粉末冶金模具設計范文

導語：如何才能寫好一篇粉末冶金模具設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關鍵字】有限元；閥板；模具設計；粉末冶金

1 引 言

閥板是安裝在壓縮機氣缸上控制氣體進出的重要部件，它與氣閥片一起控制著壓縮機的吸氣、壓縮、排氣、和膨脹四個過程。閥板上氣閥片安裝部位的尺寸形位公差，影響著壓縮機工作過程的泄露量，對壓縮機節能及噪音都有著重大的影響。因此為提高閥板生產精度而進行研究，對壓縮機工作中節約能源、降低使用成本等都有重要的意義。粉末冶金成形技術是一種節材、省能、投資少、見效快，而且適合大批量生產的少無切削、高效金屬成形工藝。

長期以來，成形工藝的模具的設計以及工藝過程分析注意的依據是積累的實際經驗、行業標準和傳統理論。但由于實際經驗的非確定性，以及傳統理論對變形條件和變形過程進行了簡化，因此，對復雜的模具設計往往不容易獲得滿意的結果，使得調試模具的時間長，次數多。通常情況下，為了保證工藝和模具的可靠與安全，多采用保守的設計方案，造成工序的增多，模具結構尺寸的加大，甚至還達不到設計的精度要求。傳統的設計方式已遠遠無法滿足要求。隨著計算機技術的飛速發展和七十年代有限元理論的發展，許多成形過程中很難求解的為題可以用有限元方法求解。通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數值模擬技術可以很直觀地得到成形過程中模具受力、模具失效情況、模具變形趨勢。這些重要數據的獲得，對合理的模具結構設計有著重要的指導意義。

2 實例分析

以下結合實例，介紹Solidworks Simulation有限元分析在改善模具設計中的應用。如圖是一款壓縮機閥板的圖紙。閥板粉末冶金件通過成形模具在高壓下，對金屬粉末進行壓制，再經過燒結、整形、表面處理制成。排氣閥與閥片安裝面N面高度差0.05～0.10mm，閥面平行度0.02。為保證閥面線精度，成形時需控制高度差及平行度基準面N面的平行度，以確保精整時整個閥面有相同的精整余量。

成形閥面模具三維圖。

由于成形模具面型高度及形狀不同，導致成形各面密度不同，壓制壓力不同，導致成形時模具變形不一致，影響產品精度。通常情況下，需要等模具完成，成形出產品后才能對模具作進一步的改善，這樣導致產品試制周期長。為了提高模具設計的準確性，縮短產品試制周期，模具設計階段，我們可利用SolidworksSimulation進行有限元分析，優化模具設計。

3 有限元分析過程

（1）首先，對模具數學模型進行簡化，添加約束條件。模具面型復雜，且有限元分析中，小倒角圓角不利于分析，將小圓角、倒角簡化，較小的斜面簡化成直面，易于加載壓力條件。

（2）根據成形產品各面的密度分布，參考赫格納斯AHC100.29 +0.6%P11壓力與密度關系圖，確定成形壓力。

赫格納斯AHC100.29+0.6%P11數據

假設粉料松裝密度為3.0g/cm3，模具各區域面型受力如下。

區域 壓縮比 成形密度（g/cm3） 壓力壓強(MPa)

① 2.22 6.65 380

② 2.44 7.3 750

③ 1.76 5.26 220

④ 1.82 5.47 240

⑤ 2.116 6.35 320

（3）按區域添加受力條件后，模具模擬變形如下圖。

可看出，由于區域③密度高，壓制壓力大，模沖變形大，導致產品成形出來后N面平行度大，一邊高一邊低，兩邊高度差0.03～0.04mm，這樣會導致精整時各部位精整余量不一致，導致精整后該面平行度不好，難以控制閥口到N面的高度差0.05～0.10mm，必須將N面變形量差控制在0.02mm以內。

（4）改善的方法有兩種，一是將面型做成斜面，補償模具變形量：二是在模沖上增加彈性平衡孔，使得模具兩側變形量增大，從而減少N面變形差異。由于N面較平整，改斜電極是比較方便的做法，而且模具變形小的地方在兩側，若增加彈性平衡孔會導致模具易變形，所以采取將面型做成斜面的方法。成形產品N面平行度控制在0.02mm以內，精整后可保證閥口到N面高度差0.05～0.10mm。通過有限元分析，改進模具結構，控制模具壓制變形，從而改善產品N面平行度，使得高度差能夠滿足客戶要求。

4 結語

隨著競爭的日益加劇，低成本、高質量和高效率是制造業所追求的目標。在粉末冶金行業中，要提高競爭力，就必須提高設計效率、降低制造成本和提高產品質量，必須對生產過程中影響產品質量的各項工藝參數進行優化。由于粉末冶金壓制成形過程中，模具變形是一個十分復雜的問題，傳統的設計方法很難滿足精度要求。運用有限元分析，不僅可以模擬模具的受力狀態。更重要的是，在模具設計階段，就可以預估成形件壓制方向尺寸精度，優化模具結構，減少燒結風險，提高產品精度。隨著計算機及有限元理論的不斷發展和完善，基于有限元分析的優化設計方法在粉末冶金成形模具設計中的應用將越來越廣泛，這是一種必然趨勢。

參考文獻

[1]申小平.空氣壓縮機用粉末冶金閥板模具設計及應用[J].粉末冶金工業,1998(03).

[2]杜貴江,趙彥啟,李榮洪.壓縮機閥板精沖復合成形工藝的研究[J].壓力加工,2003(03).

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關鍵詞 壓制成形，流變學，CAE優化分析

1前 言

計算機輔助工程（CAE）是利用計算機輔助求解復雜工程、產品結構的力學性能分析計算以及結構性能優化設計的重要工具。對于陶瓷墻地磚模具領域，CAE技術的應用尚未見相關報導。結合目前陶瓷墻地磚模具技術比較落后的現狀，利用CAE技術對陶瓷墻地磚模具設計及其粉料壓制成形機理，以及墻地磚產品綜合力學性能等方面展開研究，可揭示模具設計過程中模具的受載特性、運動特性及其與粉料壓制成形的相互影響，從而獲得陶瓷墻地磚模具的優化設計方案。CAE技術為陶瓷墻地磚模具的設計提供了虛擬的設計平臺，設計人員可以提前對設計過程中模具存在的缺陷進行修改并提出優化方案，縮短了設計周期，減少了模具生產成本，并提高了陶瓷墻地磚模具及磚坯的質量。

2陶瓷墻地磚粉料壓制的成形機理

2.1 陶瓷墻地磚壓制成形的過程

墻地磚坯體致密度和強度的提高是由于陶瓷粉料在適宜的成形壓力作用下發生了以下變化：（1）固體顆粒的塑性變形和彈性變形；（2）固體顆粒互相移近和靠攏；（3）氣體和水份在顆粒間隙中的移動；（4）氣體受壓后，有一部分溶解在水份中，其余部分經壓模、底模與模框的縫隙逸出。由此可見，墻地磚坯體的壓制成形過程實質上是陶瓷粉料各組分互相移動、變形，迫使孔隙率減少和坯體結構致密化的過程。

2.2 陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理的基本假設

墻地磚因形狀簡單，通常采用單向壓制成形的工藝，如圖1所示。坯體的受力分析如圖2a所示，坯體在成形壓力Py，側壓力Pc，底模反力Pm及摩擦力Pf的作用下保持平衡。由于在墻地磚坯體的壓制過程中，陶瓷粉料中的顆粒在互相移動、靠攏以致壓實成形的過程中需要克服摩擦阻力等，由此可見側壓力Pc沿壓坯高度方向逐漸減弱至最底層；同時因坯體與模壁之間存在摩擦力的作用，致使底模反力Pm小于成形壓力Py。但因墻地磚的厚度尺寸通常較小，并忽略摩擦力Pf的作用，致使底模反力Pm小于成形壓力Py。

我們可近似地認為側壓力Pc沿壓坯高度方向均勻分布，且底模反力Pm與成形壓力Py近似相等，那么可得理想狀態下坯體的受力分析示意（如圖2b所示）。如果再進一步將分布力簡化為集中力，可得坯體的受力分析示意圖（如圖2c所示）。顯然它是建立在基本假設基礎上的：（1）假設坯體為一剛性整體；（2）假設坯體在壓制成形時，坯體與模腔內壁等產生的摩擦力忽略不計；（3）假設側壓力Pc沿壓坯高度方向均勻分布。

2.3 成形壓力對坯體壓制成形過程的影響

當作用于陶瓷粉料上的成形壓力大于固體顆粒的變形阻力、受壓氣體的變形阻力、固體顆粒之間的摩擦力及陶瓷粉料與模腔內表面的摩擦阻力時，固體顆粒就開始移動、變形，并互相靠近，結果迫使陶瓷粉料壓實成形。其具體過程就是靠近壓模上表面的陶瓷粉料層最先被壓實，當這個陶瓷粉料層的顆粒互相靠近時，顆粒間的摩擦阻力就急劇地增大。此時，要使坯體壓得更實就必須施加更大的成形壓力，此成形壓力同時還通過壓模上表面的粉料層依次傳遞到鄰近的粉料層上，直至最低層，由于成形壓力在粉料層之間不斷傳遞的過程中，有一部分消耗于克服顆粒變形、顆粒之間及顆粒與模腔內表面的摩擦損失上，所以離壓模上表面越遠，粉料層受到的成形壓力越小，結構越疏松、致密度越低。

當成形壓力與上述各種變形阻力及摩擦力相等時，陶瓷粉料的壓制成形過程就處于相對平衡狀態，坯體結構不再致密化，因此過大地增大成形壓力，并不能使坯體變得更緊密或使坯體的強度更高。各種陶瓷粉料依其物理化學性質的差異，各有其最適宜的成形壓力。這個成形壓力既能保證坯體所要求的致密度和強度，又不會使坯體產生壓制裂紋等缺陷。

3陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程的CAE優化分析研究

3.1 陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程數學模型的建立

陶瓷粉料壓制成形是靠強大的壓力使含有一定粘性顆粒的粉料在模具內產生流動、變形，最終壓成致密的坯體。所以，陶瓷粉料的性能與其壓制行為的關系（如粉料流動的快慢、變形的難易、作用力和變形力之間的關系等）成為壓制成形過程中的關鍵因素。因此，用流變學的理論來建立粉料的流變模型和壓制方程對于研究陶瓷粉料壓制行為規律有重要的指導意義。

如圖3所示，在剛模中粉料的表面施加壓力σΔ(t)，Δ(t)是單位階躍函數。

假設剛模壁與粉料間不發生剪切應力，則在忽略重力時粉料間不發生剪切應力，此時粉料中各點x方向的正應力σx均為σΔ(t)，為方便起見，以壓應力為正，且σy＝σx，由于剛模的限制，y和z方向應變εy=εx=0，只有x方向的應變εx，那要求解的未知數就是橫向力σy 和豎向應變εx 。

以Tσ、Tε分別代表應力、應變張量，用上標O，d分別代表球張量和偏張量，

應力張量為：Tσ=TσO+Tσd(1)

應變張量：Tε=Tε0+ Tεd(2)

對于滿足流變模型的各種粉料，應力球張量和應變球張量之間的關系可以認為是線彈性的，則有：

TσO=3EvTε0(3)

式中：

Ev――積彈性模量

應力偏張量與應變偏張量之間的關系，隨著粉料的性質以及模型而異。借助粉末冶金技術，非線性K體比較接近粉體變形的實際情況，并且容易進行數學處理。非線性K體是由Hooke體（簡稱H體）與Newton體（簡稱N體）并聯組成的。經過對H體與N體不同組合的數學模型的研究與對比，發現當非線性K體與非線性H體并聯，所建立的數學模型就比較符合粉料壓制機理。 依圖4所示模型，其數學模型為：

式中：

σ＝σ1+σy

σ1＝σ2＝σ3(4)

ε＝ε1＝εx

εx=ε2+ε3

又

式中：

――應力對時間t的導數

變換整理得：

式中：

M1，M2，M3，τ――與彈性有關的常數

m1 ，m3，K――指數常數

――應變對時間t的導數

圖4所示的模型具有普遍性，可以較全面研究非線性粉料在壓制成形過程中的流變行為，從而為陶瓷墻地磚模具設計及加工過程中工藝參數的選定提供了依據。

3.2 陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程CAE優化分析的探索研究

在對陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理全面分析的基礎上，綜合考慮墻地磚模具結構的具體設計要求以及原材料的性質、配方等因素，借助冶金技術中粉料在壓制成形中的流變模型建立起相應的數學模型，繼而采用華中科技大學國家模具重點實驗室開發的HSCAE（華塑CAE）軟件進行優化及動態模擬分析，從而改變了過去那種單靠人為經驗來制定粉料壓制成形的加工工藝，以及設計相應模具尺寸需要多次試模、反復修改，才能最后設計定型和制造模具的方法。

利用CAE技術對陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程進行仿真模擬，并在此基礎上，提高模具的設計的效率，優化模具設計以及制造工藝。在后期的研究工作中，其工作重點將放在對粉料壓制成形過程的仿真模擬，并結合陶瓷墻地磚實際生產情況及存在的問題，對現有的墻地磚模具進行CAE優化分析，并提出模具的優化設計方案，從而有效地提高墻地磚在壓制成形過程中的綜合性能。

4總結

陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程中的應力與應變是一個相當復雜的過程，由于在這個過程中，陶瓷墻地磚粉料的變形及運動狀態滿足粉末冶金技術中流變模型的條件，因此，在此課題中，筆者大膽借助粉料運動的流變模型建立相應的數學模型，為后面的CAE優化分析提供了有利的分析依據。CAE技術充分結合了陶瓷墻地磚的生產現狀及工藝要求，在后期的研究工作中將逐步展開粉料壓制成形過程的模擬仿真，并對墻地磚模具進行優化設計，從而提高墻地磚的綜合性能。

參考文獻

1 向衛兵．陶瓷墻地磚模具類型與分析[J]．佛山陶瓷，2008，3

2 孫德亮．墻地磚常見缺陷分析[J]．現代技術陶瓷，1998，3

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4 黃培云．粉末冶金基礎理論與新技術［M］．中南工業大學出版社，1987

5 王忠輝．陶瓷墻地磚在壓制過程中缺陷的成因分析及預防措施[J]．中國建材裝備，1998，4

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[關鍵詞]任務和要求 教學中注意的問題 建議

[中圖分類號]G71 [文獻標識碼]A [文章編號]1006-5962（2013）07（a）-0040-01

1.模具設計的一般步驟

（1）選定精整方式及精整模具尺寸，由精整余量燒結件尺寸；（2）由燒結材料的燒結收縮率壓坯尺寸；（3）由壓坯尺寸成形模具尺寸

1）成形：假設粉末冶金制品的形狀如下圖所示，當粉末在模具中成形時，加壓后將會使陰模與第一下模沖產生徑向應變。待壓坯由模具中脫出時，內應力得以釋放，徑向產生膨脹，表現為壓制回彈。

為減小壓制回彈，可以選用硬質合金來提高陰模剛性。成形后的壓坯C部分比B部分回彈要大，主要是因為C部分成形時主要與模沖接觸，而模沖因受形狀的制約，無法用提高陰模剛性的辦法來提高模沖的剛性。

2）燒結：燒結收縮量：壓坯經過燒結后，一般會產生尺寸變化，或收縮或膨脹，統稱為燒結收縮量。

對燒結收縮量的影響因素：

（1）壓坯的化學成份：含Cu壓坯一般會產生明顯膨脹，加入P，Ni等元素會產生收縮。（2）燒結溫度：溫度越高，收縮越明顯（3）壓坯密度：成分相同時，密度越低收縮越大（4）燒結氣氛

3）精整：精整時徑向與高度方向尺寸的變化有所不同：

徑向：尺寸會產生回彈，且回彈在壓力增高時加大

高度：尺寸隨施加與制品的壓力不同而不同。

二者之間具有相互關系。

故在確定燒結制品尺寸和壓坯尺寸時，必須清楚：當施加必要的壓力進行精整時，高度方向的變形量是多少。

精整（復壓）時壓坯高度方向的尺寸變化和模具的變形

三種精整方式：1）箍外徑，脹內徑：燒結件外徑比精整陰模內徑尺寸大，燒結件內徑比芯棒直徑尺寸小。

2）外箍內：將燒結件裝于模具內，用上下模沖加壓，使燒結件與模具密切接觸。

3）內脹外：將燒結件裝于陰模內，然后使芯棒通過燒結件內孔。

2.教學中應該注意的問題

（1）對機械設計、機械制圖、材料、力學、公差基本理論這些基礎學科理解的不透徹，掌握的理論知識不牢固。

模具設計課程包括的主要課程有機械設計、機械制圖、材料、力學、公差等基礎課程，要想讓學生掌握好牢固的基礎知識，必須在這幾門基礎課程之上下功夫，只有深刻領會了其中的意思，鉆研自己不會的，真正的領悟其中的內涵，學生才能理解的透徹，掌握的牢固。

所以教師在課程教學的過程中，要培養學生的興趣，只有調動了學生的積極性，在課堂之前預習一些相關內容，帶著問題去聽課，在教師教課的時候更加專心的聽講，遇到不會的會及時的問教師或者是課下自己去圖書館找尋相關材料，帶著“為什么”的精神去探索和發現，在知識的海洋里自由航行。這樣不僅掌握了基本的理論知識，還能繼續探索未知領域，開拓新的知識，創造奇跡。

（2）對于模具設計這門課程，要與時俱進，而且一些加工、安裝及其拆卸過程都需要相當專業的教師，來進行相關指導。

模具設計是一門實踐性非常強的學科，對于除了基本理論知識之外，還有模具的一些加工、安裝及其拆卸過程，都要與時俱進，所以在這方面要找相當專業的教師，進行相關的講述，在學生掌握基本的理論知識的前提之下，再在專業教師的指導下，經過這樣的實踐，學生的動手能力會增加的非常快。

其實一些中等職業學校可以和一些公司合作，引進公司的一些先進的技術和專業技術人員，也就是所謂的校企合作，這樣不僅引進了專業技術，學校建設資金，還能讓學生增強施加能力，增加實地學習的機會。

（3）模具設計是一門實踐能力相當強的學科，理論加實踐共同相結合，是非常必要的。

模具設計課程是最終會落到實踐生活中的，所以我們要在注重學生理論知識的前提之下，加強學生的實踐操作能力，所以一定要加強學生的實習機會。

在課堂上教師主要的任務就是向學生傳授基本的理論知識，讓學生明白其中的基本原理，知其原因，然后才能更好的解決問題。理論知識是構成模具設計課程的重要支架，只有掌握了基本的骨架，然后在通過實踐操作，學生就會很好的操作模具的基本操作，進而逐漸的深化，掌握專業技術。

3.幾點建議

（1）教師盡最大方法調動學生的積極性，讓學生的興趣不斷提升：

教師以往的教學手段和方法就是在課堂上滔滔不絕的陳述，將課本上的理論知識進行滿堂灌，不管學生能吸收還是不能吸收，大多數采取單純的板書教學，新時代，計算機不斷普及，計算機計算、編程能力也被越來越多的發揮到其他領域，所以我們教師也要與時俱進，充分發揮計算機的好處，將計算的編程技術學到精湛的水平，將它的作用發揮的淋漓盡致。

（2）增強校企合作，增加學生實習的機會

中等職業學校和企業的合作，不僅能夠引入資金支持，技術支持和專業技術人員的指導，還能增加學生實習的機會，所以我們要加大校企合作的力度，多多和一些企業進行合作，最大限度的與時俱進，在不斷變化的社會，始終站在先進的前端。

（3）鼓勵學生參加一些模具設計的活動

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【關鍵字】模具；CAD/CAM技術；應用

模具行業發展至今，已成為機械制造業中的重要門類。模具制造技術在輕工、電子、汽車、航空和航天等行業中更具有舉足輕重的地位和作用，這些行業開發和生產一些新產品甚至很大程度上需要依靠模具的設計和制造才能完成。而模具行業的發展離不開CAD/CAM技術的支持和推動，正是過去20年多來CAD/CAM技術的廣泛應用，實現了縮短模具生產周期、提高模具設計水平、改進模具質量、降低模具生產成本以及增進模具標準化程度的效果。但是在看到模具行業取得巨大成就的同時，卻不應該漠視所存在的問題。CAD/CAM技術的應用層次還比較低，僅僅達到可以利用CAD/CAM技術把產品制造出來，而CAD/CAM技術的巨大潛能遠未挖掘和得到充分應用，直白地講就是CAD/CAM模具技術的應用解決了“能與不能”的問題，但還沒到“好與不好”的層次[1]。有鑒于此，筆者探討和分析了模具行業CAD/CAM技術的系統構成、實現方法及應用。

1.CAD/CAM技術的系統構成及實現方法

1.1CAD/CAM技術概述

CAD/CAM是計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）/計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）的簡稱，意即采用計算機為主要技術手段來處理各種數字信息和圖形信息，以達到輔助完成產品設計和制造的目的。模具CAD/CAM技術就是以計算機為輔助工具進行模具的設計和制造并實現其一體化的技術。

1.2模具CAD/CAM系統構成

模具CAD/CAM系統由硬件系統和軟件系統所構成，如圖1所示[2]。計算機可采用大、中、小型機和微機，目前大多數的CAD/CAM系統軟件都已能在微機上運行。外部設備包括輸入設備（鼠標、鍵盤、數字化儀器等）、輸出設備（繪圖儀、打印機、數控機床、自動測試裝置等）。系統軟件主要是操作系統，常用的有微軟Windows系統、UNIX系統（工作站系統）等。支撐軟件是實現CAD/CAM功能的通用軟件，目前常用的軟件有UG NX、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Cimatron、MasterCAM等。應用軟件主要指完成特定目的的軟件，如沖裁模設計程序、線切割自動編程軟件等。

1.3CAD/CAM技術實現方法

CAD/CAM的實現過程如圖2所示。由圖可見，CAD及CAM均有廣義與狹義之分，一般所稱CAD/CAM為CAD設計和狹義的CAM。

CAD/CAM工作過程如下：

⑴零件圖樣分析。通過分析零件的尺寸、加工工藝等，決定造型及編程加工的方法。

⑵零件造型。通過人機交互方式，利用線條、曲面、實體等造型方法形成零件的立體圖形；或者利用三維掃描儀測量零件的形體表面，處理后進行曲面造型。

⑶模具設計。分析模具的結構與分型面，繪制模坯圖形及其分型面，分割模具后得到模具零件。

⑷加工工藝分析。根據零件特征選擇加工方法、刀具類型、加工順序以及得到工藝參數的過程。

⑸形成刀具路徑和加工程序。選擇切入方式和走刀方式，系統經過處理生成走刀路線和刀具位置數據并存入刀位文件中，同時在屏幕上顯示出刀具軌跡。刀位文件經過模擬仿真加工驗證，修改干涉或過切等問題，再經優化得到所需的工藝方案。由于不同的機床所需的文件格式不同，一般須經后置處理形成符合數控加工格式要求的加工程序（NC代碼文件）。

⑹進行加工。將加工程序輸入到數控機床進行加工。

2.CAD/CAM技術在模具行業中的應用

2.1模具CAD/CAM技術應用概述

各行各業所使用的模具種類很多，按照模具成型的材料，可將其分為金屬成型模具和非金屬成型模具兩大類。金屬成型模具根據成型方法又可再分為金屬板材成型模具和金屬體積成型模具，前者如沖壓模；后者如鍛造模、壓鑄模、鑄造模、粉末冶金模等。非金屬成型模具有塑料注射模、擠塑模、壓縮模、橡膠模等。這些模具應用CAD/CAM技術的方法大致上都如前面所介紹那樣。目前模具行業使用比較普遍的方法有：⑴采用UG NX設計和編制加工程序；⑵利用Pro/E進行三維零件和模具的設計，采用MasterCAM 或Cimatron編制加工工藝、刀具路徑和生成NC文件；⑶航空、汽車行業多采用CATIA進行設計和加工。下面簡要介紹前面兩種方法的應用。

2.2UG NX在模具CAD/CAM技術中的應用

UG NX是美國UGS公司出品的大型CAD/CAM軟件，目前最新版本為NX 8.5。以某機車軸箱體鑄造模具[3]為例進行說明。經分析產品的三維實體模型，進行三維鑄造工藝設計。設計內容包括機車軸箱體澆口、冒口、砂芯和分型面的設計。然后進行模具設計，模具分為上、下兩部分及芯盒。輸入工藝參數并優化加工工藝，形成刀位文件，再經模擬仿真加工驗證，利用后處理軟件進行后置處理，最終形成可被數控機床識別的NC文件。

利用UG NX對上、下模具及芯盒進行編程時，先選用加工模塊，并創建刀具庫、加工方法，選擇加工類型及設置加工參數，軟件即可生成刀具位置源文件。采用UG/PostBuilder進行后置處理。將NC文件輸入5軸數控加工中心即可加工出模具來。模具設計加工過程如圖3所示。

2.3Pro/E和MasterCAM在模具CAD/CAM技術中的應用

Pro/ENGINEER是美國PTC公司開發的CAD/CAM軟件，采用全相關性參數和單一數據庫進行設計，目前最新版本為Pro/E 5.0。Pro/E的設計方法非常符合工程人員的設計思維習慣，所以深受設計人員喜愛。Pro/E也具有很強的CAM能力，可以編程生成NC程序文件，但參數設置較繁。MasterCAM是美國CNC Software公司出品的CAD/CAM軟件，對硬件要求低，CAM功能適應性很強，但CAD功能較弱，所以采用Pro/E設計結合MasterCAM進行數控加工成為很好的選擇[4]。其操作過程是：先用Pro/E建模，對零件進行造型。利用Pro/E加工模塊進行分模，生成上、下模腔，仿真驗證后將其存為iges格式文件。然后MasterCAM讀取該文件，調整坐標系后選擇加工方法、編制刀具路徑等，處理后形成加工刀跡。經仿真及調整后生成NC加工代碼。

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關鍵詞：鎖具；板金；模具；材料

一、鎖具鈑金的設計要求

1.1鎖具鈑金模具材料的使用性能①強度。強度是表征材料變形抗力和斷裂抗力的性能指標。冷作鎖具鈑金模具的設計和使用，必須保證其具有足夠的強度，以防止鎖具鈑金模具的變形、破裂和折斷。高強度的獲得，主要通過適當的熱處理工藝。②硬度。鎖具鈑金模具零件硬度的高低，對鎖具鈑金模具的使用壽命影響很大，因此也是鎖具鈑金模具設計的重要指標。③韌性。韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗產生裂紋的一個特性，是鎖具鈑金模具鋼的一種重要性能指標。對韌性的具體要求，應根據鎖具鈑金模具的工作條件考慮。對沖擊載荷較大，受偏心彎曲載荷或應力集中等的鎖具鈑金模具，都需要足夠的韌性。④耐磨性。耐磨性除影響鎖具鈑金模具壽命外，還影響產品的尺寸精度和表面粗糙度。一般鎖具鈑金模具材料的硬度要求，應高于坯料硬度的30％～50％，鎖具鈑金模具材料的金相組織要求，為基體上分布著細小、彌散的細顆粒狀碳化物的下貝氏體或回火馬氏體。⑤抗疲勞性。抗疲勞力是反映材料在交變載荷作用下，抵抗疲勞破壞的性能指標。根據不同的應用場合，分為疲勞強度、疲勞裂紋萌生力、疲勞裂紋擴展抗力、小能量多沖抗力等。⑥熱穩定性。熱穩定性表示鎖具鈑金模具在使用過程中，工作部位因受熱而保持組織和性能穩定的能力。對于高速沖裁或劇烈摩擦磨損的冷作鎖具鈑金模具，宜選擇一些具有二次硬化能力的高合金鋼。

1.2鎖具鈑金模具材料的工藝性能①鍛造工藝性能。②切削加工工藝性能。③熱處理工藝性能。熱處理工藝的好壞，對鎖具鈑金模具質量有較大影響。一般要求熱處理變形小，淬火溫度范圍寬，過熱敏感性小，脫碳敏感性低，特別要有較大的淬硬性和淬透性。淬硬性，保證了鎖具鈑金模具的硬度和耐磨性；淬透性，保證了大尺寸模具的強韌性及斷面性能的均勻性。

二、鎖具鈑金模具材料的種類及特性

2.1碳素工具鋼碳素工具鋼的含碳量在0.7%~1.3%范圍內，價格便宜，原材料來源方便，加工性能好，熱處理后可以得到高硬度和高耐磨性，用于制作尺寸不大、形狀簡單、受輕負荷的鎖具鈑金模具零件。T10A是最常用的鋼材，是性能較好的代表性碳素工具鋼，耐磨性也較高，經適當熱處理可得到較高強度和一定韌性，合適制作要求耐磨性較高而承受沖擊載荷較小的鎖具鈑金模具。T8A淬透性、韌性等均優于T10A，耐磨性也較高，適合制作小型拉伸、擠壓模。

2.2低合金工具鋼低合金工具鋼，是在碳素工具鋼的基礎上加入了適量的合金元素。這樣可以降低淬火冷卻速度，減少熱應力和組織應力，減少淬火變形及開裂傾向，鋼的淬透性也明顯提高。用于制造鎖具鈑金模具的低合金鋼有CrWMn、9Mn2V、9SiCr、9CrWMn、9Mn27CrSiMnMoV(代號CH-1)、6CrNiMnSiMoV(代號GD)等。

2.3高碳高鉻冷作鎖具鈑金模具鋼高碳高鉻冷作鎖具鈑金模具鋼包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代號D2），具有高硬度、高強度、高耐磨性、易淬透、穩定性高、抗壓強度高及淬火變形小等優點。高碳高鉻鋼經鍛造后的毛坯硬度較高（大約在550HB左右），內應力較大，在室溫下長期停留會發生開裂報廢，為消除內應力，降低硬度，改善切削加工性能，必須進行退火處理。

2.4高速鋼高速鋼具有很高的硬度、抗壓強度和耐磨性，采用低溫淬火、快速加熱等工藝措施，可以有效地改善其韌性。因此，高速鋼越來越多地應用于要求重載荷、高壽命的冷作鎖具鈑金模具。鎢鉬系高速鋼，因其含碳化物分布較均勻，顆粒細小其抗彎強度與塑性、沖擊韌性等都相對較高，而硬度與二次硬化能力都得以保持。

2.5硬質合金硬質合金具有高的硬度、高的抗壓強度和高的耐磨性，所以用其制作的鎖具鈑金模具堅固耐用，且制品表面質量好，故適用于大批量生產，主要用來制作多工位級進模，大直徑拉深凹模鑲塊。缺點是脆性大，加工困難，不能鍛造及熱處理，且成本高，致使其應用受限制。

2.6鋼結硬質合金鋼結硬質合金是以難熔金屬碳化物為硬質相，以合金為粘結劑，用粉末冶金方法生產的一種新型鎖具鈑金模具材料，具有硬質合金的高硬度、高耐磨性和高抗壓強度，又具有鋼的可加工性和熱處理性。

三、鎖具鈑金模具材料的選用

鎖具鈑金模具材料的選用，不僅關系到鎖具鈑金模具的使用壽命，而且也直接影響到鎖具鈑金模具的制造成本，因此是鎖具鈑金模具設計中的一項重要工作。在沖壓過程中，選擇鎖具鈑金模具材料應遵循如下原則：①根據鎖具鈑金模具種類及其工作條件，選用材料要滿足使用要求，應具有較高的強度、硬度、耐磨性、耐沖擊、耐疲勞性等；②根據沖壓材料和沖壓件生產批量選用材料；③滿足加工要求，應具有良好的加工工藝性能，便于切削加工，淬透性好、熱處理變形小；④滿足經濟性的要求。

四、總結

影響鎖具鈑金模具使用壽命的重要因素是和材料的化學成分及其材料的強度、韌性、耐磨性、熱穩定性等有關，因而，應力求按照鎖具鈑金模具的服役條件、性能要求與實際生產需要，合理選擇高質量的鋼材并實施熱處理工藝，提高鎖具鈑金模具的使用壽命。

參考文獻：

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[3]曾珊琪，丁毅.鎖具鈑金模具壽命與失效[M].北京:化學工業出版社，2005．

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關鍵詞：纖維織物；布風系統；精密車間；應用分析

中圖分類號：TU831

1 精密模具車間內溫度環境因素的影響

當前模具制造已發展至采用光機電相結合的數控電火花成形、數控電火花線切割以及各種特殊加工技術相結合的高度，例如電鑄成形、粉末冶金成形、精密鑄造成形及激光加工等。目前慢走絲線切割和電火花放電加工精度可達到1.5μm，加工表面粗糙度可達到0.004μm，完全可以滿足當前注塑制品的精度要求。然而，在模具機械加工過程中，工藝系統在各種因素的影響下，常產生復雜的變形，破壞了工藝系統間的相對位置精度，造成了加工誤差。據統計，在某些精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%～70%。熱變形不僅降低了系統的加工精度，而且還影響了加工效率的提高。

引起工藝系統熱變形的熱源大致可分為兩類：內部熱源和外部熱源。內部熱源包括切削熱和摩擦熱；外部熱源包括環境溫度和輻射熱。外部熱源對模具加工精度的影響主要表現為：環境溫度的變化和室內各部分的溫差，將使工藝系統產生熱變形，從而影響工件的加工精度和測量精度。首先，溫度變化會影響設備的精度。例如，一臺鏜床在20℃進行檢驗精度完全符合標準，但在-10℃和35℃時會有許多檢驗項目超標，這主要是因為床身鑄件在-10℃會有中凹變形，而在35℃時會有中凸變形，最大翹曲量可達7～11μm。其次，環境溫度分布不均勻也會影響設備精度。例如，安裝在風口附近的機床，機床相對兩面產生10℃以上溫差，變形可達0.14mm/m。此外除了影響機床的幾何精度，溫度還會影響工件的加工精度。

因此，在加工或測量精密模具組件時，控制室溫的變化——環境溫度精度的控制以及環境溫度場均勻度的控制顯得尤為重要。

2 纖維織物布風系統的優點

纖維織物空氣分布系統是一種由特殊纖維織成的柔性空氣分布系統即索斯系統，是替代傳統送風管、風閥、散流器、絕熱材料等的一種送出風末端系統。它是主要靠纖維滲透和噴孔射流的獨特出風模式能均勻線式送風的送出風末端系統。

噴孔射流送風方式的風管采用無滲透性纖維布制成，通過在特定角度上開設的孔口向室內送風，送風速度可達15m/s。基于混合送風原理，高速氣流從噴孔噴出后，送風氣流帶動周圍空氣流動，直到與其充分混合，送入工作區域。室內空間按氣流流速可分為高速噴射區、減速區和低速回流區三部分，如圖1所示。氣流射程根據空間內溫度、氣流流速的實際要求精確計算而確定；工作區一般設在低速回流區域。

在較大空間里，通常比較難維持室內溫度場的均衡性。特別是在供暖的情況下，氣流組織狀況更加糟糕，因為送出的氣流比房間空氣輕，熱空氣有在天花板下方聚集的傾向。在此情況下，房間某些區域會產生滯流，空氣品質降低以及由于缺少熱空氣的送入而產生不舒適感。為解決這一問題，傳統空調做法是提高送風溫度或送風速度，將熱風直接高速吹向室內工作區域。然而這也是不可取的，因為直接將熱風吹向工作區域的做法很難保證工作區域不會有吹風感產生，另外對溫度場均勻性有要求的工藝設備也會因溫度場的不均勻性及過大風速而產生加工誤差。

圖2顯示了纖維織物噴射送風系統和傳統金屬風管送風系統在采暖模式和制冷模式下溫度場的溫度分布情況。纖維織物布風系統噴射式送風方式基于混合通風的原理，利用噴孔高速噴出的送風氣流帶動周圍空氣向某一區域流動，然后推動室內空氣充分混合。其特點是在工作區域之外的送風速度很高，這引起室內空氣隨著送風氣流運動。開始的時候，送風保持在較高的風速，有利于能力的傳遞；隨著室內空氣混合程度的增加，送風風速隨之減小，直到到達工作區域減到工作區域風速要求。其與傳統空調送風方式比較具有軸心速度衰減更慢，溫度分層更加明顯，減少擴散系統中的冷/熱不均勻點，對能量利用效率更高。

另外纖維織物布風系統通過整個管壁的纖維縫隙或均勻分布的經過專業設計的多排小孔出風，空氣分布每點均勻一致，實現真正理想的整體均勻送風。

3 纖維織物布風系統在精密模具車間的實際應用

天津海潤鴻泰精密模具制造有限公司主要業務范圍為電子、汽車、化妝品、醫療用品等塑料件的模具設計、模具制作、產品設計及注塑成型、組裝、表面處理。總建筑面積31185.5平方米，生產車間21488.9平米，其中精密模具加工車間長64米，寬36米，高8米，面積2300平方米，車間內擁有牧野加工中心、電火花機、慢線切割機等高精度模具加工設備，可實現0.003mm級別精度加工，因此對溫度控制，溫度場均勻度要求都比較高，傳統金屬風管系統送風方式不僅重量大，增加鋼結構廠房承重，而且散流器點式送風方式不均勻溫度場將造成加工設備較大的形變而產生加工誤差，這都增加了加工設備調試工作量及加工成本。如果采用頂板孔板送風不但投資巨大，而且也影響模具車間天車的運行，事實證明是不可行的。

而纖維織物布風系統采用永久阻燃纖維織物制成，不僅擁有阻燃防火、重量輕、安裝快捷簡便等特點，而且可以采用噴射混合通風原理的送風方式，軸心速度衰減慢，溫度分層明顯，不但可以有效傳遞熱量，使工作區域位于低速回流區，滿足風速工藝要求，而且溫度場更加均勻。

精密模具加工車間長64米，寬24米，高8米，設計總冷負荷340KW，總風量45000m3/h，夏季送風溫度15℃，室內控制溫度25±1℃。采用三條風管系統，風管直徑813mm，風管長度56m，風管間跨距10m。送風系統布置圖如圖3所示。

車間內高度方向上溫度場模擬情況如圖4所示。通過對該模具加工車間的溫度測量，距地面3m高處，氣流面平均溫度24.9℃。最高氣流溫度25.6℃，最低氣流溫度24.7℃，最大溫度差0.9℃，而且在模具加工設備布置區域，溫度差更小。

4 結論

纖維織物布風系統噴射混合通風原理，以較大的出風速度以獲得較好的空氣混合效果，溫度分層更加明顯，保證工作區域的溫度均勻性要求；同時噴射布風方式，氣流軸心速度衰減較慢，保證了氣流的有效射程，從而保證了工作區域溫度的控制精度，對能量利用效率更高。在模具車間的實際運行效果也驗證了纖維織物布風系統精確的溫度控制，均勻的溫度場，為精密模具的制造提供了必要的外部溫度環境保障。

參考文獻：

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[2]陳露，郝學軍，任毅.高大空間建筑不同送風形式氣流組織研究[J].北京建筑工程學院學報，2010，4.

[3]杜肯索斯（上海）空氣分布系統有限公司.氣流組織形式研究及出風模式選型[R].

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關鍵詞：曲軸；全纖維；鍛壓工藝

中圖分類號：TS913文獻標識碼： A

引言

鍛壓這是制造業之中金屬成形和加工的一種十分重要的生產手段，其不僅僅可以賦予產品一定的結構形狀，而且能直接起到改善和提高產品組織性能的作用。隨著科學的發展和工業化程度的提高，而鍛壓技術也獲得一定程度的進步以及更新，當前不僅僅可以在常規金屬材料加工之中有著十分重要的作用，同時其也可以在種種高合金鋼、稀有金屬合金、粉末冶金等等特種材料同產品的生產之中發揮著相當重要的作用。

1、曲軸概述

曲軸是發動機中重要的旋轉件，主要功能是把各個活塞組件傳來的壓力轉變為轉矩，通過傳動裝置驅動車輛行駛；與此同時，還要驅動發動機的配氣機構及其他輔助設備和電氣裝置。由于氣缸內的壓力作用是連續的，曲軸所受扭轉則是波動的，因此旋轉中伴隨有較為激烈的振動。因此曲軸在工作中除了正常磨損外，還會出現其他一些損傷，影響發動機的正常工作。

全纖維曲軸是將一根圓形鋼棒，放在一套專用的模具內擠壓而成。由于這種曲軸具有連續不斷的金屬纖維，大大提高了它的抗沖擊和耐疲勞性能，延長了使用壽命，并可節約一半左右的鋼材，減少70%加工時間。

曲軸的全纖維鍛壓工藝最初是由法國R.Raede-err研究成功的，近十余年來已有許多國家先后引進此項新技術并予以采用。它是目前一種先進的曲軸鍛造工藝方法。全纖維鍛壓工藝是利用曲軸本身的形狀特點，在專用的模具內，借助墩粗和彎曲的聯合工序，將一根加熱了的圓形坯料分拐進行鍛壓。成形過程可用下面示意圖(圖1)來說明

圖1曲拐成形過程示意圖

2、曲軸的全纖維鍛壓工藝簡介

2.1、全纖維鍛造工藝模具設計

以18×64mm曲軸為例，可以看出，除了耳板兩端螺栓孔之外，其余表面皆為凈鍛表面。拔長型槽設計(計算從略)。拔長坎部高度a=22mm，長度c=30mm，寬度B=60mm，深度h=30mm.(2)滾擠型槽設計。滾擠型槽高度計算如表2所示。滾擠型槽鉗口部分尺寸:n=0.2d坯+6=12mm；m=(1～2)n=24mm、取m=25mm；R=0.1d坯+6=9mm、取R=10mm；寬度B=60mm.。切斷型槽使用后切刀，其可以布排在鍛模左后方，15°斜排。為了確保鍛造之時錯移量最小，其可以較為便捷安全操作，同時也可以盡量節省鍛模材料。因為連接環材料其實20MnVB鋼，而其工藝性能比較好，形狀簡單是對稱彎曲形，也可以大批量生產，為了可以便于操作，方便模具制造，不斷提升生產效率，因為使用分開式擺動凹模結構彎曲模，

2.2、全纖維鍛壓工藝鍛成的曲軸的優勢

采用全纖維鍛壓工藝鍛成的曲軸,與普通自由鍛造曲軸相比主要有下面兩大優點:1.曲軸的機械性能特別是耐疲勞和耐沖擊性能得到改善。這是由于金屬纖維連續不斷、鋼錠中心部分與曲軸中心基本一致、加工后不外露以及可用較小鋼錠進行鍛壓等特點所致；機械加工余量小,節約了大量的材料和加工工時。這主要是山于曲拐能用鍛造方法成形。此外,還具有廢品少、生產率高、勞動強度低等優點。它適合于具有一定批量的中、大型曲軸鍛造,很多國家用來鍛造內燃機車柴油機、船用發動機等曲軸。

2.3、鐓鍛工藝過程典型階段

坯料的外形變化曲軸成型過程中,其塑性流動大致能分為三個不同區域,即曲柄、主軸徑和曲柄銷區。曲柄銷區受上下沖頭的夾緊作用,隨沖頭向下運動,基本上為無變形的剛體運動,而主軸徑區也由于曲柄成型模塊的夾緊作用,做水平剛體運動。曲柄區則是兩剛性區間的過度去,其速度模式完全受該兩區域運動的影響,在靠近曲柄銷的材料以向下運動為主,并且自上向下逐漸加強;主軸徑附近的材料自于該區的運動類似,并且從上往下逐漸減弱;曲柄中間區域的材料受曲柄銷和主軸徑運動的復合作用。隨著變形過程的進行,曲柄銷與主軸徑逐漸形成偏心,而曲柄區域則被鐓粗。曲柄區域的塑性流動能從圖2清楚看出,由于兩鐓粗端的摩擦約束作用,曲柄部分各橫截面的x向運動以中截面B-B為最大,但對于整個曲柄區沿y向下運動明顯占優,這樣截面由初始圓形逐漸變為橢圓。B-B截面的水平鐓粗效果最大,到第594步,在該截面處首先與模腔發生接觸,至此曲軸的成型過程以此時為標志分為自由成形和限制成形兩個階段。從圖2看出當曲柄中截面與模腔發生接觸時,由于接觸部位的約束作用,使得該截面的塑性流動分為上下兩部分,上部的材料向上流動明顯加大,而下部的向下流動略有增加,但是因為材料向下運動速度比向上運動要快得多,所以模具的下腔首先充滿。同時,由于此時曲柄銷與主軸徑之間的偏心也較大,曲柄部分的材料受曲柄銷與主軸徑運動的影響也越來越小,開始向尚未充滿的區域流動,直至變形過程結束。

圖2不同階段的A-A,B-B,C-C截面網格圖和縱向剖面網格圖

2.4、高溫結構材料的鍛壓

加工鈦鋁合金因具有低密度、高剛性及良好的高溫強度、抗蠕變和抗氧化能力等特點而作為高溫結構材料已得到廣泛應用,且近年來不斷開發出新的品種。鍛壓加工在提高此類材料性能方面發揮著重要的作用,如對Ti-10V-2Fe-3Al,可通過在其α+β區進行50%的鍛壓形變和適當的熱處理,使原β相粒子沿鍛壓延伸的縱向伸長,而初生的α相則均勻分布,從而使合金實現強度和韌性的有效組合;對含Nb8.5%且具雙相組織(DP)的TANB合金(Ti-45Al-8.5Nb-0.3W-0.3B-0.05Y)和TANM合金(Ti-45Al-8.5Nb-0.3Mo-0.05Y),經1 280℃/2 h保溫處理后進行變形量約為78%的鍛壓加工,由于Nb原子的固溶強化及高溫穩定性的發揮,其室溫和高溫強度均明顯高于普通鈦鋁合金。又如對在含少量Mo、V及Ti的基礎上再添加微量Nb所形成的第三代微合金鋼,可通過一定的模鍛工藝及隨后的迅速冷卻而獲得細晶組織,其間氰化鈮的彌散沉積取代了模鍛過程中鋼的再結晶,而快速冷卻則有利于均布碳化物的馬氏體結構的形成。目前,瑞典的沃爾沃汽車公司生產的模鍛件已有50%采用這種微合金鋼。

2.4、滑座和底座

材料均為55號鑄鋼，滑座每只重4噸，底座重4.5噸。左、右滑座在上壓模斜面的作用下，沿著底座上的導軌向中間移動，產生水平壓力，對坯料進行徽粗。上壓模和滑座間，滑座和底座間的接觸面，是高壓下的滑動面，在材料和制作上要求較高。在上壓模和滑座之間先采用球鐵和45號鋼作為摩擦面，因材料太軟都傷很大，以致于受力不均，發生過滑座和底座導軌咬合不能滑動的現象丫后來一律采用55號鑄鋼，刮傷現象大大減輕。滑座和痛擔導軌也同樣一律采用55號鑄鋼，情況良好。

2.5、坯料的加熱

在專用的加熱爐中分段加熱，加熱一次壓一個曲拐。在專用的加熱爐中分段加熱，加熱一次壓一個曲拐。入和取出。燃料為柴油，油泵壓力1.6公斤/厘米2，壓縮空氣通過減壓閥后噴出，壓力為2公斤/厘米2。油壓和風壓均可調節。耗油量每小時約巧公斤。坯料采用快速加熱法，從室溫加熱到鍛造溫度(1250℃)需45分鐘。

2.6、吊具

坯料是由吊具來操縱的，坯料一端放入吊具孔內，用螺釘固緊，吊具上有三個互成120“的吊環，通過吊鉤吊在橫架上的一端，橫架的另一端掛一吊鉤，吊住坯料，其部位視實際情況而定，只要使坯料處于水平和不妨礙操作。橫架吊在天車上。吊具上三個互成120。的吊孔是為了使被吊的坯料在入模內前處于比較正確的位置以便于操作。

2.7、校驗

由于坯料長而重(坯料長4059毫米，鍛好后長2442毫米，重700多公斤)；工藝上是局部加熱，分段多次鍛造；再加上吊運和鍛壓時的一些因素，因此鍛件有彎曲。據測量，主軸頸彎曲最大有7到8毫米，所以需要校直。校直工序是把鍛件加熱到700oC左右，在校直模中對主軸頸進行校直。校直模如圖12所示。下模放在水壓機工作臺上，上模由天車吊起進行局部校直。

3、結語

全纖維鍛造工藝合理控制流線分布，使纖維分布與應力方向一致，加工過程中盡量不切斷流線，使連接環以全纖維狀態承受工作載荷從而大大提高使用壽命。該工藝已得到工廠應用驗證。

參考文獻

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[2]何文武,張學忠,劉建生,郭會光,盧志永.大型全纖維曲軸的鐓鍛成形工藝研究[J].大型鑄鍛件,2008,03:1-3.