王海洋，苑有印，張志剛

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001；2.興城市粉末冶金有限公司，興城 125100）

0 引言

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制取金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工業(yè)技術(shù)，具有材料利用率高、生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。粉末冶金模具是產(chǎn)品最終性能、形狀及尺寸精度的決定因素，模具設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著制品質(zhì)量的高低[3]。本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的模具用于汽車同步器齒轂生產(chǎn)，由于齒轂的形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此在生產(chǎn)加工中需要先將復(fù)雜的模具進(jìn)行簡(jiǎn)化，并在后續(xù)的機(jī)械加工中保證零件設(shè)計(jì)尺寸精度的實(shí)現(xiàn)，這樣不僅使加工工序繁瑣、效率降低，而且還會(huì)因?yàn)槟＞叩暮?jiǎn)化導(dǎo)致壓坯密度分布的均勻性大幅度降低。

1 產(chǎn)品分析

汽車同步器齒轂（如圖1所示）是汽車變速箱中的重要零件，是粉末冶金生產(chǎn)工藝制造中的典型產(chǎn)品。由圖1可以看出，齒轂零件軸向上共有兩個(gè)端面，且每個(gè)端面上分別有三個(gè)臺(tái)階面，即此零件為不等高（多臺(tái)階）壓坯，因此需要按照多臺(tái)階壓坯密度均勻分布的遵循原則來(lái)設(shè)計(jì)模具。根據(jù)壓制工藝要求，每個(gè)臺(tái)階面必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的壓制模沖，以達(dá)到壓坯密度分布均勻的目的[4]。

圖1 同步器齒轂零件圖

2 原有設(shè)計(jì)方案

由于齒轂零件上每個(gè)臺(tái)階面所對(duì)應(yīng)的模沖要與相應(yīng)的模板固定，這就需要通過(guò)“上三下三”模架或“上三下四”模架來(lái)完成此操作。但是目前企業(yè)中缺乏此類模架，只有“上二下三”模架。“上二下三”型的模架顧名思義就是只有兩個(gè)上模板和三個(gè)下模板，那么兩個(gè)上模板最多只能與兩個(gè)上模沖固定，三個(gè)下模板最多能與三個(gè)下模板固定，而此零件需要上下各三個(gè)模沖，這就要求模架要有三個(gè)上模板才能與之配合。為了能使“上二下三”型模架能壓制此零件，在實(shí)際設(shè)計(jì)中將上二模沖和上三模沖合并成一個(gè)如圖2所示的模沖，用一個(gè)模沖來(lái)壓制兩個(gè)臺(tái)階面，模沖實(shí)物圖如圖3所示，簡(jiǎn)化模具壓制成形時(shí)的狀態(tài)如圖4所示。

圖2 模沖零件圖

圖3 模具實(shí)物圖

圖4 模具壓制示意圖

如圖4所示，A、B兩部分的壓坯臺(tái)階高度為6.2mm，而壓坯的總厚度為18.5mm，A、B兩臺(tái)階的高度差為總厚度的三分之一，如果按照這樣的方案設(shè)計(jì)模具，就違背了多臺(tái)階壓坯密度分布均勻的原則。對(duì)于壓制多臺(tái)階壓坯時(shí)，不同橫截面相對(duì)應(yīng)的模沖移動(dòng)的距離和速度必定不等，即不能采用整體模沖壓制多臺(tái)階壓坯，這樣會(huì)導(dǎo)致A、B兩部分的密度差較大，通過(guò)排水法測(cè)量這兩部分的密度，其密度差可達(dá)到1g/cm3，密度差較大會(huì)影響產(chǎn)品的最終力學(xué)性能，使得兩部分的強(qiáng)度差別過(guò)大[5]。為了改善兩臺(tái)階的密度差，設(shè)計(jì)時(shí)可將壓制A、B兩個(gè)臺(tái)階的上內(nèi)模沖端面的臺(tái)階高度減小為2.9mm，但是這樣的模沖不能壓制出產(chǎn)品所要求的槽深，即B部分槽深小于設(shè)計(jì)尺寸，因此只能通過(guò)后續(xù)的機(jī)械加工來(lái)到達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。這樣不僅使工序繁瑣、效率低、能耗大，而且仍不能很好的改善壓坯密度分布不均的情況[6]。

3 模具改進(jìn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一套帶有“移粉機(jī)構(gòu)”的粉末冶金模具，以解決原有模具設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。“移粉機(jī)構(gòu)”示意圖如圖5（自由狀態(tài)）和圖6（成形狀態(tài)）所示，圖7為模具總裝配圖。

圖5 自由狀態(tài)

圖6 成形狀態(tài)

圖7 模具裝配圖

由圖5可看出，裝粉時(shí)，壓機(jī)將陰模及模沖分別調(diào)整至所需要的裝粉高度。因?yàn)樵谘b粉時(shí)壓機(jī)還沒(méi)有施加壓力，所以碟簧處于常態(tài)（自由狀態(tài)），上Ⅱ模沖處于移粉位置[7]。

壓制成形時(shí)，壓機(jī)帶動(dòng)上模板向下移動(dòng)，上Ⅰ模板帶動(dòng)上Ⅲ模沖下降，上Ⅱ模板帶動(dòng)上Ⅰ模沖下降，并且上Ⅱ模板通過(guò)碟簧將壓力傳遞給上Ⅱ模沖，處于最低點(diǎn)的上Ⅱ模沖首先與松裝粉末接觸，因?yàn)槠湟绕渌麅蓚€(gè)上模沖多伸出一段移粉距離，此距離是圖4所示B部分厚度的兩倍為11mm，所以它會(huì)將松裝的粉末擠向四周，即將B部分多余的粉末移向粉末裝填量少的A、C部分，這樣就實(shí)現(xiàn)了移粉功能。當(dāng)模沖接觸粉末時(shí)，上模沖就開(kāi)始受到粉末體向上的作用力，碟簧就會(huì)受到上Ⅱ模沖向上的壓力而被壓縮，上Ⅱ模沖隨之向上移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位臺(tái)階位置時(shí)，上Ⅱ模沖就到達(dá)了如圖6所示的最終成形位置。壓坯通過(guò)各模沖、芯棒以及陰模將壓坯壓實(shí)成形，模具處于成形位置時(shí)，各個(gè)模沖的高度差即為產(chǎn)品各個(gè)相對(duì)應(yīng)臺(tái)階面的高度。用此方案壓制的壓坯就可以直接將各臺(tái)階面壓制成形不需要后序的機(jī)械加工，簡(jiǎn)化制造工序，而且“移粉機(jī)構(gòu)”在壓制開(kāi)始時(shí)就將多余的松裝粉末移除，使得所壓制的壓坯密度進(jìn)一步改善，密度均勻性得到很大提高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原有粉末冶金汽車同步器齒轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)方法的分析，本文設(shè)計(jì)了帶有“移粉機(jī)構(gòu)”的模具，該改進(jìn)方法可以將壓制此粉末冶金汽車同步器齒轂的工序簡(jiǎn)化，做到無(wú)切削加工，并且改善原有壓坯密度分布不均的情況，使零件的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高。實(shí)踐證明此模具設(shè)計(jì)方案完全可以達(dá)到上述目的。

[1] 周作平,申小平. 粉末冶金機(jī)械零件實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 羅宗強(qiáng),劉華,周玉山.粉末冶金壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械工藝師,2000,10.

[3] 葉丹茜.50型無(wú)螺紋塑料三通的注塑模具設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2012,7(34).

[4] 印紅羽,張華誠(chéng).粉末冶金模具設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z]..北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[5] 吳成義,張麗英.粉體成形力學(xué)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 1997.

[6] 申小平,許桂生.粉末冶金壓坯缺陷分析[J].粉末冶金技術(shù),2012.8.

[7] 黃培云.粉末冶金原理(第2版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1997.