粉末冶金压制成形受力情况的研究.pdf

第 2 2卷第 2 期 2 0 1 2年 4月 粉 末冶 - l r业 POW DER M ET AL LURGY I NDUS T RY Vo 1 ． 22 NO． 2 A p r ． 2 01 2 粉末冶金压制成形受力情况 的研究 俞建 卫 ， 刘岳 ， 焦 明华 ， 田 明 。 尤涛 合肥工业大学机械 与汽车工程 学院 安徽合 肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 本文将 多台阶的零件拆分为多个简单圆柱体， 并结合 圆柱体压坯的有 关实验 ， 对原零 件做 了压 制前 的 受力分析 ， 预 先 了解到 了多 台阶零件 压制 时的 受 力情 况 ， 为粉 末冶金 产品 的压 制提供 了理论 参考 。 关键 词 简单 圆柱体 ； 多 台阶 零件 ； 受 力分析 中图分类 号 TF 1 2 4 ． 3 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 2 0 2 0 0 4 9 0 6 STUDY ON FORCE I N POW DER M ETALLURGY PRESSURE M OLDI NG YV J i a n - we i 。 L I U Yu e ， J I AO M i n g - h u a 。 TI AN M i n g，YOU T a o S c h o o l Of Me c h a n i c a l An d Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g。 He f e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， He f e i An h u i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Co m p l i c a t e d p o w d e r m e t a l l ur g y m u l t i s t e p p a r t s we r e d i v i d e d i n t o ma ny s i mpl e c y l i nd e r s， a n d t r e s s a na l y s i s o f e a c h s i mpl e c yl i n de r wa s do ne a c c or d i ng t o t h e s t r e s s t e s t s of s i mpl e c yl i n de r s ．The s t r e s s a na l y s i s f o r mul t i s t e p pa r t i s u s e f u l t o t he p r e s s i n g o f po wd e r m e t a l l ur gy pr o du c t s ． Ke y wo r d s s i mpl e c yl i nd e r； m ul t i s t e p pa r t s； s t r e s s a na l y s i s 在粉末冶金产品生产过程中， 金属粉末通过上、 下一对或多对模冲， 在一定 的速度和压力下压制成 压坯 ， 其 中多 台 阶的零 件 压 制 过 程 中通 过控 制 各 台 阶处多个模冲的压制速度 ， 使压制速度比与各 台阶 高度 比相等， 实现各区域压制密度的均匀性口 ； 粉体 在压 制成 压坯 的过 程 中 ， 其 内部 的受 力 情 况 十 分 复 杂 ， 很难直接检测到， 但其作用在模冲上 的力可以通 过外界的压力传感器检测到 。 多 台 阶零 件 压制 过 程 中 ， 如果 各 台阶 处 的受 力 情况可以预先了解到 ， 结合各模冲所检测 到的压力 值 ， 通过控制调节各模冲运动情况 ， 便可以更好的提 高压坯的压制质量 。为了能方便的预先 了解到各模 冲的受力情况 ， 本文将通过对多台阶零件拆分转换 的方法进行结构分析 ， 并借助于实验进行受力分析 。 多台阶零件结构分解 对于多模 冲压制的不等高制品 ， 当满足通过控 制各模冲的压制速度保证“ 问隔面” 处的粉体不发生 平移的条件时_ 2 ] ， 可 以将各个台阶拆分开 ， 对各部分 进行单独的受力分析， 此 时可否再将 各不 同截面部 分转换成简单 圆柱体 ， 通 过分析各简单圆柱体了解 整体的受力情况 ， 如图 1 所示 ， 将借助以下理论进行 分 析 。 1 ． 1压制压 力 的分解 压制压力作用到粉体上之后分为两部分， 一部 收稿 日期 2 0 1 1 1 O 一2 5 基 金项 目 基 于红外热像 的摩擦副三维温度场重构方法 5 1 0 7 5 1 1 4 作 者简介 俞建卫 1 9 5 6 一 ， 男 汉 ， 安徽合肥人 ， 研究 员， 硕士生导师 ， 主要研究方 向 机械设计 、 测控技术 、 复合 自润 滑材料 以及 相关项 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 俞建卫等 粉末冶金压制成形受力情况 的研究 5 1 品转换前后在 压制过 程 中模 壁 的压力损 失 Pz相 等 。 综上所述 ， 可 以将多台阶的零件转换成多个简 单的圆柱体进行受力分析 。由此可以通过分析圆形 截 面实 体在压 制 过程 中 的摩 擦 系数 变化 曲线 和压 缩 刚度 曲线来 了解 零件 的受力 情况 。 2 摩擦 系数和压缩 刚度 曲线实验 测试数据采集系统 由传感器 轮辐式压力传感 器 ， 拉压式传感器 ， 数字 式位移 传感器 精 度 0 ． 0 1 ram 、 动态应变测试 系统 XS B 5系列 称重显示控 制仪 和计算机三部分组成 ， 利用 VB语言编写数据 采样程序 ] ， 在实验过程 中数据采样间隔为 0 ． 1 S ， 程 序界 面 如 图 3 实验材料选择生产中常用 的纯铁粉 1 石墨 0 ． 8 硬质酸锌 ， 同时在实验中用石墨作为辅助的 模壁润滑材料 ， 其它实验器材数据如下表 1 。 表 1 各 实验器材 的数据信 息 图 3数据采集 系统程序界 面 实验 模具 原理 如 图 4所示 。 2 ． 1 摩 擦 系数 实 验 目的是测 出粉末 与滑台间的竖直方 向载荷 N 和摩擦力 ， ， 然后计算出摩擦系数 。此处用粉末与 滑台间的竖直方向压力和摩擦力近似的模拟粉末压 制时粉体与模壁的侧压力与摩擦力的关系。 实 验公式 位移信号 采集区 图 4实验模具原理 图 1 一底座 ； 2 一聚 四氟乙烯复合板 ； 3 一压制滑台 ； 4 一粉末 4 一阴模 ； 6 一压制芯棒 一 一 一 __ 丘一 一 f 2 9 一 一 一 j 一 -厂 一总摩擦力 ， 由拉压传感器测得的力 ， N； -厂 一粉末与滑台的摩擦力 ， N； ， 。 一滑板与聚四氟乙烯复合板间的摩擦力 ， N； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 粉末冶金工业 第 2 2卷 N一 压 制载荷 ， N a 在常温下进行实验 ， 首先测 出 ．厂 2的影 响， 方 法 使用两块聚四氟乙烯复合板 ， 分别置于压制滑台 的上下 两面 ， 施 加载 荷 N 分 别 为 1 t ， 2 t ， 3 t ， 4 t ， 5 t ， 6 t ， 7 t ， 8 t ， 1 0 t ， 1 2 t ， 1 4 t ， 1 5 t ， 滑 台 的位 移 速 度 为 2 mm／ s ， 测出滑台在移动 时的载荷 N 与摩擦 系 数情况 ， 并进行分析。在载荷 N 的作用下 换算 为 压力 ， 所得到的滑块单面与底板 的摩擦系数变化图 形 ， 如图 5中的曲线 2 。 图 5买 验 结 果 曲 线 b 对模壁进行清洗 ， 在模腔 内装入 4 g铁粉 高 度约 为 4 mm 。 c 对 粉末 进行压 制 ， 根据公 式 e一 1 0 正 P 侧 一单位侧压应力 ， MP a ； P 正单位正压应力 ， MP a 。 一 般中等硬度或强度 的粉末材料 ， 其侧压系数 的范 围为 0 ． 2 5 ～0 ． 4 5 [ 1 ] ， 因为 P 正 最 高值 在 7 0 0 MP a左右 对于本次试验最高压制载荷为 2 2 ． 5 t ， 所 以在试 验 中测量 载荷分 别为 1 t ， 2 t ， 3 t ， 4 t ， 5 t ， 6 t ， 7 t ， 8 t ， 1 0 t ， 1 2 t ， 1 4 t ， 1 6 t ， 1 8 t ， 2 0 t 时 的摩 擦 系数 括号内为参考载荷 ， 每个载荷测量三次 ， 然后 取平均值 ； 在测量过程中当施加一定载荷后 ， 保持载 荷不变 ， 推动压制滑 台移动 ， 从 而测出摩擦力 ， 滑 台 移动速度控制在 2 mm／ s 。得到压制载荷 N 换算 为压力 与摩擦系数之间的关系图 5中的曲线 3 其 中包含了滑板底面与底板 的摩擦系数 。 根据实验公式 9 ， 通过计算得到侧压力与摩擦 系数 的关系， 其关 系曲线如图 5中的曲线 1 。利 用 MAT L AB的非线性 曲线拟合功能_ 6 ] ， 可得 到曲 线 1 对应的侧压力与摩擦系数的关系式 p 侧 一 2 ． 9 8 5 1 0 3 6 P 侧 一 2 ． 1 1 9 1 0 3 o P 侧 6 ． 0 4 6 1 0 一 侧 一 8 ． 7 6 7 1 0 一 加P 侧 6 ． 6 8 8 1 O 一 侧。 一 2 ． 4 4 1 0 一 。 P , J 2 ． 0 4 5 1 0 一P 侧 O ． 2 0 09 由图形 曲线可以看出， 随着侧压力的增加 ， 摩擦 系数都是随之逐渐减小 。 3 ． 2刚度 曲线 实验 通过本次实验可以有效 的得 到直径 为 2 0 mm 的圆柱体压坯在压制过程中， 压力与位移 的关系。 a 在常温下进行 实验 ， 首先 ， 对 阴模 的内腔清 洁干净， 并涂上石墨， 以便尽量减小粉末与模壁 的摩 擦 ， 根据已有 的阴模尺寸 ， 在阴模 内装入高度约 为 1 0 mm、 1 2 mm、 1 5 mm、 1 8 mm、 2 0 mm 的 实 验 铁 粉 ； b 用液压机对粉末进行压制 ， 压制速度控制在 约 1 mm／ s ， 最高压制压力范围在 6 0 0 7 0 0 MP a ， 约 2 O ～2 2 ． 5 t 的载荷 ； c 由位移传感器测得压坯的高度变化 ； 通过数据采集系统得到压力与位移的关系 ， 并 得到相应 的数据曲线 压缩刚度 曲线 ， 如图 6 。 图 6压 力 与 位 移 的 关 系 曲 线 借助 MAT L AB非线性曲线拟合功能可得各曲 线位移 z与相应压力 P x 的拟合公式 P 1 0 z一 6 ． 3 4 1 e 7 5 4 3 x一 4 ． 4 9 6 e 3 2 3 x P 1 2 z一 7 ． 4 3 2 e 。 。 一 2 ． 4 2 9 e 。 7 2 4 4 x P1 5 z一 3 ． 3 8 5 e 。 。 一 0 ． 1 8 1 9 e 。 6 0 6 4 x P 1 8 z一 1 ． 7 7 7 e 。 5 9 7 4 x 0 ． 0 5 8 9 8 e 。 _ 5 9 7 4 x P 2 o z 一 9 ． 8 7 3 e 。 3 3 5 9 x 0 ． 0 0 5 1 1 7 e 叽 由曲线可以看出， 在开始压制时随着压力 的增 加 ， 粉末的被压缩量增加很快 ， 但随着压制过程的进 行 ， 压力与位移之间的关系趋于平缓 ， 但是对于不 同 高度的粉末 ， 其刚度 曲线的变化趋势基本相同。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 俞建卫等 粉末冶金压制成形受力情况 的研究 5 3 3 受 力分析[ 7 根据实验所用阴模 的尺寸， 由图 7所示零件做 受力分析 。材料为实验所用 的材料 ， 其松装密度约 为 3 ． 1 8 g ／ c m。 ， 在 7 0 0 MP a压力 下密度约为 7 ． O 0 g ／ c m。 。 l 三 } ． l ／ ／ ／／ 6 0 V I l l A n V ／ ／ ／ I Y V ／ Z , t 、 垒 Q ， 旦 图 7实 例 零 件 图形 3 ． 1零件 结构 原 零 件 是一 个 多 台 阶 的零 件 ， 压 制过 程 中采 用 双 向压制 ， 需要一个上模冲三个下模冲 ， 并且三个下 模冲的速度 比要满足 。 V 。 一H1H2 H3 l 1 ； 零件分 解 为 以下 三个 圆筒 结构 ， 由公 式 5 将 其 转换 为等 高 的圆柱 体结 构 ， 如下 图 8 。 图 8结 构 分 析 图 3 ． 2 受力情 况 a 净压 力 在常温下采用上下模冲双向压制 ， 最终压制力 为 7 0 0 MP a ， A、 B 、 C三部分在压制过程中都受到净 压 力 P 的作 用 ， 则各 部 分 压力 与位 移 的 变化 情 况 将遵从于图 6 所示的变化曲线 ； 假设 H1 、 H2 、 H3三 个台阶处对应 的粉末 松装 高度分 别为 2 0 mm、 3 0 mm、 4 0 mm， 在 双 向压 制 过 程 中 ， 根 据 中 性 轴 线 原 理 ， 其上模冲需施加一定的净压力 P 上 x ， 其值可 通过分析生产前的预压模型选择采用哪一 台阶的刚 度曲线公式 ， 各下模冲所受净压力满 足关 系式 P 。 x 、 Pl 5 x 、 P 2 o x 。 b 压力 损失 分析 A、 C两部 分还 包括压力 损失 P2 ， A 部分 的压力 损失 由粉末与阴模壁的摩擦造成 ， c部分的压力损 失主要由粉末与芯棒 的摩擦造成 ， 其摩擦系数的变 化情况将遵从图 5所示 的变化曲线 1 ， 选取一定 的 侧压系数 e ， 由公式 1 0 可求出侧压力 ， 由此可方便 的了解 到摩 擦 力 与正 压 力 随位 移 的 变 化 之 间 的关 系 Ff 正￡ S 侧 p 侧 由此可得 正 压力 与 位移 的关 系式 P 正 S PH z S 正￡ S侧 z 声 侧 B 、 C两部分在压制过程 中还会受到相邻台阶处 压制模冲的摩擦力 ， 因为模冲 的运动方 向与粉体 的 压制方向相同， 所以对于改进粉体的压制密度有利 ， 其摩擦力为有益的摩擦力 ， 不将其作为压力损失 的 一 部 分来 考虑 。 综上所述 ， 上模 冲及下模 冲的 H1 、 H2 、 H3台 阶处 随 着位移 的 变化需 施加 的正压 力 为 P 正 上 一 一 上 ．z 正 上 e 圭 o_ 一侧 p 正 上 e Sm2 o 侧 P正H 一 p 。 z 正 ￡ 侧 P正 H 2一 P1 5 z D 一 ， ． 、I ．S侧 2 0 z m Pz P 训 s 。 由此 ， 根据 以上 摩擦 系 数 和压 缩 刚度 曲线 实验 方法 ， 得 到相应 的压制数 据 ， 可 了解 到转 化后 的简单 圆柱体结构压制时的受力情况 ， 从 而得到整体零部 件压制过程中的受力情况。 4 结论 将 多台阶零件转化为简单 的圆柱体结构模型 ， 通过对各部分进行受力分析 ， 可 以预先得到整体结 构零件所需的压制力 ； 可 以更加直观的了解到压力 与位移的关系， 为粉末冶金零件压制提供理论参考 。 参 考文 献 [ 1 ] 吴成义 ， 张丽英． 粉 体成形力学原 理[ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ， 2 0 0 3 1 - 1 5 6 ． [ 2 ] 吴成义 、 解子章、 杨金辉 、 张丽英． 粉末冶金不等高制品压 制规律的探讨E J 3 ． 北京钢铁学院学报 ， 1 9 8 1 1 1 4 2 ～ 1 4 8 ． 匿 1 j 卑 毒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 粉末冶金工业 第 2 2 卷 方 针 政 策 钢铁 工业结构调整中的鼓励 、 限制与淘汰 中图分类号 D6 0 1 文献标识码 D 产 业结 构调 整指 导 目录 2 0 1 1 年本 以下简 称 目录 2 0 1 1本 自 6月 1日起 正式 实施 到现 在 ， 对指 导产业结构调整和优化升级、 加快推进淘汰落后产能起到了积极作用。但同时， 钢铁业内人士在对部分条款 的认识和实践上还存在一定分歧。为更好地指导钢铁行业发展 ， 在 目录 2 0 1 1年本 实施近半年之后， 1 1 月 4日， 国家发展改革委产业协调司的相关负责人向记者阐述了修订指导 目录的原则 ， 并对部分钢铁类条款 进行了解读 。 从总体上看 ， 目录 2 0 1 1 年本 中钢铁产业类条款共计 8 4条 ， 其中鼓励类 1 7 条 ， 限制类 2 O条 ， 淘汰类 中落后生产工艺装备 4 4条 、 落后产品 3条。与 产业结构调整指导 目标 2 0 0 5年本 相 比， 减少了 8条鼓励 类条款， 增加了 6条限制类条款 ， 淘汰类条款中落后生产工艺装备增加了 1 4条、 落后产品减少了 1条。 主要内容有 与增加产能直接相关的工艺技术不再列 为鼓励类 ； 非高炉炼铁技术不宜大面积推广使用 ； 海洋工程用钢技术开发和应用应加强 ； 2 0 0系不锈钢不在鼓励之列 ； 鼓励新一代 T MC P研发应用 ； 利用难选 矿及共伴生矿要做好环境保护 ； 新一代钢铁可循环流程体现循环经济新方向； 热镀锌、 彩涂项 目准入标准提 高 ； 从源头遏制地条钢生产 ； 冷轧带肋钢筋将分阶段淘汰； HR B 3 3 5等明年年底须全面淘汰。 道 松 摘 自 中 国冶金 报 9 2 0 1 1 1 1 0 8 工业转型升级规划 2 0 1 1 --2 0 1 5年 正式对外发布 中图分类 号 D6 0 1 文献标 识码 D 1 月份， 工业转型升级规划 2 0 1 1 2 0 1 5 以下简称 规划 正式对外发布。对于如何贯彻落实这一 规划 ， 工信部党组成员 、 总工程师朱宏任表示 ， 重大项 目是落实 规划 提出的各项 目标和任务的重要抓手。 工信部将抓好重大项 目的落实 ， 推动 规划 稳步有序地实施 。同时， 工信部还将进一步完善产业政策功能， 抓好钢铁、 汽车 、 水泥等产业政策的修订和实施工作 ， 营造有利于转型升级的体制和机制 。 目前 ， 工业转型升级投资指南 以下简称 指南 已经引发 ， 对石化 、 钢铁、 建材等 1 3个行业 的投资重 点和方向进行了梳理。就钢铁行业来说 ， 指南 鼓励对高强度高塑性热轧薄板、 X 8 0以上管线钢等 1 6种钢 材类别进行投资 ， 并从节能减排、 安全生产等角度出发， 列 出了在铁矿 、 焦化、 炼铁等生产各环节鼓励投资的 各 项 生产工 艺技 术 。 朱宏任表示 ， 工信部旨在通过 指南 确定一批重点项 目和重大工程 ， 引导社会资金等生产要素的投 向， 既保证合理的投资规模 ， 有避免一哄而上 、 盲 目投资。 另外 ， 为了推动地区之间的互动发展 ， 避免 同质化竞争 ， 合理、 有序、 规范地推进各地 的产业转移工作 ， 2 0 1 1 年 ， 工信部还组织编制了 产业转移指导 目录 。2 0 1 1 年以来 ， 工信部 已分别在新疆、 河南举办了两项大 型产 业转 移对 接活 动 。 晓 京摘 自 中 国冶金 报 9 2 0 1 2 ～0 2 ～0 9 I- 3 ] 黄佩 云． 粉 末 冶金 原理 [ M- I ． 冶 金工 业 出版 社 ， 1 9 8 2 1 6 7 2 1 0． [ 4 ] 吴成义 、 解子章 、 张丽英 、 张佩 玲． 金属粉末压缩刚度 曲 线及其相等 的条件E J ] ． 北京钢铁 学院学报 ， 1 9 8 2 ， 增 刊 2 1 4 9 1 55 ． E 5 ] 李 江全 ， 汤智辉 ， 朱 东芹等． Vi s u a l B a s i c 数据 采集 与 串 口通信测 控应 用实战 E M] ． 北 京 人 民邮 电出版社 ， 2O1 O ． [ 6 ] 唐 家德． MAT L AB在非 线性 曲线 拟合 中 的应用 研究 [ J ] ． 电脑学习 ， 2 0 0 8 1 5 7 5 9 ． [ 7 ] 熊 春林 、 汤 中华 、 李松林． 粉体 材料成 型设备 与模具设 计[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 7 1 1 9 5 ． [ 8 ] 韩风麟． 粉末 冶金设备 实用手 册 I- M] ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 9 7 1 - 1 0 0 ． 【 9 f No r b e r Ni e s ， Ne u s s DE ； Wa l t e r S o l t y ， Hu c k e l h o v e n DE ； B e r n d Ho r n， Le i p z i g DE ． POW DER P RES S ． Pa t e n t Ap p l i c a t i o n P u b l i c a t i o n De c ．2 1 ， 2 0 0 6 Pu b ． No ．US 2 0 0 6 ／ 0 2 8 6 1 9 4 A1 ． [ 1 O ]夏 伟 ， 胡俊文 ， 何 辉 ， 王郡文 ， 周照耀 ， 邵 明． 粉末冶金 多台面复杂成形零件压制设备的设计 [ J ] ． 现代制造 工 程 ， 2 0 0 4 1 2 1 7 1 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m