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模孔研配，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

沖頭與中模孔的配合間隙通常為微米級，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。