大尺寸超薄毛胚模壓裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計研究

田 閃，黃 偉，夏能超

應用研究

大尺寸超薄毛胚模壓裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計研究

田 閃，黃 偉，夏能超

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 中船重工黃岡水中裝備動力有限公司，湖北黃岡 438000）

本文研究了現(xiàn)有粉末壓制裝置的原理和結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)有大尺寸（L×W×H =400 mm×500 mm×2 mm）超薄毛胚模壓成型過程中存在毛胚厚度均勻性差，模腔深度調(diào)節(jié)不便，脫模機構(gòu)磨損大等問題，提出了一種新型模壓成型裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案，并進行了試驗驗證，結(jié)果表明該優(yōu)化方案可行。

超薄毛胚 模壓成型 優(yōu)化設計

0 引言

現(xiàn)有大尺寸（L×W×H=400 mm×500 mm×2 mm）超薄毛胚是基于冷等靜壓原理[1]，將一定量的金屬粉末在模壓裝置內(nèi)被壓制成型的。在冷等靜壓力下，金屬粉末在模壓裝置內(nèi)受到的各方向壓力相等，使得成型毛胚尺寸精度高；模壓裝置成型效率高，保壓、泄壓速率方便控制[2, 3, 5]。但是，當前大尺寸多孔毛胚的生產(chǎn)過程存在毛胚厚度均勻性較差，模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)不便，脫模機構(gòu)磨損大等問題。因此，本文在現(xiàn)有毛胚成型原理及其所用模壓裝置結(jié)構(gòu)的基礎上，結(jié)合現(xiàn)有成熟的技術(shù)和工藝，提出一種新型成型裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案，目的是改善當前大尺寸多孔毛胚厚度均勻性，解決模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)不便的問題，降低脫模機構(gòu)磨損大的風險。

1 模壓裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

基于金屬粉末的理化性質(zhì)，模壓裝置采用單向壓制的結(jié)構(gòu)設計，用冷等靜壓方法，在一定壓力下將金屬粉末壓制成毛胚?，F(xiàn)有模壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 模壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，模壓裝置基本結(jié)構(gòu)由組合陰模、上動模及靜模組成。上動模（油壓機壓板）在外力（通過油壓機施加）作用下與陰模一起向下運動，從而將模腔內(nèi)的金屬粉末壓制成型。

基于金屬粉末的拱橋效應，模壓成型過程中，外力使金屬粉末在某種程度上表現(xiàn)出類似流體的行為，從而使金屬粉末向陰模模壁施加作用力，其反作用力會在卸壓脫模后，使毛胚尺寸發(fā)生膨脹而產(chǎn)生彈性后效，從而導致了毛胚中間厚度比四周偏高或毛胚變形、開裂等[5]，其表現(xiàn)形式為毛胚厚度均勻性差；究其原因為靜模結(jié)構(gòu)上缺乏足夠支撐；動模下壓行程沒有限制；模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)不便操作；脫模機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，磨損大。因此，針對上述模壓裝置存在的結(jié)構(gòu)上的問題，本文做了相應的優(yōu)化，如下圖2、圖3、圖4、圖5所示。

1）在靜模底部，新增若干根直徑為Φ10 mm的支撐柱（如圖2所示），均布在靜模底部中心位置，以加強對靜模底部中心位置的支撐，緩解靜模變形；同時在動模下面中間位置，墊一張尺寸為L×W×H =50 mm×50 mm×0.05 mm的銅箔或者硅鋼片，增加金屬粉末壓制過程中中間位置的軸向位移，以抵消泄壓脫模后產(chǎn)生的彈性后效。

圖2 靜模結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

2）在陰模前后兩側(cè)，各增加一個機械限位板（如圖3所示），以限制模壓過程中動模下壓行程；同時在兩個限位板底部墊若干標準厚度硅鋼片或其他金屬薄片，以適應生產(chǎn)過程中對毛胚厚度的控制。

圖3 模壓限位結(jié)構(gòu)示意圖

3）在模壓裝置左右兩側(cè)，將模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)機構(gòu)由普通螺栓調(diào)節(jié)優(yōu)化為采用M16×1螺栓+控制板的調(diào)節(jié)機構(gòu)（如圖4所示），使原有調(diào)節(jié)螺栓數(shù)量由12顆減少至4顆，降低模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)的操作難度；同時，將模壓裝置腔體深度調(diào)節(jié)機構(gòu)由暗裝改為明裝，方便操作。

圖4 深度調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

4）在模壓裝置左右兩側(cè)，各用1個油缸代替原有的機械脫模機構(gòu)進行脫模，此結(jié)構(gòu)使脫模過程中模壓裝置受力更均衡，減少模壓裝置受力變形。另外，脫模速度可調(diào)，降低了脫膜機構(gòu)磨損大的風險，解決了泄壓脫模過程中出現(xiàn)的毛胚開裂現(xiàn)象。

2 模壓裝置測試及分析

按優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)加工一套新的模壓裝置，采用3種重量的金屬粉末，在現(xiàn)有成熟的工藝條件下，進行多孔毛胚的冷等靜壓成型，測試3種重量的金屬粉末對應毛胚的厚度并記錄數(shù)據(jù)，最后，在采用舊模壓裝置生產(chǎn)的毛胚中，隨機抽取相同規(guī)格的毛胚厚度數(shù)據(jù)進行相應對比分析（如表2所示），以驗證新模壓裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

3種重量的金屬粉末成型后的毛胚對應編號為1#、2#、3#，每個重量規(guī)格的毛胚各生產(chǎn)1片，按照現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，測量每一片毛胚的厚度并記錄?，F(xiàn)有毛胚厚度測量點分布示意圖如圖6所示，測試所需設備、工裝及儀器儀表清單如表1所示；各種規(guī)格毛胚測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 毛胚厚度測量點分布示意圖

從表2中可以看出，用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新模壓裝置壓制的毛胚，其厚度變化范圍為0.05 mm～0.09 mm，遠遠低于0.08 mm～1.5 mm（用舊模壓裝置壓制的毛胚的厚度范圍），毛胚厚度均勻性得到大大改善。

表1 設備、工裝及儀器儀表清單

表2 3種粉末規(guī)格對應毛胚各測量點的厚度

究其原因，模壓成型過程中，金屬粉末在油壓機的作用下，在某種程度上表現(xiàn)出類似流體的行為，使其向陰模模壁施加作用力，其反作用力會向模腔中間位置傳導；由于金屬粉末呈現(xiàn)不規(guī)則的顆粒形狀，使得模腔中間金屬粉末給動模、靜模分別施加一個向上、向下的分力，從而促使動模、靜模出現(xiàn)彈性變形，其在外觀上呈現(xiàn)向上、向下的凸起，所以需要對模腔中間位置加強支撐；增加限位板可以在模壓過程中使動模和限位板呈現(xiàn)類似兩端支撐的簡支梁結(jié)構(gòu)，降低動模向上凸起的變形量。

普通螺栓螺距大，螺牙與螺紋間隙較大，較難將模腔深度調(diào)控至理想范圍，兼之深度調(diào)節(jié)螺栓數(shù)量多，更是加大了調(diào)節(jié)難度。采用特制螺栓+控制板的模腔深度調(diào)節(jié)機構(gòu)使得模腔深度調(diào)節(jié)更精確，有效降低了調(diào)節(jié)難度；同時減緩了深度調(diào)節(jié)不理想導致的模壓裝置的磨損情況，增加了模壓裝置使用壽命。

原有脫模結(jié)構(gòu)為機械結(jié)構(gòu)，其脫模原理為采用楔形的機械結(jié)構(gòu)，將水平方向的作用力轉(zhuǎn)換成垂直向下的脫模作用力，結(jié)構(gòu)復雜，零部件之間撞擊極易造成部件的松動，加劇部件磨損，增加了模壓裝置維修頻次，影響生產(chǎn)進度。采用油缸脫模，脫模作用力不需轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)簡單，增加了模壓裝置壽命。

3 結(jié)論

1）模壓裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可行；

2）采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模壓裝置壓制的毛胚厚度變化范圍為0.05 mm～0.09 mm，滿足生產(chǎn)工藝要求。

[1] 馬?？? 等靜壓技術(shù)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 北京: 1992．

[2] 姚德超. 粉末冶金模具設計[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982: 187-222．

[3] 張曉, 趙虎, 馮鵬發(fā), 等. 新型鉬粉末壓制模具設計[J]. 中國鉬業(yè), 2016, 40(5): 50-52．

[4] 陳晨. 粉末冶金模具設計中的影響因素[J]. 模具制造, 2006, (12): 73-76．

[5] 姚德超. 粉末冶金模具設計[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982: 187-222．

Research on structure of Mould for large thin blanks

Tian Shan, Huang Wei, Xia Nengchao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, Hubei, China）

TM612

A

1003-4862（2022）10-0122-03

2022-2-14

田閃（1986-），男，高工。研究方向：水中動力電池研制。E-mail: 286586166@qq.com