吉風霏 ，谷文金 ，孫立臣

1) 遼寧工程技術(shù)大學工商管理學院, 葫蘆島 125105 2) 興城市粉末冶金有限公司, 興城 125100

鉆夾頭是電動工具行業(yè)及機床行業(yè)的重要配件，被廣泛應用于手電鉆及機床上。鉆夾頭與鉆具相連，是用來夾持柄類工具的附件。隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，對高精密自緊鉆夾頭的需求越來越旺盛，這就要求對鉆夾頭的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。絲母是鉆夾頭中的重要零件，由于其精度高、結(jié)構(gòu)復雜，因此常采用粉末冶金工藝制備[1]。目前，國產(chǎn)粉末冶金絲母已經(jīng)達到了國際先進水平。粉末冶金絲母適用于高精密自緊鉆夾頭，具有體積小、結(jié)構(gòu)復雜、精度高等特點，它可以提高高精密自緊鉆夾頭的精度，并且可以降低成本。因為這類絲母使用批量大，因此要求少無加工[2]。

可通過降低細長模沖高度和提高模具配合間隙精度來保證粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母的形狀和精度，絲母生產(chǎn)過程的順暢進行取決于壓制模具設計的合理性、壓制模具的精度和生產(chǎn)工藝的可執(zhí)行性[3-4]。通過研究粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母零件設計圖紙，對壓制模具進行結(jié)構(gòu)分析，選取壓制模具強度高、分形結(jié)構(gòu)合理的開模方式。從壓制模具的材料選用、壓制模具的分形結(jié)構(gòu)（多臺階零件壓制模具分沖、模具臺階結(jié)構(gòu)）、壓制模具的配合間隙及模具尺寸（影響模具使用壽命）等方面對壓制模具進行優(yōu)化，使壓制模具具有高使用壽命，生產(chǎn)的高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品達到設計要求，減少后序的機械加工。

1 工藝分析

圖1為粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品簡圖，圖2為粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品造型圖。粉末冶金絲母的生產(chǎn)工藝流程包括壓制成形、燒結(jié)硬化、精整、成品包裝等[5]。根據(jù)圖1、圖2可知，產(chǎn)品為加工毛坯，絲母成品密度要求7.0 g·cm-3以上，采用粉末冶金D39為原材料，燒結(jié)后硬度要求為HV 300以上，無后序熱處理[6]。

圖1 粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of the powder metallurgy nuts for the high precision self-tightening drill collets (unit: mm)

圖2 粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母產(chǎn)品造型圖Fig.2 Product model diagram of the powder metallurgy nuts for the high precision self-tightening drill collets

粉末成形壓機和模架結(jié)構(gòu)選用如下，先用Creo3.0三維造型軟件建模，使用軟件的查詢功能，計算出絲母產(chǎn)品軸向投影面積為5.2 cm2，壓制毛坯質(zhì)量為40 g。根據(jù)經(jīng)驗計算，計算出絲母壓制成形壓力為33.8 t；絲母產(chǎn)品外形有三個臺階，內(nèi)孔有一個臺階，根據(jù)過往模具設計經(jīng)驗和公司現(xiàn)有粉末壓機的情況，選取50 t上二下三模架粉末機械壓機。

2 壓制模具設計分析

粉末冶金高精密自緊鉆夾頭絲母模具設計的工藝參數(shù)主要包括D39預合金鐵粉松裝密度、壓坯回彈率、燒結(jié)收縮率、精整余量和回彈量，這些工藝參數(shù)可直接影響壓制模具設計的準確性[7-8]。D39預合金鐵粉為吉凱恩（霸州）金屬粉末有限公司提供的成品粉材，松裝密度為3.0 g·cm-3；利用工廠現(xiàn)有產(chǎn)品和相似模具進行實際壓制和燒結(jié)，采用測量產(chǎn)品尺寸變化量的方法獲得其他壓制模具設計參數(shù)，以供絲母模具設計使用，保證壓制模具尺寸設計的一次性成功率[3]。

50 t上二下三模架粉末機械壓機各部位零件說明和功能如下：中模具有限位功能，上外板為浮動板，上二板為固定板，下一板為固定板，下二板為浮動板，下三板為浮動板，中心缸具有上、下動作功能。

圖3為壓制模具結(jié)構(gòu)設計分析圖，其中1表面為絲母產(chǎn)品上面，2表面為絲母產(chǎn)品最大直徑φ34 mm下臺階面，3表面為絲母產(chǎn)品5個異形爪的上表面，4表面為絲母產(chǎn)品5個異形爪的下表面，5表面為絲母產(chǎn)品內(nèi)臺直徑上表面，6表面為絲母產(chǎn)品內(nèi)孔直徑面（φ20 mm）。根據(jù)絲母結(jié)構(gòu)、壓制壓機模架技術(shù)參數(shù)和裝模工藝，取圖3中1面為壓制上面，只需要一個壓制上沖即可。50 t上二下三模架粉末機械壓機具有中模限位功能，同時為了簡化模具，圖3中2面可以與絲母產(chǎn)品最大直徑 （φ34 mm）一起設計作為中模模具，即壓制陰模，中模模具做成臺階形式。正常設計時，為了絲母壓制坯脫模方便，4面處壓制模具應設計在下一板上 （固定板），設計為壓制下一沖，3面處壓制模具設計在下二板上（浮動板），設計為壓制下二沖。為簡化模具，內(nèi)孔直徑6與5面設計在一起做成臺階芯棒，即壓制芯棒，設計在下三板（浮動板）上，保證壓制成形時尺寸穩(wěn)定。

圖3 壓制模具結(jié)構(gòu)設計分析圖Fig.3 Structural design and analysis diagram of the pressing die

壓制陰模高度要滿足裝粉高度和模沖定位高度，包括絲母裝粉高度、下模沖定位高度（一般為15～20 mm）、壓機少裝粉高度（一般為3～6 mm）等。芯棒長度由裝粉高度、芯棒與下模沖配合高度和根據(jù)壓制方式、連接方式需要的高度決定，芯棒長度盡量設計短一些，這樣可以提高加工精度。絲母壓制下一模沖高度、壓制下二模沖高度由配合定位高度、壓機脫模行程、模沖墊塊和連接所需要的高度組成。壓制模具細節(jié)分析見圖4。為防止脫模時陰模碰到模沖邊接座，在壓制陰模下表面與壓制下一沖臺階上面（圖5（c）中A點處）之間要有約10 mm的間隙。如模沖過于細長，強度不足，還應考慮其他方式增強模沖強度或降低模沖高度[4]。

圖4 絲母壓制模具細節(jié)分析（單位：mm）Fig.4 Detail analysis of the nut pressing die (unit: mm)

如圖1所示，絲母產(chǎn)品有一個1.2 mm寬的最小槽在設計中需要考慮。根據(jù)絲母壓制填充高度，預估壓制陰模高度為50 mm，壓制下一沖高度90 mm（沖分形部分高度60 mm），壓制下二沖高度170 mm（沖分形部分高度100 mm）。如果這樣設計，就會有一個寬度為1.2 mm、高度為100 mm的模沖，很明顯壓制下二沖強度嚴重不足，模具會產(chǎn)生嚴重變形，將無法使用。剛開始采取的解決措施是將壓制下一沖制做成階梯結(jié)構(gòu)，此種方式可以使壓制下二沖高度降低，將壓制下二沖分形部分高度降至85 mm，壓制下二沖1.2 mm處強度有所提高，但依然不能滿足生產(chǎn)使用。更換設計思路，取圖3中1面為壓制上面，一個壓制上沖；2面可以與絲母產(chǎn)品最大直徑設計在一起作為中模模具，即壓制陰模做成臺階形式；3面處壓制模具應設計在下二板上（浮動板），中間過橋，穿過固定板層，設計為壓制下一沖；4面處壓制模具應設計在下一板上（固定板），設計為壓制下二沖；內(nèi)孔直徑6面與5面設計在一起，做成臺階芯棒，即壓制芯棒，設計在下三板（浮動板）上。這樣設計各模沖位置，同時結(jié)合階梯結(jié)構(gòu)，可以使寬度為1.2 mm處的沖分形處高度降低至60 mm，經(jīng)過檢驗為最優(yōu)設計方案。優(yōu)化后的壓制模具設計方案見圖5。

3 壓制模具材料選擇和模具制作要求

如圖5所示，根據(jù)絲母壓制模具各部件不同的結(jié)構(gòu)特點，選用不同的材料制備模具。壓制陰模內(nèi)孔為小臺階結(jié)構(gòu)，無特殊形狀，考慮到產(chǎn)品批量大，因此選用YG15硬質(zhì)合金材料，因為YG15硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好等特點。壓制芯棒頂部有個小臺階，內(nèi)孔為螺絲連接孔，無異形，因此選用YG8硬質(zhì)合金材料，YG8硬質(zhì)合金材料具有強度高、使用壽命長等特點。壓制下一沖結(jié)構(gòu)復雜，且有較細長結(jié)構(gòu)，壓制下二沖長度長，結(jié)構(gòu)復雜，因此，壓制下一沖和下二沖需要選用韌性高、耐磨性好的冷作模具鋼，選用材料SLD合金工具鋼，熱處理硬度HRC 57～59，模具熱處理后需要3次回火。壓制上沖形狀不復雜，選用DC53材料，熱處理硬度HRC 57～59[8]。

圖5 優(yōu)化后的壓制模具：（a）壓制陰模；（b）壓制上沖；（c）壓制下一沖；（d）壓制下二沖；（e）壓制芯棒Fig.5 Optimized pressing die: (a) pressing female die; (b) pressing the upper punching rod; (c) first lower punch; (d) second lower punch; (e) pressing mandrel

壓制陰模與壓制芯棒的成形面、配合表面的表面粗糙度要求為Ra＞0.4，這樣可以減少模具之間的摩擦，有利于絲母產(chǎn)品脫模。壓制下一沖和壓制下二沖配合表面粗糙度要求Ra＞0.4，細長桿之間配合摩擦力小，減小壓制時的摩擦，提高模具使用壽命[9]。壓制模具之間的配合間隙選擇0.010～0.015 mm，模具的形狀誤差（直線度、圓度、圓柱度等）要小于0.005 mm，位置公差（同軸度、垂直度、平行度等）要小于0.02 mm。

4 高精密自緊鉆夾頭絲母試制和量產(chǎn)

在50 t上二下三模架粉末機械壓機上安裝經(jīng)過優(yōu)化的壓制模具，進行調(diào)試壓制。調(diào)整絲母壓制密度為7.06 g·cm-3，試制壓制500件絲母。絲母壓制完成后，壓制模具完好，壓制的絲母經(jīng)燒結(jié)后符合產(chǎn)品圖紙設計要求，壓制的成品見圖6。試制取得成功后，公司進行批量生產(chǎn)，批量生產(chǎn)絲母3萬件，量產(chǎn)出來的絲母，經(jīng)過檢測中心和客戶的檢測，產(chǎn)品完全達到產(chǎn)品圖紙設計要求，而且壓制模具無損壞，模具的使用壽命也達到了預期的時間。粉末冶金絲母安裝在高精密自緊鉆夾頭上，完全達到使用性能和使用壽命要求。圖7為安裝了粉末冶金絲母的高精密自緊鉆夾頭。

圖6 試制生產(chǎn)的高精密自緊鉆夾頭絲母成品Fig.6 Trial production of the high precision self-tightening drill chuck nuts

圖7 裝有絲母的高精密自緊鉆夾頭Fig.7 High precision self-tightening drill chuck with nuts

5 結(jié)論

通過對粉末冶金絲母的產(chǎn)品設計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝進行分析，從壓制模具的材料選擇、壓機模架的優(yōu)化應用（中間過橋，穿過固定板層）、模具結(jié)構(gòu)的調(diào)整（變換壓制下一沖、壓制下二沖位置，階梯結(jié)構(gòu)）、縮短壓制模具尺寸、增加模沖強度和利用以往設計經(jīng)驗等方面，對絲母產(chǎn)品壓制模具進行優(yōu)化，增加壓制模具使用壽命，生產(chǎn)出來的高精密自緊鉆夾頭絲母完全達到了產(chǎn)品設計要求。