CN116900311A - 一种基于阴模浮动的粉体成型装置及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阴模浮动的粉体成型装置及成型方法，其特征在于包括上模板、阴模、下模板、上模冲、上模冲压板、导柱、导套、弹簧、下模冲、下模冲压板、压制限高环、脱模限高环；通过对压制压强、弹簧自由高度、弹性常数及其与压制限高环的关系的精确控制，使上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动和双向压制。本发明克服了现有技术存在的问题，只需要一个压缸完成压制和脱模，装置简单且对压机设备和功能要求低，取件方便样品不易破损，本发明可用于成型高径比大的压坯，并实现均匀的密度分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉体成型装置及成型方法，特别涉及一种基于阴模浮动的粉体成型装置及成型方法，粉末冶金与材料成型技术领域。
背景技术
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的技术。粉体成型过程中，模具是粉体成型最重要的装置和工具。在使用模具进行粉体成型的过程中，传统的单向压制在成型高径比较大的零件时，难以获得均匀的密度分布，双向压制可以改善压坯中的密度分布。双向压制方式的粉体成型模具的开发受到学术界和工业界的广泛关注。
CN103273678A公开了一种能自动脱模的双向压制粉末成形装置。上模架与下模架用导柱相连，下模架固定在底板上；上模冲与上模连接杆连接，上模连接杆与第一液压缸相连；下模冲固定在下模架上；阴模通过两侧的四个孔安装在各自导柱上，阴模的下面与下模架上面的各自导柱均套有弹簧，阴模能在弹簧上浮动，阴模内装有加热棒和热电偶；四根顶杆的一端固定在顶杆固定板上，四根顶杆的另一端穿过上模架位于阴模上方，顶杆固定板与第二液压缸相连。本发明使用弹簧浮动阴模和顶杆结构，实现精确地双向压制和自动脱模，改善了制件的密度分布，提高了生产速度；采用多冲头和多模腔结构，一次压制可生产多个制件，可以实现批量化生产，提高了设备利用率与生产效率。但是，本发明中的粉体成型装置在成型时对压机的要求高，需要两个压缸；而且，脱模时压坯处于模架中部，取件十分不便，容易导致压坯破损。CN201120235062.2公开了一种浮动凹模双向压制粉末冶金材料装置，包括上凸模、浮动凹模、导杆、材料粉末、弹簧、下凸模、底座；导杆固定在底座上，浮动凹模在导杆上可以自由上下移动，弹簧支撑浮动凹模，下凸模放在底座内。由于浮动凹模浮动，使得上凸模和下凸模从上下两个方向压缩粉末，弹簧在压制粉末过程中可以上下伸缩，从而提高了压坯的密度。但是，该装置难以实现双向压制的精确控制，而且无法自动脱模。
鉴于现有技术存在的对设备依赖大，取件不便易破损，无法自动脱模等问题，亟待开发出新型的双向压制粉体成型装置。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于阴模浮动的粉体成型装置，通过阴模浮动的方式实现双向压制和自动脱模。
本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置，其特征在于包括上模板、阴模、下模板、上模冲、上模冲压板、导柱、导套、弹簧、下模冲、下模冲压板、压制限高环、脱模限高环。
本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置，其阴模、上模冲、弹簧、下模冲、压制限高环和脱模限高环的高度满足以下关系以实现基于阴模浮动的双向压制和自动脱模；阴模高度=最大装粉高度+下模冲导向段长度+30，上冲头的高度=阴模高度+15，弹簧自由高度=[（最大装粉高度+30）+（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数]÷（弹簧极限压缩率÷1.1），下模冲头高度=弹簧自由高度-（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数+下模冲导向段长度+下模板高度÷2，压制限高环由两块外径相同、内径相同、高度不同的A环和B环组成，压制限高环总高度=弹簧自由高度-（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数-（粉末松装高度-压坯高度）÷2，其中A环的高度=阴模高度-下模冲导向段长度+5，脱模限高环的高度=阴模高度-下模冲导向段长度+10。
本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置中，导柱有4根，弹簧套在导柱上；阴模采用压板和内六角螺钉固定在上模板，其下平面与上模板下平面平齐；下模冲采用压板和内六角螺钉固定在下模板，下模冲埋进深度为下模板高度的一半；压制限高环的内径比下模冲的径向尺寸大5%以上，其外径=阴模外径，压制限高环A和B均从轴向剖开为两半以便于压制时放置和取出；脱模限高环是一个整体圆环，其外径=阴模外径，内径比阴模模腔径向尺寸大5%以上，以避免因压坯弹性后效而损坏样品。
本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置的成型方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）装粉：将称量准确的粉末装入到阴模模腔中；（2）放置压制限高环：将压制限高环置于下模板上并套住下冲头；（3）上模冲下压：将上冲头装入阴模模腔，上模冲在压机施加的压力作用下向下运动，并对阴模模腔中的粉末进行压制；（4）阴模浮动：随着上模冲施加的压制压力不断增大, 粉末对阴模型腔壁间的摩擦力也不断增大, 当此摩擦力大于阴模型腔的弹簧支撑力时, 阴模型腔与上模冲一起向下运动，直到上模板下表面与压制限高环接触，控制压制压强为2*（1-阴模泊松比）*弹簧弹性常数*（粉末松装高度-压坯高度）÷压坯侧面积÷摩擦系数÷阴模泊松比，使上模板向下运动的距离=（粉末松装高度-压坯高度）÷2，上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动，压坯在双向压制下成型，压坯密度分布均匀；（5）保压：阴模浮动结束后，在压坯成型位置，在300~500MPa压强下并保持2~4s，使压坯密度分布均匀, 使压坯中的空气有足够时间逸出;（6）复位及脱模准备：保压结束后, 去除压制压力，阴模恢复到粉末充填位置并由弹簧支撑，然后取掉上模冲；（7）脱模：将脱模限高环置于阴模的上表面，并套住模腔区域，取掉压制限高环中的A环，B环仍放置在原位，由压机施压于脱模限高环，阴模向下运动直到上模板下表面与压制限高环B环接触，压坯从阴模型腔脱出；（8）复位与取件：脱模后去除压力，阴模由弹簧支撑并恢复到粉末充填位置, 从模腔口取走脱出的压坯，成型高径比小于等于6的压坯时其上表面与下表面的致密度差异小于5%。
本发明的优点在于：（1）本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置，利用分体式压制限高环和整体式脱模限高环，只需要一个压缸完成压制和脱模，而不需要多个压缸及较为复杂的顶杆结构，装置简单，对压机设备和功能要求低。（2）脱模时，压坯处于模架上部，操作空间为敞开式，取件方便，样品不易破损。（3）本发明通过对弹簧自由高度、弹性常数及其与压制限高环的关系的精确控制，使上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动和双向压制，在成型高径比大的压坯时可实现均匀的密度分布。
附图说明
图1 本发明基于阴模浮动的粉体成型装置的压制前的结构位置示意图。
图2 本发明基于阴模浮动的粉体成型装置的阴模浮动时的结构位置示意图。
图3 本发明的基于阴模浮动的粉体成型装置的脱模时的结构位置示意图。
图4 压制限高环示意图（左边为剖视图，右边为俯视图）。
图5 脱模限高环示意图（左边为剖视图，右边为俯视图）。
图6 阴模剖视图。
图7 上模冲剖视图。
图8 下模冲剖视图。
图9 上下模冲压板剖视图。
图10 上模板剖视图。
图11 下模板剖视图。
上图中1-上模冲；2-阴模；3-上模冲压板；4-上模板；5-导套；6-压制限高环A；7-压制限高环B；8-弹簧；9-下模冲；10-下模冲压板；11-下模板；12-螺钉；13-导柱；14-压坯；15-压制限高环。
具体实施方式
实例1：一种基于阴模浮动的粉体成型装置，包括上模板、阴模、下模板、上模冲、上模冲压板、导柱、导套、弹簧、下模冲、下模冲压板、压制限高环、脱模限高环。基于阴模浮动的粉体成型装置中阴模、上模冲、弹簧、下模冲、压制限高环和脱模限高环的高度满足以下关系以实现基于阴模浮动的双向压制和自动脱模；阴模的最大装粉高度为50mm，下模冲导向段长度为25mm，阴模重量为3kg，上模板重量为2kg，上模冲重量0.4kg，上模冲压板重量为0.2kg，弹簧弹性常数为580N/m，弹簧极限压缩率为40%，下模板高度为20mm，粉末松装高度为40mm，压坯高度为20mm，压坯直径为10mm，阴模外径为30mm；阴模高度=105mm，阴模泊松比为0.3，粉末与模壁的摩擦系数为0.35，上冲头的高度=120mm，弹簧自由高度=246.6mm，下模冲高度=185mm，压制限高环由两块外径相同、内径相同、高度不同的A环和B环组成，压制限高环总高度=226.9mm，其中A环的高度=85mm，脱模限高环的高度=90mm。基于阴模浮动的粉体成型装置的导柱有4根，弹簧套在导柱上；阴模采用压板和内六角螺钉固定在上模板，其下平面与上模板下平面平齐；下模冲采用压板和内六角螺钉固定在下模板，下模冲埋进深度为10mm；压制限高环内径15mm，压制限高环A和B均从轴向剖开为两半以便于压制时放置和取出；下模冲的径向尺寸最大处为10mm，其外径为30mm；脱模限高环是一个整体圆环，其外径为30mm，内径为15mm。
基于阴模浮动的粉体成型装置的成型方法依次包含以下步骤：（1）装粉：将称量准确的粉末装入到阴模模腔中；（2）放置压制限高环：将压制限高环置于下模板上并套住下冲头；（3）上模冲下压：将上冲头装入阴模模腔，上模冲在压机施加的压力作用下向下运动，并对阴模模腔中的粉末进行压制；（4）阴模浮动：随着上模冲施加的压制压力不断增大, 粉末对阴模型腔壁间的摩擦力也不断增大, 当此摩擦力大于阴模型腔的弹簧支撑力时, 阴模型腔与上模冲一起向下运动，直到上模板下表面与压制限高环接触，控制压制压强为246.3kPa，使上模板向下运动的距离=10mm，上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动，压坯在双向压制下成型，压坯密度分布均匀；（5）保压：阴模浮动结束后，在压坯成型位置，在350MPa压强下并保持2s，使压坯密度分布均匀, 使压坯中的空气有足够时间逸出。（6）复位及脱模准备：保压结束后, 去除压制压力，阴模恢复到粉末充填位置并由弹簧支撑，然后取掉上模冲；（7）脱模：将脱模限高环置于阴模的上表面，并套住模腔区域，取掉压制限高环中的A环，B环仍放置在原位，由压机施压于脱模限高环，阴模向下运动直到上模板下表面与压制限高环B环接触，压坯从阴模型腔脱出；（8）复位与取件：脱模后去除压力，阴模由弹簧支撑并恢复到粉末充填位置, 从模腔口取走脱出的压坯，成型高径比为2的压坯时其上表面与下表面的致密度差异为2.5%。
实例2：一种基于阴模浮动的粉体成型装置，包括上模板、阴模、下模板、上模冲、上模冲压板、导柱、导套、弹簧、下模冲、下模冲压板、压制限高环、脱模限高环。基于阴模浮动的粉体成型装置中阴模、上模冲、弹簧、下模冲、压制限高环和脱模限高环的高度满足以下关系以实现基于阴模浮动的双向压制和自动脱模；阴模的最大装粉高度为70mm，下模冲导向段长度为20mm，阴模重量为4kg，上模板重量为2.5kg，上模冲重量0.6kg，上模冲压板重量为0.3kg，弹簧弹性常数为714N/m，弹簧极限压缩率为32%，下模板高度为22mm,粉末松装高度为65mm，压坯高度为35mm，压坯直径为15mm，阴模外径为38mm；阴模高度为120mm，阴模泊松比为0.3，粉末与模壁的摩擦系数为0.29，上冲头的高度为135mm，弹簧自由高度=379mm，下模冲高度为306mm，压制限高环由两块外径相同、内径相同、高度不同的A环和B环组成，压制限高环总高度为353.6mm，其中A环的高度为105mm，脱模限高环的高度为110mm。基于阴模浮动的粉体成型装置的导柱有4根，弹簧套在导柱上；阴模采用压板和内六角螺钉固定在上模板，其下平面与上模板下平面平齐；下模冲采用压板和内六角螺钉固定在下模板，下模冲埋进深度为11mm；压制限高环内径18mm，压制限高环A和B均从轴向剖开为两半以便于压制时放置和取出；下模冲的径向尺寸最大处为13mm，其外径为38mm；脱模限高环是一个整体圆环，其外径为38mm，内径为18mm。
基于阴模浮动的粉体成型装置的成型方法依次包含以下步骤：（1）装粉：将称量准确的粉末装入到阴模模腔中；（2）放置压制限高环：将压制限高环置于下模板上并套住下冲头；（3）上模冲下压：将上冲头装入阴模模腔，上模冲在压机施加的压力作用下向下运动，并对阴模模腔中的粉末进行压制；（4）阴模浮动：随着上模冲施加的压制压力不断增大, 粉末对阴模型腔壁间的摩擦力也不断增大, 当此摩擦力大于阴模型腔的弹簧支撑力时, 阴模型腔与上模冲一起向下运动，直到上模板下表面与压制限高环接触，控制压制压强为173.2kPa，使上模板向下运动的距离为15mm，上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动，压坯在双向压制下成型，压坯密度分布均匀；（5）保压：阴模浮动结束后，在压坯成型位置，在400MPa压强下并保持3s，使压坯密度分布均匀, 使压坯中的空气有足够时间逸出。（6）复位及脱模准备：保压结束后, 去除压制压力，阴模恢复到粉末充填位置并由弹簧支撑，然后取掉上模冲；（7）脱模：将脱模限高环置于阴模的上表面，并套住模腔区域，取掉压制限高环中的A环，B环仍放置在原位，由压机施压于脱模限高环，阴模向下运动直到上模板下表面与压制限高环B环接触，压坯从阴模型腔脱出；（8）复位与取件：脱模后去除压力，阴模由弹簧支撑并恢复到粉末充填位置, 从模腔口取走脱出的压坯，成型高径比为2.3的压坯时其上表面与下表面的致密度差异小于3.3%。
Claims (3)
1.一种基于阴模浮动的粉体成型装置，其特征在于包括上模板、阴模、下模板、上模冲、上模冲压板、导柱、导套、弹簧、下模冲、下模冲压板、压制限高环、脱模限高环；基于阴模浮动的粉体成型装置，其阴模、上模冲、弹簧、下模冲、压制限高环和脱模限高环的高度满足以下关系以实现基于阴模浮动的双向压制和自动脱模；阴模高度=最大装粉高度+下模冲导向段长度+30，上冲头的高度=阴模高度+15，弹簧自由高度=[（最大装粉高度+30）+（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数]÷（弹簧极限压缩率÷1.1），下模冲头高度=弹簧自由高度-（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数+下模冲导向段长度+下模板高度÷2，压制限高环由两块外径相同、内径相同、高度不同的A环和B环组成，压制限高环总高度=弹簧自由高度-（阴模重量+上模板重量+上模冲重量+上模冲压板重量）×10÷弹簧弹性常数-（粉末松装高度-压坯高度）÷2，其中A环的高度=阴模高度-下模冲导向段长度+5，脱模限高环的高度=阴模高度-下模冲导向段长度+10。
2.根据权利要求1所述的基于阴模浮动的粉体成型装置中，其进一步的特征在于导柱有4根，弹簧套在导柱上；阴模采用压板和内六角螺钉固定在上模板，其下平面与上模板下平面平齐；下模冲采用压板和内六角螺钉固定在下模板，下模冲埋进深度为下模板高度的一半；压制限高环的内径比下模冲的径向尺寸大5%以上，其外径=阴模外径，压制限高环A和B均从轴向剖开为两半以便于压制时放置和取出；脱模限高环是一个整体圆环，其外径=阴模外径，内径比阴模模腔径向尺寸大5%以上，以避免因压坯弹性后效而损坏样品。
3.一种基于阴模浮动的粉体成型装置的成型方法，其特征在于依次包含以下步骤：（1）装粉：将称量准确的粉末装入到阴模模腔中；（2）放置压制限高环：将压制限高环置于下模板上并套住下冲头；（3）上模冲下压：将上冲头装入阴模模腔，上模冲在压机施加的压力作用下向下运动，并对阴模模腔中的粉末进行压制；（4）阴模浮动：随着上模冲施加的压制压力不断增大, 粉末对阴模型腔壁间的摩擦力也不断增大, 当此摩擦力大于阴模型腔的弹簧支撑力时, 阴模型腔与上模冲一起向下运动，直到上模板下表面与压制限高环接触，控制压制压强为2*（1-阴模泊松比）*弹簧弹性常数*（粉末松装高度-压坯高度）÷压坯侧面积÷摩擦系数÷阴模泊松比，使上模板向下运动的距离=（粉末松装高度-压坯高度）÷2，上下模冲相对于阴模移动的距离相等，从而实现了阴模浮动，压坯在双向压制下成型，压坯密度分布均匀；（5）保压：阴模浮动结束后，在压坯成型位置，在300~500MPa压强下并保持2~4s，使压坯密度分布均匀, 使压坯中的空气有足够时间逸出;（6）复位及脱模准备：保压结束后, 去除压制压力，阴模恢复到粉末充填位置并由弹簧支撑，然后取掉上模冲；（7）脱模：将脱模限高环置于阴模的上表面，并套住模腔区域，取掉压制限高环中的A环，B环仍放置在原位，由压机施压于脱模限高环，阴模向下运动直到上模板下表面与压制限高环B环接触，压坯从阴模型腔脱出；（8）复位与取件：脱模后去除压力，阴模由弹簧支撑并恢复到粉末充填位置,从模腔口取走脱出的压坯，成型高径比小于等于6的压坯时其上表面与下表面的致密度差异小于5%。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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