粉末递增压制装置设计及其压制方法研究

陈和娟，张哲轩，山 泉

(1.无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153；昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093)

0 引 言

成形是重要性仅次于烧结的1个基本的粉末冶金过程，比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。成形方法的合理与否直接决定整个生产过程能否顺利进行，影响后续各个工艺及其最终产品质量，以及生产的自动化、生产率和生产成本。

粉末压制过程中，压制后粉末体的孔隙率降低，压胚相对密度明显高于粉末体的密度，但随着轴向压力施加于粉末体，其在某种程度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，导致侧压力的产生，并且加之粉末颗粒间摩擦，压力传递不均匀，导致压胚中不同部位密度不均匀，进而影响产品最终性能。

现有技术中多采用单次压制成型的工艺，单次压制成型的压胚会存在压胚密度不均匀的问题，即在底端致密度与平均致密度2方面问题尤为突出。因此，该文提出粉末递增压制装置的设计及其压制方法的研究。

1 机械结构设计

粉末递增压制装置的机械结构见图1，包括上模冲、上模冲液压杆、前阴模、后阴模、阴模液压杆、下模冲、脱模板、脱模板液压杆、阴模液压杆伺服电机、上模冲液压杆伺服电机、脱模板液压杆伺服电机。

上模冲和上模冲液压杆位于前阴模、后阴模上方，上模冲与4个上模冲液压杆连接，并且上模冲的轴线与前阴模和后阴模闭合后的中轴线重合，下模冲设置在前阴模、后阴模下面，下模冲上开有脱模口，脱模口上设置脱模板，前阴模和后阴模之间设置4个阴模液压杆，4个阴模液压杆两两对称设置，后阴模、下模冲固定不动，前阴模与4个阴模液压杆配合推动前阴模移动，脱模板与脱模板液压杆连接；4个上模冲液压杆同时由上模冲液压杆伺服电机驱动，4个阴模液压杆同时由阴模液压杆伺服电机驱动，脱模板液压杆由脱模板液压杆伺服电机驱动。还包括传送带、推板、推板连杆、导轨、传送带伺服电机、推板连杆伺服电机，传送带设置在后阴模旁边，传送带和后阴模上设有导轨，传送带与推板配合设置，推板在移动过程中和传送带相交，推板与推板连杆连接，推板连杆设置在后阴模侧面，传送带由传送带伺服电机驱动，推板连杆由推板连杆伺服电机驱动。

2 控制电路设计

粉末递增压制装置的控制电路见图2，包括控制芯片、复位电路、进程开关按键电路、模式切换按键电路、传送带单向转动伺服电机电路、推板连杆单向转动伺服电机电路、阴模液压杆双向转动伺服电机电路、上模冲液压杆双向转动伺服电机电路、脱模板液压杆双向转动伺服电机电路、三极管开关电路。

控制芯片分别与复位电路、进程开关按键电路、模式切换按键电路、传送带单向转动伺服电机电路、推板连杆单向转动伺服电机电路、阴模液压杆双向转动伺服电机电路、上模冲液压杆双向转动伺服电机电路、脱模板液压杆双向转动伺服电机电路、三极管开关电路连接；进程开关按键电路由一副开关网络构成，模式切换按键电路由两副开关网络构成，传送带单向转动伺服电机电路与传送带伺服电机连接，推板连杆单向转动伺服电机电路与推板连杆伺服电机连接，阴模液压杆双向转动伺服电机电路与阴模液压杆伺服电机连接，上模冲液压杆双向转动伺服电机电路与上模冲液压杆伺服电机连接，脱模板液压杆双向转动伺服电机电路与脱模板液压杆伺服电机连接，三极管开关电路与阴模液压杆双向转动伺服电机电路、上模冲液压杆双向转动伺服电机电路分别连接。

3 压制方法对比

模具壁处的摩擦力抑制粉末的压实，用于粉末局部致密化的轴向应力随着与压制冲头表面之间距离的增加而降低，同时压胚致密度与轴向应力正相关，则存在如下关系：

σa(x)=σa(0)×exp(-2×μ×ξ/r×x)

(1)

ρavg(x)∈σa(x)

(2)

式中：

σa(x)——距离压制冲头x处的用于粉末局部致密化的轴向应力；

ρavg(x)——距离压制冲头x处的压胚平均致密度；

μ——模具壁处的摩擦系数；

ξ——模具壁处的侧压系数；

r——压胚半径；

l——压坯长度；

Δl——新增压坯长度；

N——新增压坯次数。

l=n*Δl。

(3)

(4)

(5)

(-2×μ×ξ/r×l)-1)/(-2×μ×ξ/r×l)

(6)

ξ/r×(x-[x/Δl]×Δl))

(7)

(8)

μ×ξ/r×Δl)

(9)

ξ/r×Δl)-1)/(-2×μ×ξ/r×Δl))/n

(10)

式中：

根据压制方式，存在如下关系：

(11)

(12)

(13)

(14)

综上所述，递增压制方式在底端致密度与平均致密度2个方面的性能均优于单次压制方式，见图3。

4 结 语

(1)单次压制成型的压胚会存在压胚密度不均匀的问题，即在底端致密度与平均致密度两方面问题尤为突出。因此，笔者开展粉末递增压制装置的设计及其压制方法的研究。

(2)粉末递增压制装置的机械结构包括上模冲、上模冲液压杆、前阴模、后阴模、阴模液压杆、下模冲、脱模板、脱模板液压杆、阴模液压杆伺服电机、上模冲液压杆伺服电机、脱模板液压杆伺服电机。除此之外，控制电路包括控制芯片、复位电路、进程开关按键电路、模式切换按键电路、传送带单向转动伺服电机电路、推板连杆单向转动伺服电机电路、阴模液压杆双向转动伺服电机电路、上模冲液压杆双向转动伺服电机电路、脱模板液压杆双向转动伺服电机电路、三极管开关电路。