎn)品為加工毛坯，絲母成品密度要求7.0 g·cm-3以上，采用粉末冶金D39為原材料，燒結(jié)后硬度要求為HV 300以上，無(wú)后序熱處理[6]。

圖1 粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of the powder metallurgy nuts for the high precision self-tightening drill collets (unit: mm)

圖2 粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品造型圖Fig.2 Product model diagram of the powder metallurgy nuts for the high precision self-tightening drill collets

粉末成形壓機(jī)和模架結(jié)構(gòu)選用如下，先用Creo3.0三維造型軟件建模，使用軟件的查詢功能，計(jì)算出絲母產(chǎn)品軸向投影面積為5.2 cm2，壓制毛坯質(zhì)量為40 g。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，計(jì)算出絲母壓制成形壓力為33.8 t；絲母產(chǎn)品外形有三個(gè)臺(tái)階，內(nèi)孔有一個(gè)臺(tái)階，根據(jù)過(guò)往模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和公司現(xiàn)有粉末壓機(jī)的情況，選取50 t上二下三模架粉末機(jī)械壓機(jī)。

2 壓制模具設(shè)計(jì)分析

粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母模具設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)主要包括D39預(yù)合金鐵粉松裝密度、壓坯回彈率、燒結(jié)收縮率、精整余量和回彈量，這些工藝參數(shù)可直接影響壓制模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[7-8]。D39預(yù)合金鐵粉為吉?jiǎng)P恩（霸州）金屬粉末有限公司提供的成品粉材，松裝密度為3.0 g·cm-3；利用工廠現(xiàn)有產(chǎn)品和相似模具進(jìn)行實(shí)際壓制和燒結(jié)，采用測(cè)量產(chǎn)品尺寸變化量的方法獲得其他壓制模具設(shè)計(jì)參數(shù)，以供絲母模具設(shè)計(jì)使用，保證壓制模具尺寸設(shè)計(jì)的一次性成功率[3]。

50 t上二下三模架粉末機(jī)械壓機(jī)各部位零件說(shuō)明和功能如下：中模具有限位功能，上外板為浮動(dòng)板，上二板為固定板，下一板為固定板，下二板為浮動(dòng)板，下三板為浮動(dòng)板，中心缸具有上、下動(dòng)作功能。

圖3為壓制模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析圖，其中1表面為絲母產(chǎn)品上面，2表面為絲母產(chǎn)品最大直徑φ34 mm下臺(tái)階面，3表面為絲母產(chǎn)品5個(gè)異形爪的上表面，4表面為絲母產(chǎn)品5個(gè)異形爪的下表面，5表面為絲母產(chǎn)品內(nèi)臺(tái)直徑上表面，6表面為絲母產(chǎn)品內(nèi)孔直徑面（φ20 mm）。根據(jù)絲母結(jié)構(gòu)、壓制壓機(jī)模架技術(shù)參數(shù)和裝模工藝，取圖3中1面為壓制上面，只需要一個(gè)壓制上沖即可。50 t上二下三模架粉末機(jī)械壓機(jī)具有中模限位功能，同時(shí)為了簡(jiǎn)化模具，圖3中2面可以與絲母產(chǎn)品最大直徑 （φ34 mm）一起設(shè)計(jì)作為中模模具，即壓制陰模，中模模具做成臺(tái)階形式。正常設(shè)計(jì)時(shí)，為了絲母壓制坯脫模方便，4面處壓制模具應(yīng)設(shè)計(jì)在下一板上 （固定板），設(shè)計(jì)為壓制下一沖，3面處壓制模具設(shè)計(jì)在下二板上（浮動(dòng)板），設(shè)計(jì)為壓制下二沖。為簡(jiǎn)化模具，內(nèi)孔直徑6與5面設(shè)計(jì)在一起做成臺(tái)階芯棒，即壓制芯棒，設(shè)計(jì)在下三板（浮動(dòng)板）上，保證壓制成形時(shí)尺寸穩(wěn)定。

圖3 壓制模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析圖Fig.3 Structural design and analysis diagram of the pressing die

壓制陰模高度要滿足裝粉高度和模沖定位高度，包括絲母裝粉高度、下模沖定位高度（一般為15～20 mm）、壓機(jī)少裝粉高度（一般為3～6 mm）等。芯棒長(zhǎng)度由裝粉高度、芯棒與下模沖配合高度和根據(jù)壓制方式、連接方式需要的高度決定，芯棒長(zhǎng)度盡量設(shè)計(jì)短一些，這樣可以提高加工精度。絲母壓制下一模沖高度、壓制下二模沖高度由配合定位高度、壓機(jī)脫模行程、模沖墊塊和連接所需要的高度組成。壓制模具細(xì)節(jié)分析見(jiàn)圖4。為防止脫模時(shí)陰模碰到模沖邊接座，在壓制陰模下表面與壓制下一沖臺(tái)階上面（圖5（c）中A點(diǎn)處）之間要有約10 mm的間隙。如模沖過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，強(qiáng)度不足，還應(yīng)考慮其他方式增強(qiáng)模沖強(qiáng)度或降低模沖高度[4]。

圖4 絲母壓制模具細(xì)節(jié)分析（單位：mm）Fig.4 Detail analysis of the nut pressing die (unit: mm)

如圖1所示，絲母產(chǎn)品有一個(gè)1.2 mm寬的最小槽在設(shè)計(jì)中需要考慮。根據(jù)絲母壓制填充高度，預(yù)估壓制陰模高度為50 mm，壓制下一沖高度90 mm（沖分形部分高度60 mm），壓制下二沖高度170 mm（沖分形部分高度100 mm）。如果這樣設(shè)計(jì)，就會(huì)有一個(gè)寬度為1.2 mm、高度為100 mm的模沖，很明顯壓制下二沖強(qiáng)度嚴(yán)重不足，模具會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，將無(wú)法使用。剛開(kāi)始采取的解決措施是將壓制下一沖制做成階梯結(jié)構(gòu)，此種方式可以使壓制下二沖高度降低，將壓制下二沖分形部分高度降至85 mm，壓制下二沖1.2 mm處強(qiáng)度有所提高，但依然不能滿足生產(chǎn)使用。更換設(shè)計(jì)思路，取圖3中1面為壓制上面，一個(gè)壓制上沖；2面可以與絲母產(chǎn)品最大直徑設(shè)計(jì)在一起作為中模模具，即壓制陰模做成臺(tái)階形式；3面處壓制模具應(yīng)設(shè)計(jì)在下二板上（浮動(dòng)板），中間過(guò)橋，穿過(guò)固定板層，設(shè)計(jì)為壓制下一沖；4面處壓制模具應(yīng)設(shè)計(jì)在下一板上（固定板），設(shè)計(jì)為壓制下二沖；內(nèi)孔直徑6面與5面設(shè)計(jì)在一起，做成臺(tái)階芯棒，即壓制芯棒，設(shè)計(jì)在下三板（浮動(dòng)板）上。這樣設(shè)計(jì)各模沖位置，同時(shí)結(jié)合階梯結(jié)構(gòu)，可以使寬度為1.2 mm處的沖分形處高度降低至60 mm，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化后的壓制模具設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖5。

3 壓制模具材料選擇和模具制作要求

如圖5所示，根據(jù)絲母壓制模具各部件不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用不同的材料制備模具。壓制陰模內(nèi)孔為小臺(tái)階結(jié)構(gòu)，無(wú)特殊形狀，考慮到產(chǎn)品批量大，因此選用YG15硬質(zhì)合金材料，因?yàn)閅G15硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)。壓制芯棒頂部有個(gè)小臺(tái)階，內(nèi)孔為螺絲連接孔，無(wú)異形，因此選用YG8硬質(zhì)合金材料，YG8硬質(zhì)合金材料具有強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。壓制下一沖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有較細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，壓制下二沖長(zhǎng)度長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，壓制下一沖和下二沖需要選用韌性高、耐磨性好的冷作模具鋼，選用材料SLD合金工具鋼，熱處理硬度HRC 57～59，模具熱處理后需要3次回火。壓制上沖形狀不復(fù)雜，選用DC53材料，熱處理硬度HRC 57～59[8]。

圖5 優(yōu)化后的壓制模具：（a）壓制陰模；（b）壓制上沖；（c）壓制下一沖；（d）壓制下二沖；（e）壓制芯棒Fig.5 Optimized pressing die: (a) pressing female die; (b) pressing the upper punching rod; (c) first lower punch; (d) second lower punch; (e) pressing mandrel

壓制陰模與壓制芯棒的成形面、配合表面的表面粗糙度要求為Ra＞0.4，這樣可以減少模具之間的摩擦，有利于絲母產(chǎn)品脫模。壓制下一沖和壓制下二沖配合表面粗糙度要求Ra＞0.4，細(xì)長(zhǎng)桿之間配合摩擦力小，減小壓制時(shí)的摩擦，提高模具使用壽命[9]。壓制模具之間的配合間隙選擇0.010～0.015 mm，模具的形狀誤差（直線度、圓度、圓柱度等）要小于0.005 mm，位置公差（同軸度、垂直度、平行度等）要小于0.02 mm。

4 高精密自緊鉆夾頭絲母試制和量產(chǎn)

在50 t上二下三模架粉末機(jī)械壓機(jī)上安裝經(jīng)過(guò)優(yōu)化的壓制模具，進(jìn)行調(diào)試壓制。調(diào)整絲母壓制密度為7.06 g·cm-3，試制壓制500件絲母。絲母壓制完成后，壓制模具完好，壓制的絲母經(jīng)燒結(jié)后符合產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，壓制的成品見(jiàn)圖6。試制取得成功后，公司進(jìn)行批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)絲母3萬(wàn)件，量產(chǎn)出來(lái)的絲母，經(jīng)過(guò)檢測(cè)中心和客戶的檢測(cè)，產(chǎn)品完全達(dá)到產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，而且壓制模具無(wú)損壞，模具的使用壽命也達(dá)到了預(yù)期的時(shí)間。粉末冶金絲母安裝在高精密自緊鉆夾頭上，完全達(dá)到使用性能和使用壽命要求。圖7為安裝了粉末冶金絲母的高精密自緊鉆夾頭。

圖6 試制生產(chǎn)的高精密自緊鉆夾頭絲母成品Fig.6 Trial production of the high precision self-tightening drill chuck nuts

圖7 裝有絲母的高精密自緊鉆夾頭Fig.7 High precision self-tightening drill chuck with nuts

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)粉末冶金絲母的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，從壓制模具的材料選擇、壓機(jī)模架的優(yōu)化應(yīng)用（中間過(guò)橋，穿過(guò)固定板層）、模具結(jié)構(gòu)的調(diào)整（變換壓制下一沖、壓制下二沖位置，階梯結(jié)構(gòu)）、縮短壓制模具尺寸、增加模沖強(qiáng)度和利用以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等方面，對(duì)絲母產(chǎn)品壓制模具進(jìn)行優(yōu)化，增加壓制模具使用壽命，生產(chǎn)出來(lái)的高精密自緊鉆夾頭絲母完全達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。