粉末冶金模具设计范文

导语：如何才能写好一篇粉末冶金模具设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键字】有限元；阀板；模具设计；粉末冶金

1 引 言

阀板是安装在压缩机气缸上控制气体进出的重要部件，它与气阀片一起控制着压缩机的吸气、压缩、排气、和膨胀四个过程。阀板上气阀片安装部位的尺寸形位公差，影响着压缩机工作过程的泄露量，对压缩机节能及噪音都有着重大的影响。因此为提高阀板生产精度而进行研究，对压缩机工作中节约能源、降低使用成本等都有重要的意义。粉末冶金成形技术是一种节材、省能、投资少、见效快，而且适合大批量生产的少无切削、高效金属成形工艺。

长期以来，成形工艺的模具的设计以及工艺过程分析注意的依据是积累的实际经验、行业标准和传统理论。但由于实际经验的非确定性，以及传统理论对变形条件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长，次数多。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大，甚至还达不到设计的精度要求。传统的设计方式已远远无法满足要求。随着计算机技术的飞速发展和七十年代有限元理论的发展，许多成形过程中很难求解的为题可以用有限元方法求解。通过建模和合适的边界条件的确定，有限元数值模拟技术可以很直观地得到成形过程中模具受力、模具失效情况、模具变形趋势。这些重要数据的获得，对合理的模具结构设计有着重要的指导意义。

2 实例分析

以下结合实例，介绍Solidworks Simulation有限元分析在改善模具设计中的应用。如图是一款压缩机阀板的图纸。阀板粉末冶金件通过成形模具在高压下，对金属粉末进行压制，再经过烧结、整形、表面处理制成。排气阀与阀片安装面N面高度差0.05～0.10mm，阀面平行度0.02。为保证阀面线精度，成形时需控制高度差及平行度基准面N面的平行度，以确保精整时整个阀面有相同的精整余量。

成形阀面模具三维图。

由于成形模具面型高度及形状不同，导致成形各面密度不同，压制压力不同，导致成形时模具变形不一致，影响产品精度。通常情况下，需要等模具完成，成形出产品后才能对模具作进一步的改善，这样导致产品试制周期长。为了提高模具设计的准确性，缩短产品试制周期，模具设计阶段，我们可利用SolidworksSimulation进行有限元分析，优化模具设计。

3 有限元分析过程

（1）首先，对模具数学模型进行简化，添加约束条件。模具面型复杂，且有限元分析中，小倒角圆角不利于分析，将小圆角、倒角简化，较小的斜面简化成直面，易于加载压力条件。

（2）根据成形产品各面的密度分布，参考赫格纳斯AHC100.29 +0.6%P11压力与密度关系图，确定成形压力。

赫格纳斯AHC100.29+0.6%P11数据

假设粉料松装密度为3.0g/cm3，模具各区域面型受力如下。

区域 压缩比 成形密度（g/cm3） 压力压强(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）按区域添加受力条件后，模具模拟变形如下图。

可看出，由于区域③密度高，压制压力大，模冲变形大，导致产品成形出来后N面平行度大，一边高一边低，两边高度差0.03～0.04mm，这样会导致精整时各部位精整余量不一致，导致精整后该面平行度不好，难以控制阀口到N面的高度差0.05～0.10mm，必须将N面变形量差控制在0.02mm以内。

（4）改善的方法有两种，一是将面型做成斜面，补偿模具变形量：二是在模冲上增加弹性平衡孔，使得模具两侧变形量增大，从而减少N面变形差异。由于N面较平整，改斜电极是比较方便的做法，而且模具变形小的地方在两侧，若增加弹性平衡孔会导致模具易变形，所以采取将面型做成斜面的方法。成形产品N面平行度控制在0.02mm以内，精整后可保证阀口到N面高度差0.05～0.10mm。通过有限元分析，改进模具结构，控制模具压制变形，从而改善产品N面平行度，使得高度差能够满足客户要求。

4 结语

随着竞争的日益加剧，低成本、高质量和高效率是制造业所追求的目标。在粉末冶金行业中，要提高竞争力，就必须提高设计效率、降低制造成本和提高产品质量，必须对生产过程中影响产品质量的各项工艺参数进行优化。由于粉末冶金压制成形过程中，模具变形是一个十分复杂的问题，传统的设计方法很难满足精度要求。运用有限元分析，不仅可以模拟模具的受力状态。更重要的是，在模具设计阶段，就可以预估成形件压制方向尺寸精度，优化模具结构，减少烧结风险，提高产品精度。随着计算机及有限元理论的不断发展和完善，基于有限元分析的优化设计方法在粉末冶金成形模具设计中的应用将越来越广泛，这是一种必然趋势。

参考文献

[1]申小平.空气压缩机用粉末冶金阀板模具设计及应用[J].粉末冶金工业,1998(03).

[2]杜贵江,赵彦启,李荣洪.压缩机阀板精冲复合成形工艺的研究[J].压力加工,2003(03).

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关键词 压制成形，流变学，CAE优化分析

1前 言

计算机辅助工程（CAE）是利用计算机辅助求解复杂工程、产品结构的力学性能分析计算以及结构性能优化设计的重要工具。对于陶瓷墙地砖模具领域，CAE技术的应用尚未见相关报导。结合目前陶瓷墙地砖模具技术比较落后的现状，利用CAE技术对陶瓷墙地砖模具设计及其粉料压制成形机理，以及墙地砖产品综合力学性能等方面展开研究，可揭示模具设计过程中模具的受载特性、运动特性及其与粉料压制成形的相互影响，从而获得陶瓷墙地砖模具的优化设计方案。CAE技术为陶瓷墙地砖模具的设计提供了虚拟的设计平台，设计人员可以提前对设计过程中模具存在的缺陷进行修改并提出优化方案，缩短了设计周期，减少了模具生产成本，并提高了陶瓷墙地砖模具及砖坯的质量。

2陶瓷墙地砖粉料压制的成形机理

2.1 陶瓷墙地砖压制成形的过程

墙地砖坯体致密度和强度的提高是由于陶瓷粉料在适宜的成形压力作用下发生了以下变化：（1）固体颗粒的塑性变形和弹性变形；（2）固体颗粒互相移近和靠拢；（3）气体和水份在颗粒间隙中的移动；（4）气体受压后，有一部分溶解在水份中，其余部分经压模、底模与模框的缝隙逸出。由此可见，墙地砖坯体的压制成形过程实质上是陶瓷粉料各组分互相移动、变形，迫使孔隙率减少和坯体结构致密化的过程。

2.2 陶瓷墙地砖粉料压制成形机理的基本假设

墙地砖因形状简单，通常采用单向压制成形的工艺，如图1所示。坯体的受力分析如图2a所示，坯体在成形压力Py，侧压力Pc，底模反力Pm及摩擦力Pf的作用下保持平衡。由于在墙地砖坯体的压制过程中，陶瓷粉料中的颗粒在互相移动、靠拢以致压实成形的过程中需要克服摩擦阻力等，由此可见侧压力Pc沿压坯高度方向逐渐减弱至最底层；同时因坯体与模壁之间存在摩擦力的作用，致使底模反力Pm小于成形压力Py。但因墙地砖的厚度尺寸通常较小，并忽略摩擦力Pf的作用，致使底模反力Pm小于成形压力Py。

我们可近似地认为侧压力Pc沿压坯高度方向均匀分布，且底模反力Pm与成形压力Py近似相等，那么可得理想状态下坯体的受力分析示意（如图2b所示）。如果再进一步将分布力简化为集中力，可得坯体的受力分析示意图（如图2c所示）。显然它是建立在基本假设基础上的：（1）假设坯体为一刚性整体；（2）假设坯体在压制成形时，坯体与模腔内壁等产生的摩擦力忽略不计；（3）假设侧压力Pc沿压坯高度方向均匀分布。

2.3 成形压力对坯体压制成形过程的影响

当作用于陶瓷粉料上的成形压力大于固体颗粒的变形阻力、受压气体的变形阻力、固体颗粒之间的摩擦力及陶瓷粉料与模腔内表面的摩擦阻力时，固体颗粒就开始移动、变形，并互相靠近，结果迫使陶瓷粉料压实成形。其具体过程就是靠近压模上表面的陶瓷粉料层最先被压实，当这个陶瓷粉料层的颗粒互相靠近时，颗粒间的摩擦阻力就急剧地增大。此时，要使坯体压得更实就必须施加更大的成形压力，此成形压力同时还通过压模上表面的粉料层依次传递到邻近的粉料层上，直至最低层，由于成形压力在粉料层之间不断传递的过程中，有一部分消耗于克服颗粒变形、颗粒之间及颗粒与模腔内表面的摩擦损失上，所以离压模上表面越远，粉料层受到的成形压力越小，结构越疏松、致密度越低。

当成形压力与上述各种变形阻力及摩擦力相等时，陶瓷粉料的压制成形过程就处于相对平衡状态，坯体结构不再致密化，因此过大地增大成形压力，并不能使坯体变得更紧密或使坯体的强度更高。各种陶瓷粉料依其物理化学性质的差异，各有其最适宜的成形压力。这个成形压力既能保证坯体所要求的致密度和强度，又不会使坯体产生压制裂纹等缺陷。

3陶瓷墙地砖粉料压制成形过程的CAE优化分析研究

3.1 陶瓷墙地砖粉料压制成形过程数学模型的建立

陶瓷粉料压制成形是靠强大的压力使含有一定粘性颗粒的粉料在模具内产生流动、变形，最终压成致密的坯体。所以，陶瓷粉料的性能与其压制行为的关系（如粉料流动的快慢、变形的难易、作用力和变形力之间的关系等）成为压制成形过程中的关键因素。因此，用流变学的理论来建立粉料的流变模型和压制方程对于研究陶瓷粉料压制行为规律有重要的指导意义。

如图3所示，在刚模中粉料的表面施加压力σΔ(t)，Δ(t)是单位阶跃函数。

假设刚模壁与粉料间不发生剪切应力，则在忽略重力时粉料间不发生剪切应力，此时粉料中各点x方向的正应力σx均为σΔ(t)，为方便起见，以压应力为正，且σy＝σx，由于刚模的限制，y和z方向应变εy=εx=0，只有x方向的应变εx，那要求解的未知数就是横向力σy 和竖向应变εx 。

以Tσ、Tε分别代表应力、应变张量，用上标O，d分别代表球张量和偏张量，

应力张量为：Tσ=TσO+Tσd(1)

应变张量：Tε=Tε0+ Tεd(2)

对于满足流变模型的各种粉料，应力球张量和应变球张量之间的关系可以认为是线弹性的，则有：

TσO=3EvTε0(3)

式中：

Ev――积弹性模量

应力偏张量与应变偏张量之间的关系，随着粉料的性质以及模型而异。借助粉末冶金技术，非线性K体比较接近粉体变形的实际情况，并且容易进行数学处理。非线性K体是由Hooke体（简称H体）与Newton体（简称N体）并联组成的。经过对H体与N体不同组合的数学模型的研究与对比，发现当非线性K体与非线性H体并联，所建立的数学模型就比较符合粉料压制机理。 依图4所示模型，其数学模型为：

式中：

σ＝σ1+σy

σ1＝σ2＝σ3(4)

ε＝ε1＝εx

εx=ε2+ε3

又

式中：

――应力对时间t的导数

变换整理得：

式中：

M1，M2，M3，τ――与弹性有关的常数

m1 ，m3，K――指数常数

――应变对时间t的导数

图4所示的模型具有普遍性，可以较全面研究非线性粉料在压制成形过程中的流变行为，从而为陶瓷墙地砖模具设计及加工过程中工艺参数的选定提供了依据。

3.2 陶瓷墙地砖粉料压制成形过程CAE优化分析的探索研究

在对陶瓷墙地砖粉料压制成形机理全面分析的基础上，综合考虑墙地砖模具结构的具体设计要求以及原材料的性质、配方等因素，借助冶金技术中粉料在压制成形中的流变模型建立起相应的数学模型，继而采用华中科技大学国家模具重点实验室开发的HSCAE（华塑CAE）软件进行优化及动态模拟分析，从而改变了过去那种单靠人为经验来制定粉料压制成形的加工工艺，以及设计相应模具尺寸需要多次试模、反复修改，才能最后设计定型和制造模具的方法。

利用CAE技术对陶瓷墙地砖粉料压制成形过程进行仿真模拟，并在此基础上，提高模具的设计的效率，优化模具设计以及制造工艺。在后期的研究工作中，其工作重点将放在对粉料压制成形过程的仿真模拟，并结合陶瓷墙地砖实际生产情况及存在的问题，对现有的墙地砖模具进行CAE优化分析，并提出模具的优化设计方案，从而有效地提高墙地砖在压制成形过程中的综合性能。

4总结

陶瓷墙地砖粉料压制成形过程中的应力与应变是一个相当复杂的过程，由于在这个过程中，陶瓷墙地砖粉料的变形及运动状态满足粉末冶金技术中流变模型的条件，因此，在此课题中，笔者大胆借助粉料运动的流变模型建立相应的数学模型，为后面的CAE优化分析提供了有利的分析依据。CAE技术充分结合了陶瓷墙地砖的生产现状及工艺要求，在后期的研究工作中将逐步展开粉料压制成形过程的模拟仿真，并对墙地砖模具进行优化设计，从而提高墙地砖的综合性能。

参考文献

1 向卫兵．陶瓷墙地砖模具类型与分析[J]．佛山陶瓷，2008，3

2 孙德亮．墙地砖常见缺陷分析[J]．现代技术陶瓷，1998，3

3 王艳春．陶瓷墙地砖模具的设计［J］．佛山陶瓷，2006，7

4 黄培云．粉末冶金基础理论与新技术［M］．中南工业大学出版社，1987

5 王忠辉．陶瓷墙地砖在压制过程中缺陷的成因分析及预防措施[J]．中国建材装备，1998，4

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[关键词]任务和要求 教学中注意的问题 建议

[中图分类号]G71 [文献标识码]A [文章编号]1006-5962（2013）07（a）-0040-01

1.模具设计的一般步骤

（1）选定精整方式及精整模具尺寸，由精整余量烧结件尺寸；（2）由烧结材料的烧结收缩率压坯尺寸；（3）由压坯尺寸成形模具尺寸

1）成形：假设粉末冶金制品的形状如下图所示，当粉末在模具中成形时，加压后将会使阴模与第一下模冲产生径向应变。待压坯由模具中脱出时，内应力得以释放，径向产生膨胀，表现为压制回弹。

为减小压制回弹，可以选用硬质合金来提高阴模刚性。成形后的压坯C部分比B部分回弹要大，主要是因为C部分成形时主要与模冲接触，而模冲因受形状的制约，无法用提高阴模刚性的办法来提高模冲的刚性。

2）烧结：烧结收缩量：压坯经过烧结后，一般会产生尺寸变化，或收缩或膨胀，统称为烧结收缩量。

对烧结收缩量的影响因素：

（1）压坯的化学成份：含Cu压坯一般会产生明显膨胀，加入P，Ni等元素会产生收缩。（2）烧结温度：温度越高，收缩越明显（3）压坯密度：成分相同时，密度越低收缩越大（4）烧结气氛

3）精整：精整时径向与高度方向尺寸的变化有所不同：

径向：尺寸会产生回弹，且回弹在压力增高时加大

高度：尺寸随施加与制品的压力不同而不同。

二者之间具有相互关系。

故在确定烧结制品尺寸和压坯尺寸时，必须清楚：当施加必要的压力进行精整时，高度方向的变形量是多少。

精整（复压）时压坯高度方向的尺寸变化和模具的变形

三种精整方式：1）箍外径，胀内径：烧结件外径比精整阴模内径尺寸大，烧结件内径比芯棒直径尺寸小。

2）外箍内：将烧结件装于模具内，用上下模冲加压，使烧结件与模具密切接触。

3）内胀外：将烧结件装于阴模内，然后使芯棒通过烧结件内孔。

2.教学中应该注意的问题

（1）对机械设计、机械制图、材料、力学、公差基本理论这些基础学科理解的不透彻，掌握的理论知识不牢固。

模具设计课程包括的主要课程有机械设计、机械制图、材料、力学、公差等基础课程，要想让学生掌握好牢固的基础知识，必须在这几门基础课程之上下功夫，只有深刻领会了其中的意思，钻研自己不会的，真正的领悟其中的内涵，学生才能理解的透彻，掌握的牢固。

所以教师在课程教学的过程中，要培养学生的兴趣，只有调动了学生的积极性，在课堂之前预习一些相关内容，带着问题去听课，在教师教课的时候更加专心的听讲，遇到不会的会及时的问教师或者是课下自己去图书馆找寻相关材料，带着“为什么”的精神去探索和发现，在知识的海洋里自由航行。这样不仅掌握了基本的理论知识，还能继续探索未知领域，开拓新的知识，创造奇迹。

（2）对于模具设计这门课程，要与时俱进，而且一些加工、安装及其拆卸过程都需要相当专业的教师，来进行相关指导。

模具设计是一门实践性非常强的学科，对于除了基本理论知识之外，还有模具的一些加工、安装及其拆卸过程，都要与时俱进，所以在这方面要找相当专业的教师，进行相关的讲述，在学生掌握基本的理论知识的前提之下，再在专业教师的指导下，经过这样的实践，学生的动手能力会增加的非常快。

其实一些中等职业学校可以和一些公司合作，引进公司的一些先进的技术和专业技术人员，也就是所谓的校企合作，这样不仅引进了专业技术，学校建设资金，还能让学生增强施加能力，增加实地学习的机会。

（3）模具设计是一门实践能力相当强的学科，理论加实践共同相结合，是非常必要的。

模具设计课程是最终会落到实践生活中的，所以我们要在注重学生理论知识的前提之下，加强学生的实践操作能力，所以一定要加强学生的实习机会。

在课堂上教师主要的任务就是向学生传授基本的理论知识，让学生明白其中的基本原理，知其原因，然后才能更好的解决问题。理论知识是构成模具设计课程的重要支架，只有掌握了基本的骨架，然后在通过实践操作，学生就会很好的操作模具的基本操作，进而逐渐的深化，掌握专业技术。

3.几点建议

（1）教师尽最大方法调动学生的积极性，让学生的兴趣不断提升：

教师以往的教学手段和方法就是在课堂上滔滔不绝的陈述，将课本上的理论知识进行满堂灌，不管学生能吸收还是不能吸收，大多数采取单纯的板书教学，新时代，计算机不断普及，计算机计算、编程能力也被越来越多的发挥到其他领域，所以我们教师也要与时俱进，充分发挥计算机的好处，将计算的编程技术学到精湛的水平，将它的作用发挥的淋漓尽致。

（2）增强校企合作，增加学生实习的机会

中等职业学校和企业的合作，不仅能够引入资金支持，技术支持和专业技术人员的指导，还能增加学生实习的机会，所以我们要加大校企合作的力度，多多和一些企业进行合作，最大限度的与时俱进，在不断变化的社会，始终站在先进的前端。

（3）鼓励学生参加一些模具设计的活动

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【关键字】模具；CAD/CAM技术；应用

模具行业发展至今，已成为机械制造业中的重要门类。模具制造技术在轻工、电子、汽车、航空和航天等行业中更具有举足轻重的地位和作用，这些行业开发和生产一些新产品甚至很大程度上需要依靠模具的设计和制造才能完成。而模具行业的发展离不开CAD/CAM技术的支持和推动，正是过去20年多来CAD/CAM技术的广泛应用，实现了缩短模具生产周期、提高模具设计水平、改进模具质量、降低模具生产成本以及增进模具标准化程度的效果。但是在看到模具行业取得巨大成就的同时，却不应该漠视所存在的问题。CAD/CAM技术的应用层次还比较低，仅仅达到可以利用CAD/CAM技术把产品制造出来，而CAD/CAM技术的巨大潜能远未挖掘和得到充分应用，直白地讲就是CAD/CAM模具技术的应用解决了“能与不能”的问题，但还没到“好与不好”的层次[1]。有鉴于此，笔者探讨和分析了模具行业CAD/CAM技术的系统构成、实现方法及应用。

1.CAD/CAM技术的系统构成及实现方法

1.1CAD/CAM技术概述

CAD/CAM是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）/计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）的简称，意即采用计算机为主要技术手段来处理各种数字信息和图形信息，以达到辅助完成产品设计和制造的目的。模具CAD/CAM技术就是以计算机为辅助工具进行模具的设计和制造并实现其一体化的技术。

1.2模具CAD/CAM系统构成

模具CAD/CAM系统由硬件系统和软件系统所构成，如图1所示[2]。计算机可采用大、中、小型机和微机，目前大多数的CAD/CAM系统软件都已能在微机上运行。外部设备包括输入设备（鼠标、键盘、数字化仪器等）、输出设备（绘图仪、打印机、数控机床、自动测试装置等）。系统软件主要是操作系统，常用的有微软Windows系统、UNIX系统（工作站系统）等。支撑软件是实现CAD/CAM功能的通用软件，目前常用的软件有UG NX、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Cimatron、MasterCAM等。应用软件主要指完成特定目的的软件，如冲裁模设计程序、线切割自动编程软件等。

1.3CAD/CAM技术实现方法

CAD/CAM的实现过程如图2所示。由图可见，CAD及CAM均有广义与狭义之分，一般所称CAD/CAM为CAD设计和狭义的CAM。

CAD/CAM工作过程如下：

⑴零件图样分析。通过分析零件的尺寸、加工工艺等，决定造型及编程加工的方法。

⑵零件造型。通过人机交互方式，利用线条、曲面、实体等造型方法形成零件的立体图形；或者利用三维扫描仪测量零件的形体表面，处理后进行曲面造型。

⑶模具设计。分析模具的结构与分型面，绘制模坯图形及其分型面，分割模具后得到模具零件。

⑷加工工艺分析。根据零件特征选择加工方法、刀具类型、加工顺序以及得到工艺参数的过程。

⑸形成刀具路径和加工程序。选择切入方式和走刀方式，系统经过处理生成走刀路线和刀具位置数据并存入刀位文件中，同时在屏幕上显示出刀具轨迹。刀位文件经过模拟仿真加工验证，修改干涉或过切等问题，再经优化得到所需的工艺方案。由于不同的机床所需的文件格式不同，一般须经后置处理形成符合数控加工格式要求的加工程序（NC代码文件）。

⑹进行加工。将加工程序输入到数控机床进行加工。

2.CAD/CAM技术在模具行业中的应用

2.1模具CAD/CAM技术应用概述

各行各业所使用的模具种类很多，按照模具成型的材料，可将其分为金属成型模具和非金属成型模具两大类。金属成型模具根据成型方法又可再分为金属板材成型模具和金属体积成型模具，前者如冲压模；后者如锻造模、压铸模、铸造模、粉末冶金模等。非金属成型模具有塑料注射模、挤塑模、压缩模、橡胶模等。这些模具应用CAD/CAM技术的方法大致上都如前面所介绍那样。目前模具行业使用比较普遍的方法有：⑴采用UG NX设计和编制加工程序；⑵利用Pro/E进行三维零件和模具的设计，采用MasterCAM 或Cimatron编制加工工艺、刀具路径和生成NC文件；⑶航空、汽车行业多采用CATIA进行设计和加工。下面简要介绍前面两种方法的应用。

2.2UG NX在模具CAD/CAM技术中的应用

UG NX是美国UGS公司出品的大型CAD/CAM软件，目前最新版本为NX 8.5。以某机车轴箱体铸造模具[3]为例进行说明。经分析产品的三维实体模型，进行三维铸造工艺设计。设计内容包括机车轴箱体浇口、冒口、砂芯和分型面的设计。然后进行模具设计，模具分为上、下两部分及芯盒。输入工艺参数并优化加工工艺，形成刀位文件，再经模拟仿真加工验证，利用后处理软件进行后置处理，最终形成可被数控机床识别的NC文件。

利用UG NX对上、下模具及芯盒进行编程时，先选用加工模块，并创建刀具库、加工方法，选择加工类型及设置加工参数，软件即可生成刀具位置源文件。采用UG/PostBuilder进行后置处理。将NC文件输入5轴数控加工中心即可加工出模具来。模具设计加工过程如图3所示。

2.3Pro/E和MasterCAM在模具CAD/CAM技术中的应用

Pro/ENGINEER是美国PTC公司开发的CAD/CAM软件，采用全相关性参数和单一数据库进行设计，目前最新版本为Pro/E 5.0。Pro/E的设计方法非常符合工程人员的设计思维习惯，所以深受设计人员喜爱。Pro/E也具有很强的CAM能力，可以编程生成NC程序文件，但参数设置较繁。MasterCAM是美国CNC Software公司出品的CAD/CAM软件，对硬件要求低，CAM功能适应性很强，但CAD功能较弱，所以采用Pro/E设计结合MasterCAM进行数控加工成为很好的选择[4]。其操作过程是：先用Pro/E建模，对零件进行造型。利用Pro/E加工模块进行分模，生成上、下模腔，仿真验证后将其存为iges格式文件。然后MasterCAM读取该文件，调整坐标系后选择加工方法、编制刀具路径等，处理后形成加工刀迹。经仿真及调整后生成NC加工代码。

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关键词：锁具；板金；模具；材料

一、锁具钣金的设计要求

1.1锁具钣金模具材料的使用性能①强度。强度是表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。冷作锁具钣金模具的设计和使用，必须保证其具有足够的强度，以防止锁具钣金模具的变形、破裂和折断。高强度的获得，主要通过适当的热处理工艺。②硬度。锁具钣金模具零件硬度的高低，对锁具钣金模具的使用寿命影响很大，因此也是锁具钣金模具设计的重要指标。③韧性。韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性，是锁具钣金模具钢的一种重要性能指标。对韧性的具体要求，应根据锁具钣金模具的工作条件考虑。对冲击载荷较大，受偏心弯曲载荷或应力集中等的锁具钣金模具，都需要足够的韧性。④耐磨性。耐磨性除影响锁具钣金模具寿命外，还影响产品的尺寸精度和表面粗糙度。一般锁具钣金模具材料的硬度要求，应高于坯料硬度的30％～50％，锁具钣金模具材料的金相组织要求，为基体上分布着细小、弥散的细颗粒状碳化物的下贝氏体或回火马氏体。⑤抗疲劳性。抗疲劳力是反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的性能指标。根据不同的应用场合，分为疲劳强度、疲劳裂纹萌生力、疲劳裂纹扩展抗力、小能量多冲抗力等。⑥热稳定性。热稳定性表示锁具钣金模具在使用过程中，工作部位因受热而保持组织和性能稳定的能力。对于高速冲裁或剧烈摩擦磨损的冷作锁具钣金模具，宜选择一些具有二次硬化能力的高合金钢。

1.2锁具钣金模具材料的工艺性能①锻造工艺性能。②切削加工工艺性能。③热处理工艺性能。热处理工艺的好坏，对锁具钣金模具质量有较大影响。一般要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，特别要有较大的淬硬性和淬透性。淬硬性，保证了锁具钣金模具的硬度和耐磨性；淬透性，保证了大尺寸模具的强韧性及断面性能的均匀性。

二、锁具钣金模具材料的种类及特性

2.1碳素工具钢碳素工具钢的含碳量在0.7%~1.3%范围内，价格便宜，原材料来源方便，加工性能好，热处理后可以得到高硬度和高耐磨性，用于制作尺寸不大、形状简单、受轻负荷的锁具钣金模具零件。T10A是最常用的钢材，是性能较好的代表性碳素工具钢，耐磨性也较高，经适当热处理可得到较高强度和一定韧性，合适制作要求耐磨性较高而承受冲击载荷较小的锁具钣金模具。T8A淬透性、韧性等均优于T10A，耐磨性也较高，适合制作小型拉伸、挤压模。

2.2低合金工具钢低合金工具钢，是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。这样可以降低淬火冷却速度，减少热应力和组织应力，减少淬火变形及开裂倾向，钢的淬透性也明显提高。用于制造锁具钣金模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、9SiCr、9CrWMn、9Mn27CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiMnSiMoV(代号GD)等。

2.3高碳高铬冷作锁具钣金模具钢高碳高铬冷作锁具钣金模具钢包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2），具有高硬度、高强度、高耐磨性、易淬透、稳定性高、抗压强度高及淬火变形小等优点。高碳高铬钢经锻造后的毛坯硬度较高（大约在550HB左右），内应力较大，在室温下长期停留会发生开裂报废，为消除内应力，降低硬度，改善切削加工性能，必须进行退火处理。

2.4高速钢高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热等工艺措施，可以有效地改善其韧性。因此，高速钢越来越多地应用于要求重载荷、高寿命的冷作锁具钣金模具。钨钼系高速钢，因其含碳化物分布较均匀，颗粒细小其抗弯强度与塑性、冲击韧性等都相对较高，而硬度与二次硬化能力都得以保持。

2.5硬质合金硬质合金具有高的硬度、高的抗压强度和高的耐磨性，所以用其制作的锁具钣金模具坚固耐用，且制品表面质量好，故适用于大批量生产，主要用来制作多工位级进模，大直径拉深凹模镶块。缺点是脆性大，加工困难，不能锻造及热处理，且成本高，致使其应用受限制。

2.6钢结硬质合金钢结硬质合金是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型锁具钣金模具材料，具有硬质合金的高硬度、高耐磨性和高抗压强度，又具有钢的可加工性和热处理性。

三、锁具钣金模具材料的选用

锁具钣金模具材料的选用，不仅关系到锁具钣金模具的使用寿命，而且也直接影响到锁具钣金模具的制造成本，因此是锁具钣金模具设计中的一项重要工作。在冲压过程中，选择锁具钣金模具材料应遵循如下原则：①根据锁具钣金模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用要求，应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击、耐疲劳性等；②根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料；③满足加工要求，应具有良好的加工工艺性能，便于切削加工，淬透性好、热处理变形小；④满足经济性的要求。

四、总结

影响锁具钣金模具使用寿命的重要因素是和材料的化学成分及其材料的强度、韧性、耐磨性、热稳定性等有关，因而，应力求按照锁具钣金模具的服役条件、性能要求与实际生产需要，合理选择高质量的钢材并实施热处理工艺，提高锁具钣金模具的使用寿命。

参考文献：

[1]康俊远.锁具钣金模具工程材料[M].北京:北京理工大学出版社，2008．

[2]张清辉.锁具钣金模具材料及表面处理[M].北京:电子工业出版社，2005.

[3]曾珊琪，丁毅.锁具钣金模具寿命与失效[M].北京:化学工业出版社，2005．

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关键词：纤维织物；布风系统；精密车间；应用分析

中图分类号：TU831

1 精密模具车间内温度环境因素的影响

当前模具制造已发展至采用光机电相结合的数控电火花成形、数控电火花线切割以及各种特殊加工技术相结合的高度，例如电铸成形、粉末冶金成形、精密铸造成形及激光加工等。目前慢走丝线切割和电火花放电加工精度可达到1.5μm，加工表面粗糙度可达到0.004μm，完全可以满足当前注塑制品的精度要求。然而，在模具机械加工过程中，工艺系统在各种因素的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工艺系统间的相对位置精度，造成了加工误差。据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%～70%。热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。

引起工艺系统热变形的热源大致可分为两类：内部热源和外部热源。内部热源包括切削热和摩擦热；外部热源包括环境温度和辐射热。外部热源对模具加工精度的影响主要表现为：环境温度的变化和室内各部分的温差，将使工艺系统产生热变形，从而影响工件的加工精度和测量精度。首先，温度变化会影响设备的精度。例如，一台镗床在20℃进行检验精度完全符合标准，但在-10℃和35℃时会有许多检验项目超标，这主要是因为床身铸件在-10℃会有中凹变形，而在35℃时会有中凸变形，最大翘曲量可达7～11μm。其次，环境温度分布不均匀也会影响设备精度。例如，安装在风口附近的机床，机床相对两面产生10℃以上温差，变形可达0.14mm/m。此外除了影响机床的几何精度，温度还会影响工件的加工精度。

因此，在加工或测量精密模具组件时，控制室温的变化——环境温度精度的控制以及环境温度场均匀度的控制显得尤为重要。

2 纤维织物布风系统的优点

纤维织物空气分布系统是一种由特殊纤维织成的柔性空气分布系统即索斯系统，是替代传统送风管、风阀、散流器、绝热材料等的一种送出风末端系统。它是主要靠纤维渗透和喷孔射流的独特出风模式能均匀线式送风的送出风末端系统。

喷孔射流送风方式的风管采用无渗透性纤维布制成，通过在特定角度上开设的孔口向室内送风，送风速度可达15m/s。基于混合送风原理，高速气流从喷孔喷出后，送风气流带动周围空气流动，直到与其充分混合，送入工作区域。室内空间按气流流速可分为高速喷射区、减速区和低速回流区三部分，如图1所示。气流射程根据空间内温度、气流流速的实际要求精确计算而确定；工作区一般设在低速回流区域。

在较大空间里，通常比较难维持室内温度场的均衡性。特别是在供暖的情况下，气流组织状况更加糟糕，因为送出的气流比房间空气轻，热空气有在天花板下方聚集的倾向。在此情况下，房间某些区域会产生滞流，空气品质降低以及由于缺少热空气的送入而产生不舒适感。为解决这一问题，传统空调做法是提高送风温度或送风速度，将热风直接高速吹向室内工作区域。然而这也是不可取的，因为直接将热风吹向工作区域的做法很难保证工作区域不会有吹风感产生，另外对温度场均匀性有要求的工艺设备也会因温度场的不均匀性及过大风速而产生加工误差。

图2显示了纤维织物喷射送风系统和传统金属风管送风系统在采暖模式和制冷模式下温度场的温度分布情况。纤维织物布风系统喷射式送风方式基于混合通风的原理，利用喷孔高速喷出的送风气流带动周围空气向某一区域流动，然后推动室内空气充分混合。其特点是在工作区域之外的送风速度很高，这引起室内空气随着送风气流运动。开始的时候，送风保持在较高的风速，有利于能力的传递；随着室内空气混合程度的增加，送风风速随之减小，直到到达工作区域减到工作区域风速要求。其与传统空调送风方式比较具有轴心速度衰减更慢，温度分层更加明显，减少扩散系统中的冷/热不均匀点，对能量利用效率更高。

另外纤维织物布风系统通过整个管壁的纤维缝隙或均匀分布的经过专业设计的多排小孔出风，空气分布每点均匀一致，实现真正理想的整体均匀送风。

3 纤维织物布风系统在精密模具车间的实际应用

天津海润鸿泰精密模具制造有限公司主要业务范围为电子、汽车、化妆品、医疗用品等塑料件的模具设计、模具制作、产品设计及注塑成型、组装、表面处理。总建筑面积31185.5平方米，生产车间21488.9平米，其中精密模具加工车间长64米，宽36米，高8米，面积2300平方米，车间内拥有牧野加工中心、电火花机、慢线切割机等高精度模具加工设备，可实现0.003mm级别精度加工，因此对温度控制，温度场均匀度要求都比较高，传统金属风管系统送风方式不仅重量大，增加钢结构厂房承重，而且散流器点式送风方式不均匀温度场将造成加工设备较大的形变而产生加工误差，这都增加了加工设备调试工作量及加工成本。如果采用顶板孔板送风不但投资巨大，而且也影响模具车间天车的运行，事实证明是不可行的。

而纤维织物布风系统采用永久阻燃纤维织物制成，不仅拥有阻燃防火、重量轻、安装快捷简便等特点，而且可以采用喷射混合通风原理的送风方式，轴心速度衰减慢，温度分层明显，不但可以有效传递热量，使工作区域位于低速回流区，满足风速工艺要求，而且温度场更加均匀。

精密模具加工车间长64米，宽24米，高8米，设计总冷负荷340KW，总风量45000m3/h，夏季送风温度15℃，室内控制温度25±1℃。采用三条风管系统，风管直径813mm，风管长度56m，风管间跨距10m。送风系统布置图如图3所示。

车间内高度方向上温度场模拟情况如图4所示。通过对该模具加工车间的温度测量，距地面3m高处，气流面平均温度24.9℃。最高气流温度25.6℃，最低气流温度24.7℃，最大温度差0.9℃，而且在模具加工设备布置区域，温度差更小。

4 结论

纤维织物布风系统喷射混合通风原理，以较大的出风速度以获得较好的空气混合效果，温度分层更加明显，保证工作区域的温度均匀性要求；同时喷射布风方式，气流轴心速度衰减较慢，保证了气流的有效射程，从而保证了工作区域温度的控制精度，对能量利用效率更高。在模具车间的实际运行效果也验证了纤维织物布风系统精确的温度控制，均匀的温度场，为精密模具的制造提供了必要的外部温度环境保障。

参考文献：

[1]唐仁奎，许艳英.注塑模具技术现状与发展趋势[J].科技风，2010，12.

[2]陈露，郝学军，任毅.高大空间建筑不同送风形式气流组织研究[J].北京建筑工程学院学报，2010，4.

[3]杜肯索斯（上海）空气分布系统有限公司.气流组织形式研究及出风模式选型[R].

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关键词：曲轴；全纤维；锻压工艺

中图分类号：TS913文献标识码： A

引言

锻压这是制造业之中金属成形和加工的一种十分重要的生产手段，其不仅仅可以赋予产品一定的结构形状，而且能直接起到改善和提高产品组织性能的作用。随着科学的发展和工业化程度的提高，而锻压技术也获得一定程度的进步以及更新，当前不仅仅可以在常规金属材料加工之中有着十分重要的作用，同时其也可以在种种高合金钢、稀有金属合金、粉末冶金等等特种材料同产品的生产之中发挥着相当重要的作用。

1、曲轴概述

曲轴是发动机中重要的旋转件，主要功能是把各个活塞组件传来的压力转变为转矩，通过传动装置驱动车辆行驶；与此同时，还要驱动发动机的配气机构及其他辅助设备和电气装置。由于气缸内的压力作用是连续的，曲轴所受扭转则是波动的，因此旋转中伴随有较为激烈的振动。因此曲轴在工作中除了正常磨损外，还会出现其他一些损伤，影响发动机的正常工作。

全纤维曲轴是将一根圆形钢棒，放在一套专用的模具内挤压而成。由于这种曲轴具有连续不断的金属纤维，大大提高了它的抗冲击和耐疲劳性能，延长了使用寿命，并可节约一半左右的钢材，减少70%加工时间。

曲轴的全纤维锻压工艺最初是由法国R.Raede-err研究成功的，近十余年来已有许多国家先后引进此项新技术并予以采用。它是目前一种先进的曲轴锻造工艺方法。全纤维锻压工艺是利用曲轴本身的形状特点，在专用的模具内，借助墩粗和弯曲的联合工序，将一根加热了的圆形坯料分拐进行锻压。成形过程可用下面示意图(图1)来说明

图1曲拐成形过程示意图

2、曲轴的全纤维锻压工艺简介

2.1、全纤维锻造工艺模具设计

以18×64mm曲轴为例，可以看出，除了耳板两端螺栓孔之外，其余表面皆为净锻表面。拔长型槽设计(计算从略)。拔长坎部高度a=22mm，长度c=30mm，宽度B=60mm，深度h=30mm.(2)滚挤型槽设计。滚挤型槽高度计算如表2所示。滚挤型槽钳口部分尺寸:n=0.2d坯+6=12mm；m=(1～2)n=24mm、取m=25mm；R=0.1d坯+6=9mm、取R=10mm；宽度B=60mm.。切断型槽使用后切刀，其可以布排在锻模左后方，15°斜排。为了确保锻造之时错移量最小，其可以较为便捷安全操作，同时也可以尽量节省锻模材料。因为连接环材料其实20MnVB钢，而其工艺性能比较好，形状简单是对称弯曲形，也可以大批量生产，为了可以便于操作，方便模具制造，不断提升生产效率，因为使用分开式摆动凹模结构弯曲模，

2.2、全纤维锻压工艺锻成的曲轴的优势

采用全纤维锻压工艺锻成的曲轴,与普通自由锻造曲轴相比主要有下面两大优点:1.曲轴的机械性能特别是耐疲劳和耐冲击性能得到改善。这是由于金属纤维连续不断、钢锭中心部分与曲轴中心基本一致、加工后不外露以及可用较小钢锭进行锻压等特点所致；机械加工余量小,节约了大量的材料和加工工时。这主要是山于曲拐能用锻造方法成形。此外,还具有废品少、生产率高、劳动强度低等优点。它适合于具有一定批量的中、大型曲轴锻造,很多国家用来锻造内燃机车柴油机、船用发动机等曲轴。

2.3、镦锻工艺过程典型阶段

坯料的外形变化曲轴成型过程中,其塑性流动大致能分为三个不同区域,即曲柄、主轴径和曲柄销区。曲柄销区受上下冲头的夹紧作用,随冲头向下运动,基本上为无变形的刚体运动,而主轴径区也由于曲柄成型模块的夹紧作用,做水平刚体运动。曲柄区则是两刚性区间的过度去,其速度模式完全受该两区域运动的影响,在靠近曲柄销的材料以向下运动为主,并且自上向下逐渐加强;主轴径附近的材料自于该区的运动类似,并且从上往下逐渐减弱;曲柄中间区域的材料受曲柄销和主轴径运动的复合作用。随着变形过程的进行,曲柄销与主轴径逐渐形成偏心,而曲柄区域则被镦粗。曲柄区域的塑性流动能从图2清楚看出,由于两镦粗端的摩擦约束作用,曲柄部分各横截面的x向运动以中截面B-B为最大,但对于整个曲柄区沿y向下运动明显占优,这样截面由初始圆形逐渐变为椭圆。B-B截面的水平镦粗效果最大,到第594步,在该截面处首先与模腔发生接触,至此曲轴的成型过程以此时为标志分为自由成形和限制成形两个阶段。从图2看出当曲柄中截面与模腔发生接触时,由于接触部位的约束作用,使得该截面的塑性流动分为上下两部分,上部的材料向上流动明显加大,而下部的向下流动略有增加,但是因为材料向下运动速度比向上运动要快得多,所以模具的下腔首先充满。同时,由于此时曲柄销与主轴径之间的偏心也较大,曲柄部分的材料受曲柄销与主轴径运动的影响也越来越小,开始向尚未充满的区域流动,直至变形过程结束。

图2不同阶段的A-A,B-B,C-C截面网格图和纵向剖面网格图

2.4、高温结构材料的锻压

加工钛铝合金因具有低密度、高刚性及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力等特点而作为高温结构材料已得到广泛应用,且近年来不断开发出新的品种。锻压加工在提高此类材料性能方面发挥着重要的作用,如对Ti-10V-2Fe-3Al,可通过在其α+β区进行50%的锻压形变和适当的热处理,使原β相粒子沿锻压延伸的纵向伸长,而初生的α相则均匀分布,从而使合金实现强度和韧性的有效组合;对含Nb8.5%且具双相组织(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),经1 280℃/2 h保温处理后进行变形量约为78%的锻压加工,由于Nb原子的固溶强化及高温稳定性的发挥,其室温和高温强度均明显高于普通钛铝合金。又如对在含少量Mo、V及Ti的基础上再添加微量Nb所形成的第三代微合金钢,可通过一定的模锻工艺及随后的迅速冷却而获得细晶组织,其间氰化铌的弥散沉积取代了模锻过程中钢的再结晶,而快速冷却则有利于均布碳化物的马氏体结构的形成。目前,瑞典的沃尔沃汽车公司生产的模锻件已有50%采用这种微合金钢。

2.4、滑座和底座

材料均为55号铸钢，滑座每只重4吨，底座重4.5吨。左、右滑座在上压模斜面的作用下，沿着底座上的导轨向中间移动，产生水平压力，对坯料进行徽粗。上压模和滑座间，滑座和底座间的接触面，是高压下的滑动面，在材料和制作上要求较高。在上压模和滑座之间先采用球铁和45号钢作为摩擦面，因材料太软都伤很大，以致于受力不均，发生过滑座和底座导轨咬合不能滑动的现象丫后来一律采用55号铸钢，刮伤现象大大减轻。滑座和痛担导轨也同样一律采用55号铸钢，情况良好。

2.5、坯料的加热

在专用的加热炉中分段加热，加热一次压一个曲拐。在专用的加热炉中分段加热，加热一次压一个曲拐。入和取出。燃料为柴油，油泵压力1.6公斤/厘米2，压缩空气通过减压阀后喷出，压力为2公斤/厘米2。油压和风压均可调节。耗油量每小时约巧公斤。坯料采用快速加热法，从室温加热到锻造温度(1250℃)需45分钟。

2.6、吊具

坯料是由吊具来操纵的，坯料一端放入吊具孔内，用螺钉固紧，吊具上有三个互成120“的吊环，通过吊钩吊在横架上的一端，横架的另一端挂一吊钩，吊住坯料，其部位视实际情况而定，只要使坯料处于水平和不妨碍操作。横架吊在天车上。吊具上三个互成120。的吊孔是为了使被吊的坯料在入模内前处于比较正确的位置以便于操作。

2.7、校验

由于坯料长而重(坯料长4059毫米，锻好后长2442毫米，重700多公斤)；工艺上是局部加热，分段多次锻造；再加上吊运和锻压时的一些因素，因此锻件有弯曲。据测量，主轴颈弯曲最大有7到8毫米，所以需要校直。校直工序是把锻件加热到700oC左右，在校直模中对主轴颈进行校直。校直模如图12所示。下模放在水压机工作台上，上模由天车吊起进行局部校直。

3、结语

全纤维锻造工艺合理控制流线分布，使纤维分布与应力方向一致，加工过程中尽量不切断流线，使连接环以全纤维状态承受工作载荷从而大大提高使用寿命。该工艺已得到工厂应用验证。

参考文献

[1]王纪武,刘庄,王本一,石伟.曲轴全纤维成形的三维有限变形弹塑性有限元模拟[J].大型铸锻件,1998,03:6-9+35.

[2]何文武,张学忠,刘建生,郭会光,卢志永.大型全纤维曲轴的镦锻成形工艺研究[J].大型铸锻件,2008,03:1-3.