一種氮化硅球模壓模具的設計

徐振宇，周鵬飛，姚玉婷，萬磊，張永乾

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039)

1 概述

高效壓制成型模具是氮化硅球制造的關鍵技術裝備，直接影響氮化硅球的生產效率和質量。傳統壓制模具由上沖頭、中模、下沖頭3部分組成(圖1)，安裝在粉末自動成型機上。

圖1 傳統壓制模具

氮化硅壓制模具結構設計和零件加工復雜，成本高；沖頭與中模孔、沖頭與定位壓板配合精度要求高，球窩近環帶段為薄壁銳角，易碰損報廢；沖頭球窩磨損大，需周期性返修。球窩在鏡面電火花機上使用球形電極脈沖成形后再拋光與中?？籽信?，加工工藝復雜且價格昂貴。受限于卡具和空間布置尺寸、制造精度、成本等原因，現有粉末自動成型機的模具[1]存在安裝難，磨損周期短和脫模困難[2]等問題，有較大的提升空間。

現有粉末冶金領域存在一出多的模具，沖頭多為平頭。對模具材料和結構的相關研究較多，而對提高模具生產效率，降低安裝難度和延長磨損返修周期的研究相對匱乏。

本文通過改進結構，換用沖擊韌性更優良的材料，簡化安裝方式，試圖實現模具6沖頭布置，延長球窩表面粗糙度的劣化周期，研究提高模壓成型效率，避免模具原因導致球坯廢品，并降低模具成本的方法。

2 新模具結構設計與計算

2.1 模具結構

新模具裝配示意圖如圖2所示，模具由上沖頭座板、上沖頭壓板、上沖頭、中模、下沖頭、下沖頭壓板、下沖頭座板、連接座和連接零件組成。

1—上沖頭座板；2—上沖頭壓板；3—上沖頭；4—中模；5—下沖頭；6—下沖頭壓板；7—下沖頭座板；8—連接座

模具對主要零件材料的剛度、沖擊韌性和耐磨性有很高的要求，模具結構有如下特點：

1)下沖頭與壓機的連接設計用連接座(圖3)取代螺紋緊箍，依靠壓機下軸的旋轉功能調整下沖頭角度。

圖3 連接座

2)上沖頭與壓機的連接設計為單純螺栓壓板連接，取消螺紋緊箍，用旋轉壓機上軸調整上沖頭角度。這種方式解決了沖頭布置空間的問題，沖頭布置不受壓機卡具尺寸限制，且加工制造僅對沖頭底座的平面度和平行度有要求，精度易保證。

3)沖頭用壓板孔徑向定位，壓板(圖4)設計為一體式的壓緊腔，腔底面的平面度更易保證，沖頭用座板底面軸向定位，定位端沒有分隔，可布置更多沖頭。

圖4 下沖頭壓板

4)可替換的階梯軸沖頭。氮化硅球壓制模具磨損快，需周期性返修，沖頭必須便于拆卸，傳統模具壓板一個沖頭一個孔，沖頭難以拆掉，一個沖頭變形導致整套模具報廢。通過階梯軸設計，沖頭變形能輕易拆下替換，不同規格沖頭可共用壓板座板，模具成本降低20%～30%。

5)沖頭雙排錯開布置，便于推球。

2.2 沖頭數量的選擇

以直徑4.762 mm氮化硅球為例設計模具。壓制需要的壓力通常按壓坯橫截面積[3]計算，根據長期生產實踐，6 t(F=60 kN)壓機完全滿足需要，單位面積壓制壓力取12 kN/cm2。

成品球4.762 mm，相應生坯球直徑7.3 mm，生坯球截面積0.42 cm2。多頭模具可布置的沖頭數量為

(1)

式中:F為壓機額定壓力，kN；S為單個壓坯環帶橫截面積，cm2；F均為單沖頭每平方厘米的壓制力，kN；r為球坯半徑，mm。

由(1)式可得，6 t機壓4.762 mm球壓力可滿足布置11(取整數)個沖頭的需要，受空間限制，實際設計為每排3個沖頭，2排共6個。

2.3 零件材料

為保證模具能長時間連續、可靠工作，要求沖頭、中模、座板和壓板具有足夠的剛度、沖擊韌性和耐磨性，其材料應易加工且熱處理變形小。

當前行業使用的沖頭材料主要為SLD模具鋼，其特點是可以手工拋光球窩，抗碰損性能和耐磨性較好。

2.3.1 沖擊韌性與抗碰損

沖頭與中?？椎呐浜祥g隙通常為微米級，安裝時稍有偏差，沖頭即被碰掉塊，抗碰損能力取決于材料的沖擊韌性。為解決此問題，模具設計選用CPM-3V耐磨工具鋼，與傳統的SLD模具鋼相比，沖擊韌性好(表1)，安裝稍有偏差時，沖頭的銳角與中模接觸可產生相對較大的彈性變形，不易碰損。

表1 CPM-3V與SLD的沖擊韌性對比

2.3.2 耐磨性與返修周期

CPM-3V實際生產耐磨性提高不明顯，很快出現球窩豎紋(圖5)。為解決此問題，分別試驗了碳氮氧鹽浴復合(QBQ)處理技術(圖6)、類金剛石(DLC)鍍膜表面處理技術(圖7)對沖頭進行表面處理。QBQ處理后沖頭變形嚴重。DLC鍍膜表面技術處理后沖頭球窩的摩擦因數減小，表面硬度提高，磨損周期達2～3個月，素坯裂紋顯著減少。

圖5 球窩豎紋

圖6 QBQ處理后的沖頭

圖7 DLC處理后的沖頭

3 彈出脫模與環帶高度優化

球坯環帶(球坯中間的圓柱段，作用是防止上下沖頭碰在一起)高度越大，越易推出，但球坯球形度變差，磨削加工量相應增大，加工廢品率高。環帶高度在確定模具設計定形尺寸時設定[4]，本模具根據實際生產試驗優化，將環帶高度設計為1.8 mm，此時球坯球形度達到最優，但傳統的脫模推球方式難以將球坯推出下沖頭球窩。

配合模具設計，生產實踐中采用彈出脫模技術[5]和創新的反弧推球技術，解決了脫模推球困難問題。

4 球坯性能對比

傳統模具與新模具壓制的生坯球尺寸及質量對比見表2。球坯的單重、高度等一致性沒有明顯差異，生產實踐效果良好。

表2 傳統模具與新模具壓制的生坯球尺寸及質量對比

燒結坯性能對比見表3,由表可知，同種原料，新模具與傳統模具壓制的球坯，密度范圍均為3.25～3.30 g/cm3，無明顯差異。同規格鋼球的標準壓碎載荷值16 kN，傳統模具的壓碎載荷比為44.1%～80.3%，新模具為54.7%～79.3%(35.0%以上即為合格品)，比傳統模具離散范圍略小。改進設計的氮化硅球成型模具與傳統模具的參數對比見表4。

表3 傳統模具與新模具壓制的燒結坯性能

表4 新模具與傳統模具的參數對比

5 結束語

設計了氮化硅球壓制多頭模具，解決了粉末自動成型機沖頭多難以布置，脫模推出困難，磨損返修周期短，易碰損報廢等問題。新模具特點如下：

1)利用壓機下軸旋轉調整下沖頭角度，模具與壓機的連接采用單純螺栓壓板連接，克服多沖頭空間難布置問題。

2)沖頭壓板設計為一體式壓緊腔，空間設計合理，便于拆裝沖頭，且加工精度更易保證。

3)采用可替換的階梯軸沖頭，有效降低模具成本，便于維修，避免沖頭碰損整體報廢。

4)雙排錯開布置，結合創新的彈出脫模和反弧推球技術，有效解決了脫模推球困難。

5)通過材料優化解決了模具碰損，返修周期短的問題。