400 t全自動粉末液壓機壓坯密度分析與參數設計

楊繼東，宋朝陽

(重慶大學機械工程學院，重慶 400044)

作為制造機械零件的一種特殊方法，粉末冶金技術近年來取得了快速的發展，在工業界占據了較為重要的地位。采用這一技術能大量生產形狀復雜的零件，減少后續加工，較大程度地節省工時，降低了成本，同時，因其符合節省資源和可持續發展的時代需要，因而得到了廣泛推廣和應用。全自動粉末制品液壓機是粉末預成型的專用壓機。隨著我國工業化生產的蓬勃發展，對粉末冶金制品的需求量越來越大，質量要求也越來越高。目前，制約粉末冶金工業發展的2個主要因素是粉末材料和粉末冶金的專用壓制設備。近年來，由于高精度、高強度和形狀復雜的零件在工業生產中的應用越來越廣，并逐漸占主導地位，對粉末冶金壓機的性能和壓制精度也提出了更高的要求。

粉末冶金技術具有節能、節材、高效、少切屑或無切屑等顯著優點，可生產出許多其他冶金設備難以制造的、具有特殊性能的材料和零件。隨著粉末冶金技術的發展及市場的需求，多臺面的復雜零件在粉末冶金零件生產中所占比重逐漸增大。由于其形狀復雜，成形技術要求很高，能準確地分析出對壓坯密度影響的因素成為保證零件質量的關鍵，因此，合理的密度分析尤為重要。

粉末成型液壓機由液壓系統、控制系統、模架3部分組成，自動化程度較高。但壓機類型不同，其具體結構也不同，確定它所需用的參數也不同。參數設計是粉末壓機設計過程中的一個重要環節，合理的參數設計能夠保證壓機更加合理和精確地完成復雜的動作。但由于模架零件的標準化、系列化程度較高，所以設計中尺寸參數的確定應既要保證科學性，又要滿足系列標準化要求。針對400 t壓機的技術要求，本文根據相關資料手冊以及經驗公式，給出了400 t全自動粉末壓機參數。

1 400 t全自動粉末液壓機壓制過程中壓坯密度分析

1.1 壓制力

粉料在型腔內受壓成型，壓制壓力是壓機設計與生產中的一個重要參數指標。在壓制過程中，不考慮模具變形，粉末體主要受2個力的作用:

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，粉末體內部壓縮所需要的力，也就是壓制過程中金屬粉末所產生的內部阻力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生的摩擦力，即克服這個摩擦力所消耗的力F2。

壓制過程的總壓制力

總壓制力Fall與壓坯的關系為

式中:p為單位壓制力(即壓制壓強)，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系，直接粉末體在壓制過程中的變形規律。

常見的粉末材料的壓制壓強p與壓坯密度γ之間的關系為

可以化為

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

根據式(2)，a 取0.21，用 Matlab 進行分析，得出鐵粉壓制時壓力與密度關系曲線，如圖1所示。

圖1 鐵粉壓力和密度關系曲線

從圖1可以直觀地看出，壓制壓力和密度為指數關系，當壓力為400 MPa時，密度值約為5.6 g/cm3。

將式(2)用對數形式表示為

可以看出壓坯密度γ和單位壓力p取對數后就成為線性關系。圖2為 Matlab得出的對數曲線。

圖2 壓力和密度對數關系曲線

圖2更加直觀地顯示了取對數后壓力和密度的關系。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 壓力和密度關系實驗曲線

從圖3可以看出，當壓力為400 MPa時，密度值大概為6.0 g/cm3，這與圖1和2得出的結論基本相符，可以說實驗數據也驗證了式(1)所表述的壓制壓強與壓坯密度之間的關系。

1.3 關于粉末壓坯密度均勻性的影響

在粉末壓機壓制多臺階零件壓坯過程中，一般有2種情況:一種是型腔內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生縱向壓縮，不產生橫向側移;另外一種是型腔內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向相鄰界面橫向移動。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，很可能會產生很大的橫向壓力，粉末體會向壓縮程度低的界面滑移，產生滑面，形成內部裂紋。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，這就要求在工業生產和設計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，首先應該保證臺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。當壓坯各截面的粉末不能同時受壓或受壓程度差別大時，先受壓或受壓程度大的截面上應適當地多加粉料來增大充填系數。

比較壓制前后型腔內粉末體和壓坯體質量，若能做到在壓制開始時，圖4(a)中A、B部分的上面同時接觸模沖，即同時受壓，任意時刻壓制速率相同，則A、B兩柱體相鄰面上不產生橫向應力，粉末不會橫向移動，則粉末體A部分和壓坯A部分質量相同，同樣，粉末體B和壓坯B部分質量相同，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

從這個分析過程可以看出，臺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成比例，即有相同的比例系數K，也就是:

這就得出，要使臺階狀壓坯各部分密度一致，就要盡量滿足型腔裝粉時各臺階部分的填充系數一樣。

1.3.2 壓縮比對多臺階壓坯密度均勻性的影響

臺階狀壓坯壓制過程中除了要求滿足各階梯裝填系數一致外，還需要壓坯各臺階縱向有相同或相近的壓縮比，否則，壓縮比大的臺階面，壓坯壓得實，密度也就相應地高，而壓縮程度小的臺階面，粉末壓得松，密度也相應地低，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粉末密度之比，其值和粉末的填充系數相同。

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間內粉末體體積變化值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階面產生一個橫向應力，容易在臺階面處產生滑移，導致壓坯內部產生裂痕，形成廢品。

圖4中，設某一時刻A、B粉末體壓制速率分別為 ξA、ξB，則:

式中:VA對應A部分模沖速度;VB對應B部分模沖速度。

壓制速率相同，即ξA=ξB，也就是

400 t粉末壓機由于各模沖可以單獨控制速度，所以要使粉末體內各部分壓制速率相同，需要根據實時粉料高度控制模沖速度。

從以上分析可知，在生產設計中，合理制定工序，控制裝粉高度、壓縮比和壓制速率這3個要素，能有效地避免內部裂痕，得到密度均勻、質量較高的壓坯。

2 主要參數設計

400 t粉末壓機的公稱力為4 000 kN。有了公稱力，經理論及經驗公式并參考其他壓機主要參數分析方法，即可得出400 t全自動粉末液壓機的主要技術參數，見表1。

表1 400 t粉末成形液壓機主要技術參數

3 結束語

通過對壓制力與壓坯密度關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提供了分析依據。

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