6、模具主要零件设计及尺寸计算,知之者不如好之者，好之者不如乐知者 ——孔子《论语》,6.1模具主要零件设计,,,模具主要零件包括：阴模、芯棒、模冲,6.1.1对模具主要零件的一般要求：,（一）成形模具1.阴模要求1）高度； 2）保证压坯的几何形状和尺寸精度3）粗糙度要低； 4）硬度高、耐磨性好5）足够的强度和刚性；6）合适的阴模材料7）便于制造，使用安全，便于操作8）容易脱模；,单层整体阴模,双层组合阴模,,,,2.芯棒要求1）保证压坯的几何形状和尺寸精度；2）粗糙度要低；3）与模冲配合良好；4）高的硬度；5）压坯容易脱出芯棒，方便操作，利于加工；6）较长较大芯棒采用组合结构3.模冲1）高硬度和耐磨性，适当的韧性；2）模冲与阴模、芯棒配合良好，有合理的配合间隙；3）表面有较低的粗糙度；4）保证平行度、垂直度、同轴度；,（二）精整模具,1.阴模要求1）根据产品要求选择精整方式；2）全精整阴模精整段应能容纳压坯，并有上下模冲的定位与导向长度；3）阴模口要有圆弧或锥度；4）表面有较低的粗糙度；5）高硬度和耐磨性2.芯棒要求1）全精整和内外径同时精整：芯棒精整段长度大于零件高度；单整内孔：芯棒精整段长度可小于零件高度；2）表面有较低的粗糙度；3）端部要有圆弧或锥度；4）高硬度和耐磨性。
3.模冲参考成形模冲要求6.1.2镶拼式成形阴模,,,,,,,,（一）拼模结构特点1)内曲面型面→外曲面型面，解决了内曲面加工的困难2)阴模高度可较大，型腔尺寸精度和几何精度较高3)拼块容易热处理4)便于修复磨损了的阴模拼块5)阴模拼块加工工艺较复杂,,,,,,,6.2模具主要零件尺寸计算,模具主要零件包括阴模、芯棒、模冲由产品尺寸精度、形状、技术性能→生产工艺→模具尺寸计算方法 →选择工艺参数影响工艺参数因素：原材料、成分、密度、工艺和设备等,,6.2.1不精整制品成形模径向尺寸计算,6.2.2不同精整方式制品成形模径向尺寸计算,Dmin—产品外径最小尺寸dmax—产品内径最大尺寸Acp—中心距平均尺寸c—烧结收缩率（%）e—压坯压制回弹率（%）δ外—外径精整回弹量δ内—内径精整回弹量△外--外径精整余量△内—内径精整余量i—全精整回弹率q—全精整余量率（%）,,6.2.3轴向尺寸计算,轴向尺寸计算的主要部分是装粉高度，其它高度方向的尺寸，往往由结构上的需要 （如定位、脱模、装粉、连接和强度等）来选定，从而确定阴模、芯棒和上下模冲的轴向尺寸一)装粉高度的计算,装粉高度由装粉体积可算出，装粉体积取决于压缩比和压坯体积;压缩比是指压坯密度与粉末松装密度之比。
装粉高度的计算公式见下表 一)装粉高度尺寸计算公式,H0—装粉高度 H—压坯高度ρ0—粉末松装密度 ρ--压坯密度V0 --粉末体积 V —压坯体积C—压缩比,,Hf—阴模高度 H1—压坯台阶高度 H2—压坯总高度 H10—压坯台阶1的装粉高度 H20—压坯台阶2的装粉高度,（二）模具高度的计算,（1）阴模 阴模高度 Hf一般由三部分高度组成, 即 Hf=H0+H1+H2式中Hf——阴模高度（mm）；H0——装粉高度（mm） ； H1——下模冲定位高度一般为10~50mm ；H2——手动模装粉锥高度（mm)不需要时H2=0,,（1）阴模高度计算示图,（2）芯棒长度计算,在计算芯棒长度时，要考虑以下几点：1）芯棒上端面应与阴模上端面平，或略低一点，便于自动送粉2）芯棒成形面的长度应与阴模高度相等3）采用手动模时，芯棒长度可与阴模高度相等 4）采用机动模时，芯棒除了成形面长度外， 还应加上根据压制方式、脱模方式和连接方式等 具体结构条件来选定的其它长度。
3）模冲的高度计算,下模冲定位高度 H1选择的原则是: 1）手动模比机动模的下模冲定位高度 H1要大 2）对于机动模，当压机或模架导向差时， H1选较大的值 3）压坯高度大时 H1选较大值4）在计算模冲高度时，要考虑以下几点： ①足够的压缩行程 ②足够的脱模行程③适宜的定位高度 ④连接所需要的高度下模冲轴向尺寸计算公式,6.3模具设计的工艺参数,在尺寸计算过程中，所涉及到的工艺参数有:1)金属粉末的松装密度ρ0 ,2)压坯的回弹率e, 3)烧结收缩率c, 4)整形余量Δ ,5)整形回弹量 δ ,6)复压装模间隙b,7)复压压下率 q等.,,除上述参数外,还有一些参数是事先给定的,或可计算出来的,如压坯密度ρ,压缩比c, 单位压力 p等一）金属粉末的松装密度,金属粉末的松装密度直接影响模腔的高度此参数选择不当，自动装粉时则会造成粉料装不下，或粉料装得太多的现象实际生产中，松装密度在一定范围内有波动，为此，在结构设计中一般考虑了调节装粉高度的装置，但调节范围不宜过大1.松装密度的影响因素,1）粉料的成分、2）颗粒形状、3）粒度组成4）流动性等2.调节松装密度措施有：,1）将成分相同而松装密度不同的各批粉末按比例混合，以获得所需要的松装密度。
例如，可合批或将还原铁粉与雾化铁粉混合等2）改变粉末的粒度组成一般粗中细粉末按适当比例相配，可增大松装密度3）改变混料工艺如延长混料时间，可提高松装密度4）增加润滑剂如硬脂酸锌或少量的机油，可降低松装密度3.铁、铜基粉末的松装密度,（二）压坯的回弹率（弹性后效）及影响因素,1.压坯的回弹率（弹性后效）的计算公式,,,,,2.回弹率的影响因素,1）粉末的塑性，不仅与其成分有关，而且相同成分但加工工艺不同时，其塑性差异亦较大塑性好，则回弹率小2）压坯密度高，则压制压力大，侧压力亦大，模具型腔变形 （外胀）随之增大，回弹率也就增大 3）阴模的刚性对回弹率影响较大刚性差则变形大，回弹率也大4）当压坯高度大于一定值(如10~15mm) 后,高度对回弹率影响不大但当高度小于一定值 （如10~15mm) 时，则高度对回弹率影响逐渐明显当压坯高度小到 3~5mm以下时，回弹率大大降低三）烧结收缩率及影响因素,1.烧结收缩率的计算公式,,,,,2.烧结收缩率的影响因素,1）化学成分对收缩率有一定的影响不仅不同的金属粉末收缩率差异较大，而且少量的合金元素添加剂，对收缩率也有一定的影响 2）提高压坯密度，可使收缩率减小。
3）烧结工艺对收缩率影响最为明显提高烧结温度，收缩率增大这一因素最敏感，尤其对于收缩率大的材料延长保温时间，使收缩率增大四）精整余量和回弹量及其影响因素,1.精整余量和回弹量精整方式不同，则精整余量的分配和回弹量的大小也不相同2.精整余量的选择依据,1)精整的目的，主要是为了提高烧结件的尺寸精度和表面粗糙度，其次是适当增加烧结件的密度和表面硬度 2)过小的精整余量，一则工艺上较难控制，另则不能很好地达到精整的目的3)过大的精整余量造成模具磨损加剧；烧结件表面过硬，于跑合性不利；对减摩类烧结件表面孔隙封闭，使润滑不利，甚至产生表面裂纹3. 回弹量的影响因素,1）精整余量大，回弹量增大 2）烧结件的硬度高，塑性差，则回弹量大 3）烧结件密度高，则回弹量大 4）精整模刚性差，则回弹量大 5）全精整时，适当的压下率，则因塑性变形大而回弹量减小，过大的压下率，则使回弹量增大 6）单精整某个面（如内径或外径），因塑性变形小，弹性变形大，因而回弹量增大五）机加工余量,,,,,,6.4阴模与模套的强度和刚度计算,在压制过程中阴模与模套在侧压力作用下，会产生应力和应变，若其强度不足，工作中的阴模与模套会破裂；若刚性不足，卸载时会使压坯产生层裂。
一）强度和刚度计算程序,1.侧向压力,,阴模在侧压强的作用下，产生应力和应变在设计模具时，应当根据所受的侧压强，来验算阴模的强度和刚性在保证模具安全和压坯完好的情况下，尽量减小阴模外径尺寸 根据阴模受到的最大应力不得大于模具材料的许用应力，来建立强度条件根据压坯受到阴模弹性变形恢复时，收缩引起的剩余侧压强，不得大于压坯允许的侧向抗压应力，建立刚性条件2.强度和刚度计算的两种类型和物理参量,1）.两种类型（1）.单层圆筒阴模（2）.组合圆筒阴模,（1）.单层圆筒阴模,m=R/r,（2）.组合圆筒阴模,r中=(rR)1/2,2）.物理参量,材料泊松比ν材料弹性模量E材料许用应力σ材料侧向许用抗压强度[σ压]侧向,不同阴模材料许用应力值σ （MPa),压坯的侧向抗压强度[σ压]侧向取决于粉料的成形性能及压坯密度如塑性好的粉料[σ压]侧向则大；粉料中多加石墨、硬脂酸锌等降低压坯强度的添加剂，则[σ压]侧向降低；压坯密度提高时，[σ压]侧向则增大，但与此同时 p侧也剧增具体粉料压坯的[σ压]侧向应由实验测定铁基压坯侧向许用抗压强度[σ压]侧向,,从表可看出：1）相同成分的压坯，压坯密度越高，虽然[σ压]侧向提高，但 p侧增加得更快，对强度条件不利；2）石墨含量增加，使[σ压]侧向下降，对刚性条件不利。
3）表中所列的前五种情况，由于[σ压]侧向/ p侧均大于 0.7，故无需验算刚性条件；唯最后一种情况，需要刚性与强度同时验算3.计算流程,对于密度为6.6g/cm3的铁基压坯，若已知压坯所承受的侧向压力p侧和侧向许用应力[σ压]侧向，应按下列条件确定计算流程，以保证压坯不会开裂并具有足够的模具刚度1)不验算模具钢度，按强度条件确定壁厚2)模壁需增厚，以满足刚度条件,,3)同时进行强度和刚度计算,（二）强度计算 （1）.单层圆筒阴模强度计算,由上式推出：,,,,,（二）组合圆筒阴模强度计算,（1）计算步骤：1、根据压坯形状，计算m单值2、根据m单值，按下表确定K1,K1与m的关系,,3、重算m组值4、求出预紧力p预,,5、计算阴模与模套间过盈量6、计算热套温度△t=(△+0.1)/arb△t——热装时所需加热温度△——半径过盈量a——线膨胀系数0.1——热装时所需的间隙,三、刚度计算,压坯成形时，阴模内侧在 p侧 作用下，在外侧半径 R处产生变形量 ⊿R即,,当卸载后， p侧 消失，阴模产生弹性回复，向中心收缩随着收缩的进行，压坯产生向心的压缩变形，同时产生抗压应力，在某一个新的位置上，达到力的平衡。
这时阴模外侧并未能恢复到原来的尺寸，而有一个剩余变形 ⊿R剩,,刚性条件是： p侧余不得大于压坯侧向允许承受的抗压强度，否则压坯未脱模时已裂了即,m与j的关系(铁基压坯密度6.6g/cm3),四、模具壁厚推荐数据,根据理论计算，并通过多年来生产实践验证，对铁基粉末冶金压坯成形模具的阴模壁厚推荐数据可参见下表,（1）套类和多尖角压坯组合模具壁厚推荐值,（2）阴模为拼块式或硬质合金制造的组合模具壁厚推荐值,6.5模具设计实例,一、气门导管零件模具设计示例下图是柴油机气门导管，年产100万件，粉末冶金工艺生产一）产品分析要求径向压溃强度大于250Mpa，材料：选用铁-碳-铜系材料工艺：压制-烧结-外箍内精整,气门导管零件图及模具设计工艺参数,,气门导管零件图,气门导管模具设计工艺参数,（二）设计计算 （1）气门导管压制成形压机确定,（1）气门导管压制成形压机确定（续）,（2）气门导管模具径向尺寸计算,（3）气门导管模具轴向尺寸计算,二、活塞零件模具设计示例,下图是汽车减震器活塞，年产60万件（一）产品分析要求抗拉强度200MPa，有一定的气密性材料：铁-碳系工艺：压制-烧结-全精整-水蒸气处理,。