模具毕业论文

模具毕业论文 摘要 随着经济的发展，粉末冶金技术应用范围越来越广泛，在国民经济各部门中，几乎都有模具加工生产，它不仅与整个机械行业密切相关，而且与人们的生活紧密相连。由于粉末冶金工艺具有生产效率高、质量稳定、成本低以及可加工复杂形状工件等一系列优点，在汽车、轻工、电机电器、家用电器，航天航空，以及日常生活用品等行业应用越来越广泛。随着工业产品的不断发展和生产技术水平的不断提高，粉末冶金模具作为现代高速成型技术在工艺装备中起到越来越大的作用。 本次设计了一套压孔)落料的模具。本课首先要对压坯进行压制前工艺分析，经过工艺分析和对比，采用单向压制工序，通过对压坯密度、质量、高度与外径等的计算，初步确定芯棒、阴模与模冲的类型。再分析对压坯加工的压机类型选择所需设计的模具。得出将设计的模具类型后将模具的各工作零部件设计过程表达出来，画出模具各零件图和装配图。 本次设计阐述了粉末冶金模具单向压制结构设计及工作过程。本模具性能可靠，运行平稳，提高了产品质量和生产效率，降低劳动强度和生产成本。 关键字:粉末冶金;偏心轮;模具设计。 With the development of economy, powder metallurgical technology is widely used in national economic sectors, almost all mold processing production, it is not only closely related with the machinery industry, but also closely connected with people's life. Because of powder metallurgy process with high efficiency, stable quality, low cost and can be processed with complicated shapes advantages, such as cars, light industry, motor in electrical appliances, household appliances, aerospace, and daily necessities, etc. With the continuous development of industrial products, and constantly improve the level of production technology, powder metallurgy mould as modern high-speed molding technology in the process of equipment have played more and more important role. The design of a hole, blanking mould. After data access, first to press before suppressed process analysis, the process analysis and contrast, using one-way pressing process, based on the quality, density, press with diameter of such height, preliminary determination of rods, Yin mold and die. To analysis the press processing machine type selection for the design of the mould. The design that will die after each type of work will die parts design process, draw the part of assembly and die. In this paper the design of powder metallurgy mould pressing structure design and work one. The mould reliable performance, stable operation, improve the quality of our products and production efficiency and reduce labor intensity and production cost. Key words: Powder metallurgy, Eccentric, Mould design. 摘要…………………………………………………………………………I ABSTRACT…………………………………………………………………II 1.绪 论……………………………………………………………………1 1.1模具技术的发展………………………………………………………1 1.2模具工业在国民经济中的地位………………………………………2 1.3粉末冶金模具的现状…………………………………………………2 2.粉末冶金模具设计及方法 ……………………………………… 4 2.1概述……………………………………………………………………4 2.2偏心轮模具设计原理…………………………………………………5 2.2.1压坯设计………………………………………………………5 2.2.2压坯密度分布于压制方式选择………………………………9 3成型模结构设计………………………………………………………11 3.1压制上面的选择………………………………………………………13 3.2补偿装粉………………………………………………………………15 3.3成型模结构基本方案…………………………………………………16 3.4成型模主要零件的连接………………………………………………17 3.5浮动结构………………………………………………………………20 3.5.1弹簧浮动………………………………………………………20 3.5.2摩擦浮动………………………………………………………23 3.5.3气压浮动………………………………………………………23 3.6脱模复位结构…………………………………………………………25 3.6.1带下顶缸压机的脱模装粉结构………………………………25 3.6.2无下顶缸压机的脱模装粉结构………………………………26 3.7调节装粉结构…………………………………………………………26 4.整形模结构设计………………………………………………………28 4.1整形方式的选择………………………………………………………28 4.2整形模结构基本方案示例……………………………………………30 4.3送料机构………………………………………………………………31 4.3.1装料机构………………………………………………………31 4.3.2料仓……………………………………………………………33 5 偏心轮模具主要零件的尺寸计算…………………………………35 5.1尺寸计算方法…………………………………………………………35 5.1.1径向尺寸的计算………………………………………………35 5.1.2偏心轮模具径向尺寸计算……………………………………39 5.1.3配合精度………………………………………………………40 5.1.4轴向尺寸计算…………………………………………………41 5.1.5偏心轮轴向尺寸的计算………………………………………43 5.2工艺参数及其影响因素………………………………………………39 5.2.1金属粉末的松装密度的及其影响因素………………………39 5.2.2压坯的回弹率及其影响因素…………………………………40 5.2.3烧结收缩率及其影响因素……………………………………41 5.2.4整形余量和回弹量及其影响因素……………………………43 6 偏心轮模具零件的设计………………………………………………50 6.1主要零件的设计………………………………………………………50 6.1.1模具主要零件的一般要求……………………………………50 6.1.2成型阴模的镶拼形式…………………………………………52 6.1.3主要零件的材料………………………………………………53 6.2辅助零件的设计………………………………………………………53 总结…………………………………………………………………………56 参考文献……………………………………………………………………57 致谢…………………………………………………………………………58 附录 第1章 绪论 1.1模具技术的发展 1.1.1模具在现代工业中的地位 在现代工业生产中，模具是重要的工艺装备之一，它在铸造、锻造、冲压、塑料、橡胶、玻璃、粉末冶金、陶瓷制品等生产行业中得到了广泛应用。由于采用模具进行生产能提高生产效率、节约原材料、降低成本，并保证一定的加工质量要求，所以，汽车、飞机、拖拉机、电器、仪表、玩具和日常品等产品的零部件很多都采用模具进行加工。据国际技术协会统计，2000年产品零件粗加工的75 %，精加工的50 % 都由模具加工完成。 在世界上一些工业发达国家，模具工业的发展是很迅速的，据有关资料介绍，某些国家的模具总产值已超过了机床工业的总产值，其发展速度超过了机床、汽车、电子等工业。模具工业在这些国家已摆脱了从属地位而发展成为独立的行业，是国民经济的基础工业之一。模具技术，特别是制造精密、复杂、大型、长寿命模具的技术，已成为衡量一个国家机械制造 [1]水平的重要标志之一。 1.1.2模具工业在国民经济中的地位 模具在现代生产中，是生产各种工业产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原材料成形。例如，冲压件和锻件是通过冲压或锻造方式使金属材料在模具内发生塑性变形而获得的:金属压铸件、粉末冶金零件以及塑料、陶瓷、橡胶、玻璃等非金属制品，绝大多数也是用模具成形的。 由于模具成形具有优质、高产、省料和低成本等特点，现已在国民经济各个部门，特别是汽车、拖拉机、航空航天、仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工日用品等工业部门得到极其广泛的应用。据统计， 利用模具制造的零件，在飞机、汽车、拖拉机、电机电器、仪器仪表等机电产品中占60,,70,;在电视机、录音机、计算机等电子产品中占80,以上，在自行车、手表、洗衣机、电冰箱、电风扇等轻工产品中占85,以上。据国际生产技术协会预测，到2000年，机械零件粗加工的75,和精加工的50,都将由模具成形来完成。模具技术，特别是制造精密、复杂、大型、长寿命模具的技术，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。 1.2我国模具技术的现状发展 尽管我国的模具工业这些年来发展较快，模具制造的水平也在逐步提高，但和工业发达国家相比，仍存在较大差距，主要表现在模具品种少、精度差、寿命短、生产周期长等方面。 为了促进我国冲压模具技术的发展,从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新技术与冲压模具等方面分析了我国冲压模具的技术现状。结果表明:经过几十年的发展,我国的冲压模具总量位居世界第三位,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模,用CAD/CAM/CAE软件进行三维设计和模拟,靠高速、精密的加工设备生产,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光,提高模具质量。这 [1]些都代表了冲压模具发展的趋势。 1.3 粉末冶金模具的现状 80年代后，我国的一些主要粉末冶金机械零件生产企业，先后从 日本、欧洲及美国引进了高压缩性雾化铁粉成套雾化装备，铁粉精还原炉，卧式雾化铜粉装置，机械式与液压式粉末冶金压机，网带式、推进式及步移梁式烧结炉，氮基气氛装置，水蒸汽处理炉，连续式双金属带材和CM(DU)带材生产线，喷撒法生产铜基摩擦片生产线，以及铁基结构零件、微型精 密铜基含油轴承，电机车受电弓滑板，铜基过滤元件，铜基摩擦材料，双金属带材和CM(DU)带材等的制造技术。通过消化、吸收这些引进技术与设备，有力地推动了我国粉末冶金机械零件工业的技术进步，使其生产技术水平有了明显提高。例如:1.hl含油轴承洗衣机、电机用含油轴承1983年以前全部从日本进口，1987年北京粉末冶金工业公司实验厂试制成这种轴承后，挡住了进口。现在该厂年产量数以百万计，微型精密含油轴承是音像机器和微小型电机不可替代的关键零件。我国生产这种含油轴承的能力已超过2亿件/年，材料有铜基、铁基及铁铜合金等。 80年代后期，我国家用电冰箱生产发展迅速。电冰箱的心脏是压缩机，而压缩机的一些主要零件都是用粉末冶金制造的，诸如往复式压缩机中的连杆、活塞、轴套、阀板，旋转式压缩机中的缸体、缸盖、平衡块、叶片等。现在宁波粉末冶金厂等一些厂家已能批量生产这些零件。这些零件是由易切削铁粉制造的。易切削铁粉的主要添加剂MnS，国内已研制成功，并开始小批量生产。宁波粉末冶金厂经过4年研制，已试制成功大发车的曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮、平衡块、主动与从动链轮，止推板等，有的零件已进入批量生产阶段。上海粉末冶金厂为上海桑塔纳轿车配套的粉末冶金零件17种33件，已有14件(包括二次配套件)先后投入批量生产。 飞速发展的粉末冶金制品，也给模具制造带来了飞速的发展。有单一的整体式的模具到复杂的组合式的模具一应俱全，产品数量直线上升。这就为现在的模具设计提出了新的要求:高的寿命，高的强度，高的耐磨性，高的韧性，高的耐热性等。这就给设计工作者提出了更高的要求。这不仅要求对模具制造工艺了如指掌，而且要对材料的性能及特点非常熟悉。国外在偏心轮模具制造方面已经实现自动化，我国也已向这方面迈进。不久 [1]的将来我们可完全掌握全自动化加工工序。 2.粉末冶金模具设计原理与方法 2.1 概述 粉末冶金主要工序之一是粉末成型，其模具设计是粉末成型的基础，粉末冶金模具又是综合了冶金和机械两方面知识形成的独立类型。本章将着重从粉末冶金原理方面论述粉末冶金模具的设计。 为了发挥粉末冶金工艺具有的材料消耗低、少、无切削，生产效率高等特点，形成了众多的粉末成型的方法，其模具种类也多种多样，应用最广泛的是压模、精整模、锻模。 粉末冶金模具设计关系到制品生产的质量、成本、安全、生产率和自动化等问题，从而提出了对模具设计的基本原则: (1)保证坯件达到几何形状、精度、和表面粗糙度、坯件密度及其分布等三项基本要求。 (2)合理设计模具结构和选择模具材料。保证模具零件具有足够高的强度、刚度、硬度、高耐磨性和使用寿命，便于操作调节，安全可靠，尽可能实现模具自动化。 (3)注意模具结构和零件制造的可加工性和成本问题。逐步实现模具的通用化、系列化、采用通用模架和通用零件，提高设计效率，实现部分模架零件的批量生产，提高模架质量，降低模具总成本。 粉末冶金模具设计的基本方法: (1)掌握有关设计资料，作为模具设计依据。包括制品图纸及技术要求，制品生产批量及工艺流程、工艺参数、压机类型及技术参数;模具加工设备及能力;了解模具在使用中曾出现的问题等。 (2)根据制品图纸进行压坯设计，选择压机和压制方式，设计模具结构图纸，分析是否适于用粉末冶金方法生产。 (3)模具材料选择及要求，由于压模、精整模、锻模、都是在较高压力下工作，模具工作表面要承受严重饿粉末摩擦，特别是锻模在较高温度 下工作，承受冲击载荷。因此，主要模具零件材料应具有高强度、高硬度和高耐磨性;高的刚度和小的热膨胀系数;优良的热处理性能和一定韧性;较好的机加工性能。 粉末冶金模具的主要零件为;阴模、芯模、模冲。 阴模材料一般用工具钢、低合金工具钢、高速钢和硬质合金。 芯杆材料可选择与阴模材料大致相同。只是热处理硬度低于阴模，特别对细长芯杆更具有较高韧性。 模冲的工作条件主要要求材料具有良好的韧性，一般选择低合金工具钢、碳素工具钢、青铜等。辅助零件模套、压垫、模座、顶杆、控制杆、模板等选用45号、50号或40Cr、GCr15。 锻模材料要求高温强度高，热处理后硬度比压膜低。一般采用3Cr2W8V、4Cr5W2VSi、5Cr4W5MoV等模具钢。 (4)模具主要零件尺寸的计算方法，关键在于正确选择设计参数(如弹性后效、烧结收缩率、精整余量、机加工余量)。由于粉末成分和性能、工艺条件和设备不同，实际生产中会引起设计参数的一定变化，要求在选择是留有可调节的余地才能保证模具零件尺寸计算准确。 (5)绘制模具装配图和零件图，合理提出模具加工技术要求。[1] 2(2模具设计原理 2.2.1压坯设计 压坯设计定着一种零件能否采用粉末冶金方法压制成型。它是粉末冶金模具结构设计的主要依据之一，而且是推广粉末冶金制品的重要环节。压坯设计主要包括压坯形状设计。压坯精度设计和密度设计。 1压坯形状设计 采用粉末冶金零件代替普通机加工零件时，除了技术上满足原零件的设计和使用要求外，还要考虑零件外形能否由粉末压制成形，这就需要把零 件设计成适于压制的粉末压坯。粉末压坯形状设计，一般是从以下五个方面考虑进行设计的。 ?从粉末均匀充填; ?粉末压制有无困难;?脱模有无困难; ?压模结构和强度耐用;?简化压模结构和制造。 在压模形状设计中，一方面要充分发挥少，无切削的工艺特点，在压制条件许可，尽可能设计出与零件相同或相似的压坯，以减少补充机加工和粉末的浪费;另一方面从零件质量要求 压制过程特点和压模结构 使用寿命等方面分析，避免出现难压和不可压形状。从而达到简化压模结构，减少模具费用，提高压模使用寿命和压坯质量的设计目的。 2(压坯精度设计 压坯精度设计主要是尺寸精度和位置精度的确定。 由于粉末压制成形特点，在尺寸精度确定时，我们把粉末冶金零件不同位置尺寸分为 ,、,两个尺寸级别如图2-1所示;这两个不同尺寸级别的零件在通过不同最终工序处理后所获得的精度极限值分别如表2-2-1所示。 图2-1 关于粉末冶金零件两种不同级别尺寸的示意 a表示依赖于模具的尺寸 b表示依赖于压力和模具的尺寸 表2—1按图2—1所确定的尺寸级别a和b的精度(尺寸为18,30mm) 通常获得精度等级极限值(um) 最终工序 按图2—1的尺寸 精度 高精度 中等精度 较低精度 精整、整形a 13 52 ----- 和某些沉 淀硬化处b ----- 33 130 理 烧 a ----- 52 210 结 b ----- 84 520 淬 a ----- 52 520 火 b ----- 130 520 应该指出，粉末冶金零件的径向尺寸精度是比较容易达到高精度要求的，而轴向尺寸精度比较难控制，这与材料成分、粉末性能、压制烧结条件、精整方式以及模具结构设计参数、模具材料等因素有关。复压复烧态零件，径向尺寸精度9-10级;经自动全精整或复压的小零件，轴向尺寸偏差约为0.03-0.05,,;在自动压制压坯的轴向高度偏差约为?0.10-0.15,,.压坯上依赖模具尺寸的a级尺寸精度，一般必须在模具设计尺寸精度高一级条件下才能达到。总之，采用粉末冶金的压制-烧结-精整工艺制取的高精度零件比采用普通机加工方法来支取是很经济的。 常见的粉末冶金零件的位置精度，有同轴度、平行度、垂直度和圆跳动等。自动压制时，轴套类压坯的同轴度偏差可控制在0.02,0.03mm内，相当于7,8级精度。采用全精整时，在平行于压制方向的压坯侧面，其平行度可达7,8级，在垂直于压制方向的压坯上下端面，其平行度精度只能达9,10级。一般条件下，压坯垂直精度为9,10级。压坯的表面粗糙度主要取决于模具工作表面的粗糙度，也与粉末性能和工艺条件有关。平行于压制方向压坯侧面的粗糙度较低，不精整时可达Ra 0.4,1.6，精整后可达Ra 0.1,0.4;压坯的端面和锥形、球形侧面，由于精整时它们与模壁之间玩明显的相对移动，所以粗糙度仍为Ra 0.4,1.6。 3.压坯密度设计 压坯密度设计关系到零件的物理和机械性能及使用性能，而且对压坯形状、精度设计产生很大影响，压坯密度主要根据零件使用条件和物理、机械性能来确定。 粉末冶金铁基零件密度可分为下列四类: 3分类 密度(g/cm 孔隙度(%) 单位压力(Mpa) ) 低密度零件 <6.3 >20 <45 中密度零件 6.3—7.1 9--20 450---825 较高密度零件 7.1—7.6 2---9 >825 液相烧结和浸透工艺制高密度零件 >7.6 <2 作 由此可知，粉末冶金方法可以满足多种使用性能零件的要求。它可以制作多孔材料，也可以制作接近理论密度的高致密度零件，满足高负荷下使用零件对强度、韧性的要求。 应该指出，制作高密度零件，往往还需采用合金化热处理和热锻等工艺，这样不仅增加制造成本，而且使零件形状和精度受到限制。一般来说，三者之间关系为:低密度零件，形状可以复杂些，精度也可以高些;高密度零件，形状和精度都要相对降低。同时，在设计各种坯件时，应注意压力中心问题。 应当使压坯的压力中心与阴模外形的中心]模冲承压垫板的中心以及 压机的压力中心重合。否则，会产生额外的弯距，使压机活动横梁台面歪斜，加剧导柱的磨损;并使上、下模冲承受额外弯距，轻则使配合间隙分配不对称，划伤模壁，重则使模冲弯断。对于几何形状对称的截面，其压 力中心即为几何中心;对几何形状非对称截面，其压力中心应是截面的重心。 2.2.2压坯密度分布与压制方式选择 压坯密度的均匀性，是大压模设计要解决的主要压制质量指标。 在压制过程中，影响压坯密度分布均匀性的因素较多，除了粉末成份、性能及模具表面质量外，主要有两个方面:一是由于与模壁之间的摩擦所引起的压坯密度不均匀分布，它与压制方式有关。另一是当模腔中的粉末同时受到压缩时，粉末体产生柱式流动，几乎不产生明显的横向流动，所以压坯密度分布的均匀性还与模腔内各部分粉末装填高度、压缩比、压缩速率或最后压缩速度有关，这些都可以通过压制工艺参数来控制。 由于粉末与模壁之间的摩擦，所引起压坯密度无论是在高度还是横截面的分布都是不均匀的，特别是随着压坯高径比的增大引起的压坯密度沿高度方向的不均匀越来越大。但是压制方式不同，压坯密度分布有很大差别。 单向压制时，压坯密度分布很不均匀，如果采用双向压制中的非同时双向压制或摩擦芯杆压制，可以显著改善压坯密度分布的不均匀性。 明确了压坯密度分布与压制方式之间的关系后，要解决压模设计中压坯密度分布的均匀性，必须根据压坯的形状、高径比、生产批量和压机选择压制方式和压模结构类型。 (1)当圆柱体压坯的高径比H/D?1时，圆筒形压坯的高壁厚比H/T?3时，可采用单向压制和单向压模; (2)当H/D,1或H/T,3时，则通常采用双向压制和双向压模; (3)当H/T,4时，最好采用压制时芯杆和阴模能相对移动的压模; (4)当H/T,6,10时，可采用摩擦芯杆压模或压制时阴模、芯杆和上模能相对下模冲移动的压模结构。一般浮动芯杆的移动速度约等于阴模 移动速度二分之一。但上模冲的移动速度要比阴模和芯杆大，才能保证压坯密度分布均匀。 如图所示偏心轮压坯的高经比H/D,8/45,1可采用单向压制和单向压模。 AA AA 3 成型模结构设计 成型模结构设计的原始依据可按如下几点确定: (1)压坯形状、精度和粗糙度由压坯工艺确定。 (2)生产方式是机动还是手动，由生产批量和产条件确定。 (3)压制方式采用哪一种，由压坯形状和密度均匀性要求，以及模具结构的复杂程度确定。 (4)采用何种压机由压制压力，脱模力和压制行程，工作台面积，以及模具特殊的动作需要等因素来确定。 成型模设计结构时，按如下顺序进行: (1)压制上面的选择压坯在压制时那个面向上，这需综合各方面的因素比较来确定。这些因素诸如侧正面积弊、密度的均匀性、压制压力、压坯精度、装粉模具以及磨具加工等。 (2)补偿装粉的考虑 对于压制方向变横截面的压坯，为了使压坯的不同部分压制密度均匀，应该采用何种组合结构(选择合理的分形面)达到补偿装粉的目的，以便待到基本相同的压缩比。 (3)脱模方式 对无台阶的压坯，是考虑采用顶出式(下模冲将压坯订出阴模)还是拉下式(下冲模不动，将阴模拉下，脱出压坯)。对于带台阶件，球面件、螺旋面件，以及多平行孔件，需要从模具结构上来解决问题。 (4)构方案的确定 根据压坯的形状、压制方式、脱模方式、补偿装粉的要求和轧机具有的动作来确定模具结构方案。最好画出结构简图。 (5)计算装粉结构和阴模壁厚 根据压坯高度和选择的压缩比，算出装粉高度、阴模壁厚，对于中心根据结构或习惯用途来确定，一般阴模外径与内经之比为2—4;对于较大的阴模，则应根据强度和刚度条件来计算。 (6)绘制结构总装图 先汇出压坯图，以它为中心，现纵向后横向，逐 步向外展开。先画出阴模、芯棒和上下模冲。根据已选定的结构方案及具体结构上的需要(如脱模连接 上下定位、导向、强度和刚度等)逐步画出其它零件。 结构设计主要考虑以下几个方面的问题: (1)主要零件的连接方式 阴模、芯棒和上下模冲的连接，要考虑使用中安全可靠，安装拆卸方便，结构尽可能简单，材料节约和整体美观等。 (2)浮动结构 根据不动的压制方式和补偿装粉的要求，往往需要阴模、芯棒和上下冲的浮动。浮动的力可用弹簧，摩擦，气动和液压等产生。更具具体要求和条件来设计浮动结构。 (3)脱模复位结构 根据压坯的形状和压机具有的动作来设计脱模和复位，一般有统一结构方案来确定，隐没要保证压坯的良好，动作的准确可靠，在机械压机上复位动作要求准确。 (4)调节装粉结构 由于粉末的松装密度在生产过程中会有一定范围的变动，在模冲结构设计中，要考虑如何实现调节装粉，型腔的深浅，尽可能实现连续微调，并操作上方便。 此外在结构设计上，还应注意一些其它问题: (1)工艺性 模具设计必须考虑加工工艺。例如:有电风设备时，可采用整体阴模，否则改用并模结构。 (2)经济性 这是多方面因素指标。例如:结构复杂程度与批量和生产效率结合在一起考虑;减少零件加工量，同时要考虑为节省优质材料而增加零件的加工量;为了延长模具寿命，采用优质材料，或增加优质材料的零件。 3.1 压制上面的选择 如图表3—1 压制上举 例 面选择 依据 妥 不 妥 避 免 横 空 便 于 脱 圆 弧 模 面 不 在 侧 面 减 利 小 于 长 压 细 坯 比 密 度 凹 均 坑 匀 朝 下 凸 脐 朝 上 外 台 自阶 动朝 压上 制 时 便内 于台 补阶 偿朝 装上 粉 薄 壁 斜 仿台 型朝 装下 粉薄 的壁 需圆 要 弧 朝 下 避外 免锥 锥大 面头 压朝 制上 皱 纹 内 锥 小 头 朝 上 3.2 补偿装粉 3.2.1 补偿装粉的作用 对于沿压制方向横截面的压坯，由于金属粉末压制时侧向流动性差，若无补偿装粉，则不同压坯各部分的压缩比相差较大，造成密度严重不均。为使压坯不同高度处的压缩比大致相同，对于高度大的部分，应多装些粉料。为此，模冲必须按压坯不同高度，分成若干个，各模冲装粉面的相对位置差要比压制后的大。压制过程中，各模冲间的相对位置发生变动，以结构上来说，大多数情况下，一个模冲在压制过程中不动，其余模冲或在压力作用向下浮动，在接近压制终了时，坐落到某刚性物体上，由压机的 下压缸带动向上压制。 对于压坯各部分高度差小于压坯最小高度的1/5时，可不必采用补偿装粉。对于必须采用补偿装粉时，不同高度的各段，可各自按相同的压缩比来计算装粉高度，以压制过程不动的模冲为基准，再去确定其他模冲的位置。实际压制过程中，由于不动模冲段的粉末先压缩，浮动部位后压缩，粉末有少量侧向流动，先压制的粉末向后压部分流动，改变了各段的实际压缩比，造成密度不均，为此，从结构上，浮动模冲的起始位置应该可以调节，使压坯实际密度趋于均匀。 3.3 成型模结构方案 根据压坯的形状、压制方式、脱模方式、补偿装粉的要求和压机具有的动作来确定成型模结构的基本方案 3.3.1 压坯形状分类 从模具结构特点出发，将压坯形状分成五种类型。其他类型是基本类型的组合。 如图表3—2 名 称 示 图 实 无 台 体 阶 柱 有 体 类 孔 带 台 带 阶 外 圆 台 柱 阶 体 类 带 内 台 阶 带 内 外 台 阶 偏心轮属于无台阶有孔的压坯形式 3.4偏心轮成型模主要零件的连接方式示意图 3--1偏心轮成型模结构 方案 双向压制，阴模由弹簧浮动实现，顶出脱模 3--2偏心轮阴模与模板和模座的连接 优点:结构简单，阴模用斜不必过大，模板上面平整 缺点:使用中不变拆卸，不能调头使用 3--3上模冲的连接 上模冲通过套装结构与垫板连接，压盖起强制阴模压下的作用 3--4偏心轮下模冲的连接 接触面便于精加工 3--5导柱与模板的连接 导柱与上模板的连接，该导柱以为拉杆;使用于自动压机拉下式压模。 3.5 浮动结构 模具的主要零件如阴模、芯棒和上下模冲都可浮动。浮动的作用: (1)减小压制时压坯与模壁之间的摩擦力，形成双向压制，双向摩擦压制等，以改善压坯密度的均匀性，降低压制压力。 (2)通过调节浮动量，达到调节装粉的目的。 (3)组合模冲的浮动，由于不同部位的粉末受压有先有后，借以改变原始装粉状态，获得与补偿装粉相当的效果，使压件不同部位的密度趋于均匀。 浮动力有: (1)弹簧力; (2)摩擦力; (3)气动力; (4)液体节流力。 3.5.1弹簧浮动 (一)阴模浮动 1. 手动模 手动模的阴模浮动，或是由浮动座来实现，或是由浮动模架来实现。 2.机动模 图3—6为所示适用于大截面压坯的阴模浮动结构。它由下模冲1定为导向，弹簧3托起，螺钉2限位，并可调节阴模位置。 3--6大截面压坯用的阴模浮动 1--下模冲 2--螺钉 3--弹簧 压制细长件的阴模浮动结构。其特点是弹簧安装在模板的下面。可充分的利用压机工作台的大孔，此外，阴模由导柱导套导向，该结构浮动量不能调节，适用于双向摩擦压制。 (二)芯棒浮动 图3—7所示为芯棒浮动结构该结构的芯棒1由弹簧5通过顶柱4托起浮动，由横穿的销钉3限位，用螺帽2来调节芯棒位置。 1 2 3 4 5 3--7芯棒浮动结构 1--芯棒 2--螺帽 3--销钉 4--顶柱 5--弹簧 (三)模冲及压套浮动 当压制带圆弧面件的组合模冲浮动结构时，内模冲浮动，螺钉限位。压制时内模冲先与粉末接触，靠弹簧力“虚压”粉末，改变原始的装粉状态，已达到使压件密度均匀化的目的。压制后期，弹簧被压缩，内模冲被外模冲限位，同时对粉末压实，而获得所需的圆弧面。图所示的是上模冲浮动，亦可当做下模冲，这是起到补偿装粉的作用。 1 2 3 3--8顶套浮动结构 1--弹力弹簧 2--顶套 3--上模 图3—8所示为后压作用的顶套浮动结构。顶套2由强力弹簧1顶起，压 制过程中，顶套推动阴模下压，形成双向摩擦压制，压制后期，由于摩擦力上升，强力弹簧被压缩，获得上模冲3相对于阴模下的位置，补偿了压坯上部密度的不足。 3.5.2摩擦浮动 当浮动为旁楔式摩擦浮动结构时。阴模的上下均靠粉末与模壁的摩擦。导套导向并限位。阴模有脱模时压坯带到最上位置后，靠旁侧弹簧顶紧的销钉楔住。阴模上相应的销钉孔中心应略偏低于销钉的中心，以保证与锥面的上部接触，托紧阴模，保持不变的最上位置。阴模上下浮动的距离可通过限位套来调节。 3.5.3气压浮动 用空气压力当作浮动力有以下优点: (1)压缩空气的作用相当于风动弹簧，但不需要弹簧那样大的轴向空间。 (2)浮动力可通过改变气压来调节，且比弹簧力稳定。 (3)与液压浮动力相比，清洁并密封性简单。 (4)可实现弹簧做不到的双向动作。设计两个气室，根据需要改变气路，可完成较复杂的动作。 其缺点是: (1)与弹簧相比，气缸、活塞加工要求高，并且有密封要求。 (2)与液压相比浮动力较小，并不能自润滑。 (3)浮动力大小受模具及压机尺寸的限制。 气动浮动时，气压约为6,8×105Pa。压缩空气需经过冷却、去水并适当的混入一些油雾。这样可保障气缸的清洁，良好的润滑，并防止生锈。在气路上应安装切断阀、压力调节阀和压力计等部分，以便操作和调节时用。 管路上的管接头处用小铜管，在移动处可用橡皮管。 气缸和活塞应采用一级精度的第一或第二种配合。粗糙度一般要研至Ra0.1以下。 气缸和活塞之间的密封可采用圆形截面的橡胶密封环，将密封环安装在凹槽中，凹槽深度约为密封环圆截面直径的0.9倍， 外圆柱表面上，便于密封环的安装。这种圆截面密封环在气缸与活塞有相对运动时产生滚动，一则减小了摩擦力，另则减小了密封环的磨损。由于滚动，故环移动的距离仅为活塞行程的一半，由此可得到槽宽应为活塞行程的一半加上环圆截面的直径。环的安装位置应根据活塞移动时，换的滚动方向来定(见图5—10) 一般境况下，气缸的气室只有一个进气口，在气缸气室外部的空间，要考虑模具动作时的排气问题，在适当之处开排气孔。 当活塞和气缸在闭合的极限位置时，气缸应有一定的环形空间，以便气压均匀的作用在活塞底部。 气动力根据使用要求，在计算时只要用气压来除，即可求的活塞面积。 图3—9所示为阴模浮动结构。 x X+3x x/2 + D 1 D 图3--9 阴模气压浮动结构1--阴模座 2--气缸 3--活塞 4--阴模 5--导板 气缸2安置在阴模1中，有活塞3将阴模4顶起，并有导板5限位。压制时，在压力作用下，克服气动力，强制将阴模压下，缸底受压力。活塞底部内外都有倒角，并有沟槽相通，以保持对活塞有均匀的压力。该结构轴向尺寸的定位均与浮动量x有关。 3.6脱模复位结构 脱模有顶出和下拉两种主要方式。不同压坯形状和不同的压机条件，应有不同的唾沫结构。脱模时的顶出距离应该准确，并可调节。 脱模完了后就需复位，对于顶出式即下模冲下降的复位;对于拉下式即阴模升起的复位。在冲床上自动压制时，每个压制时间很短，往往需要复位迅速，以满足装粉时间的需要。复位动作要求快而冲击小。每次复位的位置应重复性好，以保持装粉容量的稳定。 3.6.1带下顶缸压机的脱模复位结构 图3--10单顶杆脱模复位结构 1--下顶缸 2--顶杆 3--弹簧 4--下模冲 液压机一般有下顶缸的装置，大多数顶出距离可调，个别情况顶出行程不可调。 图3—10所示为单顶杆脱模复位结构。该结构简单，顶缸2与压机的 下顶缸1不必连接，脱模时下顶缸上升，通过顶杆将压坯脱出阴模。下顶模复位后，下模冲4通过弹簧3复位。它适于压坯面积较大，但高度较小的模具。 3.6.2无下顶缸压机的脱模复位结构 通用机械压力机一般无下顶缸装置，个别的液压机亦无下顶缸。为了自动压制，压机往往经过改装，模具与改装过的压机相匹配。有三种脱模复位结构，即拉钩式、拉杆式和凸轮式。 3.7 调节装粉结构 在浮动结构中，凡浮动升起的位置可调节的，就可改变阴模、芯棒与上下模冲之间的相对位置，从而达到调节装粉的目的。大多数情况下，调节装粉由浮动结构来完成。 图3—11所示为手动模妆粉座。它适用于压制带外台阶轴套的手动模。装粉时压套落在底座1顶端上，带台阶的芯棒落在螺丝2上，阴模落在调节套3上。根据粉末松装密度大的变化，可调节阴模、芯棒与压套之间的相对位置，使密度趋于均匀。 图3—12所示为靠改变垫圈1高度来改变阴模2位置，已达到调节装粉密度的目的。 图3--11 手动模装粉图 1--底座 2--螺丝 3--调节套 图3--12 垫圈调节阴模位置结构 1--垫圈 2--阴模 4 整型模结构设计 整形模的主要目的是提高压件的尺寸精度和降低粗糙度。整形是冷态下压件表面产生塑性变形的过程，以校正烧结过程中压件的尺寸差异及较大的收缩变形。整形时压件侧面有摩擦，借光滑的模壁降低压件的粗糙度。 根据压件的精度要求，确定是否需要整形。根据不同的压坯形状和尺寸精度，采用不同的整形方式。 整形方式有单整内空、单整外径、内外径同时整、全整形、复压和精压等。其中，内外径同时整用的最多，这种方式根据整形余量的不同分配，可分为外箍内、内胀外和外箍内胀三种情况，适用于不同的条件。全整形时高度压下率较小，以提高压件精度。复压时高度压下率大，以提高压件的密度。精压是以改变压件的形状，材质有一定程度的金属流动。 整形设计时，首先要确定整形方式，然后考虑模具的结构方案。 整形工序包括以下几个工步，即送料、压制、脱模和复位。 队以手动模，因送料和复位均为手动，故结构设计只要考虑压制和脱模的有关问题就行。如定位、导向、限位、脱模方式、安全、操作方便和生产效率等。 对于机动模则应结合压机来设计模具。要实现送料、压制、脱模和复位的自动循环。送料机构是自动整形的关键，它要实现压件自动定向、顺序并位置准确的送料。压制过程主要是根据所选择的整形方式来考虑阴模、芯棒和上下模冲的布局及动作，力的传递和模具的导向与定位。脱模和复位往往是同一动作，由同一机构来完成。 4.1 整形方式的选择 整形方式的种类和选择见表4—1 表4—1整形方式的种类和选择 种类 含义 简图 使用条件 内孔尺寸精度 单 要求3,4级，整 压件内孔留外径要求低时。内 整 形且压件D/d?孔 余量 1.5，壁厚 T>3mm 外径尺寸精度 单 要求3,4级， 整 压件外径留内孔要求低时。 外 整形余量，内且压件D/d? 形 径不整形 1.5，壁厚 T>3mm 压件外径留 整形余量，内 外 径基本无整内孔尺寸精度 箍 形余量。内径要求2,3级， 内 表面挤压是且压D/d<1.5， 靠外径整形壁厚T<3mm 时向内箍来 实现 压件内径留 整形余量，外 径基本无整 内 形余量。外径内孔尺寸精度 胀 表面挤压是要求2,3级， 外 靠内径整形且压D/d<1.5， 时向外胀来壁厚T?5mm 实现 4.2 整形模结构基本方案示例 整形模结构基本方案示例见表4—2 表4—2 整形模结构基本方案示例 结构特点 示 意 图 使用情况 1.直线送料，压件 有定位装置 单整内孔 2.有挡板限位 1.旋转送料，旋转 送料台有定位装 置。 单整外径 2.纵向通过式整 形 阴模出口端保持 棱角，压件靠外外箍内整形，芯径回弹量实现芯棒脱模力较小 棒脱模。 1.下模冲起顶出 脱模和定位接压 件的作用 2.压制时，下模冲全整形 向下浮动，座落 到实体上压实 3.先整外径，然后 内孔，最后高度 4.3 送料机构 4.3.1装料机构(料斗) 装料机构是接受成堆产品，并一件件的把它们按一定空间方位送出的机构。料斗式上料在大量、大批生产中用的很多，但要求产品重量小、尺寸小和形状简单。 料斗式上料装置的主要任务在于正确的解决产品的定向和生产率问题保障按需要供给机床以满足数量的零件。 偏心轮的送料机构(管式料斗)因其结构简单，易于重新调节，以适应另一种零件，即使零件充满料斗，也无碍料斗工作因而不需要剔除器。按其运动方式可分为旋转地往复的和复杂运动的。运动件可能是筛子，可能是料斗。偏心轮选用管式作往复运动的料斗。图4—1所示。 图4--1 管式料斗 1--料斗 2--料管 3--托脚 图4--2 防自锁条件的分析示图 当管子通过零件时，即有部分零件落入管中，来可以起搅动作用。设计管式料斗时，需要确定最适宜的外壳底面倾斜角、管子口径和收料缸型面进口角度。 为了使零件能流向管子，外壳与水平面所形成的角度应大大超过摩擦的自锁角。一般情况下选择夹角以40~45度为宜。 管控经对生产有很大影响，扩大管孔可改善零件落下的条件，因为零件以孔边为支点，借自重而翻入孔内的力臂可以增大。故管孔经应尽量的选大一些;它受到两个条件的限制，一是零件不能转动到可能卡住的状态，二是不允许两个零件同时进入管中。 要满足第一个条件，就必须保证零件转动后，其纵向剖面的对角线AB与垂直于管壁水平线的夹角β大于摩擦自锁角，即 β>α 式中 β———夹角; -1 α———摩擦自锁角，约为tg0.15~0.2 = 8.5 º ~ 11.5º 要满足第二个条件，使管孔经为外径的1.8~1.9倍，即 D=1.8~1.9d 式中 D——————管子孔径，mm; d ———零件外径，mm; 受料锥形面的进口角通常为30~40度即可。 4.3.2料仓(贮料结构) 料仓是贮存已在空间定向零件的地方。有预料都生产率非常严格不变，因此当料斗生产率提高时，可有料仓贮存零件;当料斗生产率降低时，料仓再把零件送机床的工作位置。 料仓上料的方法，可靠零件的自重和外力，偏心轮的料仓选用管式。管式料仓有立式的、弯管式的和卧式的几种。如图4—3—2所示，前两种靠零件自重送料，后一种借外力。 图3—3a所示为调解式。由软管和接头组成。其优点是装卸较方便，且可调节长短;但不适用于带尖刺的零件。此种料仓用于端部带倒角和园头的零件。当d<25mm,l<100mm,d/l约为0.12~1.0为宜。 弯管接A--A头管A道滚轮接软头管窗口 A (c)(b)(a) 图4-3 管式料斗(可调节式 ()不可调节式() 装有滚轮的管式料斗 图4—3(b)为不可调节式。适用范围基本与图3—3—3(a)相同，此外，还可以用于d<50mm，厚度b<10mm的片状零件。在弯管上常开有3,8mm的窗口，以备观察零件送落情况和消除故障。当管的斜度不开时，可装滚轮，(见图3—3(c))，便于运送零件。 直管料仓的孔径d可由下式计算: d = d，(0.5~1.0) (mm) 1 其中L按下式确定: L ?20L 式中 d———零件外径，mm; L———零件长度，mm. 弯管式料仓之孔则需取决于零件尺寸，使其能顺利下落。 第5章偏心轮模具主要零件的尺寸计算 模具主要零件指阴模、芯棒和上下模冲(包括压套) 5.1尺寸计算方法 5.1.1径向尺寸的计算 径向尺寸的计算，对于需要整形的零件，一般根据压件成品的尺寸精度要求，先计算整形模尺寸，然后根据整形模尺寸，计算成型模的尺寸;对于不整形的压件，可直接计算成型模尺寸。 从整形余量角度，可将整形分成正整形和负整形。所谓正整形，即留整形余量的整形;负整形是不留整形余量，靠压件变形产生挤压作用的整形。 (一)计算公式 1.整形模 (1) 阴模孔径D整 正整形 D = D , δ (5—1) 整最小1 负整形 D = D+ δ(5—2) 整最小 1 式中 D压件外径最小尺寸，mm ; 最小————— δ外径整形回弹量，查表。 ————————1 (2)芯棒外径d整 正整形 d = d + δ (5—3) 整最大2 负整形 d = d, δ(5—4) 整最大 2 式中 d————压件内孔最大直径, mm ; 最大 δ———— 内孔整形回弹量，查表5—5~5—8 2 2.成型模 (1) 阴模孔径D 成 正整形时，压坯外径留整形余量Δ，则 1 D= D( 1 + c , g)+ Δ(5—5) 成整 1 负整形时，压坯外径无整形余量，则 D= D( 1 + c , g) (5—6) 成整 不整形时， D= D( 1 + c , g) (5—7) 成最小 式中 D整形阴模孔径，mm ; 整———————— c ————烧结收缩率，% 查表5—4 ; g ———— 压坯回弹率，% 查表5—3 ; Δ外径整形余量，mm ;查表5—5~5—8 —————————1 D压坯外径最小尺寸，mm 。 最小———————— (2)芯棒外径d成 正整形时，压坯内孔留整形余量，则 d= d( 1 + c, g)+ Δ(5—8) 成整 2 负整形时，压坯内孔无整形余量，则 d= d( 1 + c ,g) (5—9) 成整 不整形时， d= d( 1 + c, g) (5—10) 成最大 式中 D整形芯棒外径，mm ; 整———————— c —————烧结收缩率，% 查表5—4 ; g —————压坯回弹率，% 查表5—3 ; δ内孔整形余量，mm ; ——————————2 d压坯内孔最大尺寸，mm 。 最大———————— 3.模冲 模冲外径按下式确定: D = D , e(5—11) 冲阴平均平均 d按下式确定: 冲 d =d + e(5—12) 冲芯平均平均 式中 D阴模孔径的平均尺寸，mm ; 阴平均——————— d芯棒外径的平均尺寸，mm ; 芯平均———————— e配合间隙的平均值，mm 。 平均————————— 公式5—11和5—12不论对成型模或整形模均使用。当阴模孔径D阴采用基孔制和芯棒外径d芯采用基轴制时，则模冲内外径相应的尺寸，可直接按配合种类及精度标注，而不必计算。成型模的配合间隙，可按表5—1配合种类确定。整形模的配合间隙根据不同的整形方式和模具结构来定，一般其间隙较成型模为大。 当压件为旋转体时，对于凸面和平面均按外径D公式计算;对于凹面按内径d计算。 (二)不同整形方式的计算: 1.外箍内 外箍内是外径留整形余量，内径无整形余量的一种整形方法。整形时， 压件套在整形芯棒上，然后一起通过整形阴模，由于压件外径整形时缩小，內孔也相应缩小，从而达到内外径同时整形的目的。 粉末冶金轴套材料的延伸率和抗拉强度较低，而抗压强度较高。对于薄壁套若内径留较大的整形余量，则芯棒插入压件时，经常容易发生胀裂现象。因此，对薄壁套采用外砸内 的整形方式较为适宜。所谓薄壁套是指外径与内径之比D/d < 1.5，壁厚T<3mm，符合这两个条件的零件。 2.内胀外 内胀外是内径留整形余量，外径无整形余量的一种整形方法。整形时，压件先放入阴模中，然后芯棒通过压件。由于压件内径整形时胀大，外径也相应变大，从而达到内外径同时整形的目的。 对于外径带台阶的压件由于小头外径进入整形阴模孔时，不允许有较长的导锥和圆角，当外径留有较大整形余量时，容易引起啃伤压件。因此对于较薄壁的外径带台阶件，采用内胀外的整形方式较为适宜。所谓薄壁是指小头外径D与内孔之比D/d<1.5, 壁厚T<5mm，符合这两个条件的零1 件。 3.外箍内胀 外箍内胀是内外径都留整形余量的一种整形方式。整形时，芯棒先压入压件，然后通过阴模达到内外径同时整形的目的。这种整形方式适用于壁厚较大(T>3mm)及D/d>1.5的压件。 4.全整形 全整形内外径及高度方向都留整形余量的一种整形方式。整形时，压件被上模冲同时压入阴模和芯棒，并高度有压下率，其值约为1,2%，故尺寸精度较高，但只适于压件较小的情况。 5.复压 复压内外径均无留整形余量，而留有装粉间隙，在高度方向上却有较大压力率的一种特殊的全整形。复压时，压件自由的落入模腔中，靠高度方向较大程度的压缩，径向尺寸变大而全整形的目的。 复压的下压滤约为15,25%，(见表5—8)，它用于为了提高压件密度为主要目的的情况。 6.不整形 有些压件尺寸精度要求不同，经过成型烧结后即可达到，省去了整形工序，可降低成本。 7.孔中心距的计算 对于两孔之间有中心距要求的压件，一般来说，整形不能改变中心距，同样芯棒的同时磨损也改变不了中心距。在计算时，按不整形件考虑。另外中心距应以平均值来计算。其公式如下 成型模中心距 : A = A( 1 + c – g ) mm (5—13) 成平均 5.1.2 偏心轮模具尺寸计算 3 偏心轮压件，成分为铁石墨(含碳量为1.5%)，密度为6.1,6.3g/cm 偏心轮压坯图 偏心轮在烧结时,由于成分及烧结等影响，往往会出现大小孔变形的问题，外径也可能出现缩小的问题，因此在整形时根据不同的要求，应选择不同的整形模具。一般情况下，以出现大小孔变小为常见，因此整形时应配有 两套大小芯棒。 根据偏心轮尺寸，该件D/d>1.5 , T > 3mm, 最好采用.外砸内胀整形法。 1 根据查 表5—3，5—4，5—7查出 δ =0.03 mm, 1 δ= 0.02 mm, 2 Δ = 0.15 mm, 1 Δ= 0.10 mm, 2 C = 0.8% = 0.008 g= 0.15% = 0.0015 由图5—1知 D= 44.95mm; 最小 d = 21.05 mm; 最大 1 d = 10.05 mm; 最大 2 将上述数值代入外箍内胀的计算公式，则得 D = D — δ = 44.95 – 0.03 = 44.92 mm 整最小1; d = d + δ = 21.05 + 0.02=21.07mm ; 整最大211 D= D(1+c,g)+Δ=44.95(1+0.008-0.0015)+0.15=45.36mm 成整1 d= d(1+c,g)+Δ=21.07(1+0.008-0.0015),0.10=21.11mm 成整211 d=d(1+c,g)+Δ=10.07(1+0.008-0.0015),0.10=10.035mm 成整222 5.2.2配合精度 模具内径由阴模孔径和芯棒外径及配合间隙来定，间隙的大小取决于算选的配合种类。在选择配合时，要考虑以下几点: (1)间隙过大，会造成定位和导向不好，漏粉和压坯有毛刺等弊病;间隙过小，会造成操作不便，压制时由于径向弹性变形而使间隙消失，增 加模冲移动阻力，并易擦伤模具。 (2)在单向压制时，下模冲起定位作用，故间隙应比上冲小些。 (3)对于压套及外径带弱变的模冲，压制时因受较大的侧压力，则身强度是不够的。为此，必须减小间隙，受力时，模冲在弹性范围内向外胀，间隙消失，侧压力由阴模来承受。 模冲的配合;可选用表5—1所推荐的种类。模具主要零件的成型部分 部位的配合一般采用1,2级制造精度。 表5—1 成型模冲配合推荐种类 配 合 部 位 配合种类 DD 上模冲与阴模 , dbdc 下模冲与阴模 d1D ,dbdc1 模冲与芯棒 DbDcDb1 ,dd1d1 压套系带外弱变的模冲与阴模 D1D1 ,db1d1 5.2.3 轴向尺寸的计算 轴向尺寸的计算主要部分是装份高度，其它高度方向的尺寸，往往由结构上的需要来选定，从而确定阴模，芯棒和上下冲的轴向尺寸。 (一)装粉高度的计算 装粉高度由装粉体积可算出，装粉体积取决于压缩比和压坯体积，压缩比是指压坯密度与粉末松装密度之比，即 ε=γ/γ(5—14) K0 v=εv=vγ/γ(5—15) 0kkK0 式中 ε ——— 压缩比; 3 γ———压缩密度，g/cm;K 3 γ——— 粉末松装密度，g/cm; 0 3 v————压坯体积，cm; k 3 v————装分体积，cm。 0 压坯密度v是产品所要求的，松装密度γ见表5—2。压坯体积根据要 k0 求可先求出，代入公式(5—15)可求得装分体积，从而求出装粉高度。 (二)模具高度的计算 1阴模 阴模高度h一般由三个高度组成(见图5—1—2a)即 h = h + h + h 01 2 式中 h—————阴模高度 h————装粉高度，mm 0 h ————下模冲定位高度，mm 1 h————手动模装粉锥高度，mm。不需要此锥时h= D 2 2 (见图5—1—2b) h2 h0hh0 h1 h1 ()() 图5-1-2 阴模高度计算示图. 下模冲定位高度h 选择原则是: 1 (1)手动模比机动模的下模冲定位高度h 要大。 1 (2)对于机动模，当压机形成导向差时，h 选大值。 1 (3)压坯高度大时h 选大值。 1 2.芯棒，在芯棒长度时，要考虑以下几点: (1)芯棒上端应与阴模上端面平，或略低一些，便于自动送粉。 (2)芯棒成型面的长度应与阴模高度相等。 (3)手动模时，芯棒长度可与阴模高度相等。 (4)机动模时，芯棒除了成型面长度外，还应加上根据压制方式，脱模方式和连接方式等具体结构条件来选定其它长度。 3上下模冲 (1)足够的压缩行程。 (2)足够的脱模行程。 (3)适宜的定位高度。 (4)连接所需的高度。 5.2.4 偏心轮装粉高度和阴模的计算 1. 装粉高度的计算 ,22223222,D v=(45—21—10)=11655.309 mm ，10，，hD,d,d k=12443 3v取2.7g/cm, 偏心轮的密度取6.3g/cm 0 6.3 ε = = 2.333 2.7 3 v = ε v = vγ/γ=2.333×11655.309=27195.721 mm0 k k K0 h=h0+h1+h2=8ε+21.33+0=40.00 mm。 5.2 工艺参数及其影响因素 在尺寸计算过程中，所涉及到的工艺参数有金属粉末的松装粉度γ压，0坯回弹率g，烧结收缩率c，整形余量Δ，整形余量δ，压装模间隙b，复压压下率q。 除上述参数外，还有一些参数时事先给定的，如压坯密度，压缩比，单位压力等。 对于计算时要选择的参数，由于影响因素较多，要给定确切的数据是有困难，但它们有一个波动范围。下面参数的范围和推荐计算时的常用值，便于尺寸计算时用。同时，还指出了这些参数有哪些影响因素，及这些因素对参数的影响趋势，便于试模时在一定范围内调节工艺，使之适用于以制成的模具。 5.2.1金属粉末的松装密度及其影响因素 (一)金属粉末的松装密度 金属粉末的松装密度直接影响模腔的高度。此参数选择不定，则会造成粉末装不下，或粉料裝太多的现象。实际生产中，松装密度在一定范围内有波动，为此，在烧结设计中一般考虑调节装粉高度的装量，但调节范围不宜过大。 常用铁、铜基粉末的松装密度见5—2表 表5—2铁铜基粉末的松装密度γ0 3 松装密度γ(g/cm) 0 粉末种类 范围 常用值 2.0 电介铁粉 1.8 , 2.2 2.4 还原铁粉 2.0 , 2.8 2.8 雾化铁粉 2.5 , 3.2 2.7 雾化6—6—3 2.4 , 3.1 青铜粉 1.8 电介铜粉 1.7 , 1.9 (二)松装密度及其影响因素 影响粉末松装密度的因素有粉末的成分、颗粒形状，粒度组成及流动性等。在生产中可以通过以下措施来调节松装密度: (1)将成分相同而松装密度不同的各批粉末按比例配合，以获得所需的松装密度。例如，可合批或将还原铁粉与雾化铁粉混合等。 (2)改变粉末粒度组成。一般粒中细粉末按比例相配，可增大松装密 度。 (3)改变混料工艺。如延长送料时间，可提高松装密度。 (4)增加润滑剂，如硬脂酸锌和机油，可降低松装密度。 5.2.2 压坯的回弹率及影响因素 (一)压坯的回弹率 常见的铁、铜压坯的回弹率见表5—3 表5—3 铁、铜压坯的回弹率g >5.6~6.1 >6.1~6.5 >6.5~7.2 >1.2~7.6 密度 3(g/cm) 范围 常范围 常范围 常范围 常 用用用用粉末种类 值 值 值 值 0.1~0.2 0.15 0.15~0.25 0.10 0.20~0.30 0.25 铁基 — — 0.05~0.15 0.20 0.10~0.20 0.15 0.15~0.25 0.20 铁基 — — 0.08~0.12 0.10 0.10~0.20 0.15 6-6-3青铜 — — — — (二)回弹率的影响因素 (1)粉末的塑性，不仅与其成分有关，而且相同成分但加工工艺不同时，塑性差异易较大。如粉末破碎时的应力大小，退火充分与否，粉末含氧量及其他因素等。塑性好，则回弹率小。 (2)压坯密度高，则压制压力大，侧压力亦大。模具型腔随之增大，回弹率也就增大 (3)阴模的刚性对回弹率影响较大，刚性差则变形大，回弹率也大。 (4)压坯高度大于一定值时，高度对回弹率影响不大。但当高度小于一定值时，则高度对回弹率的影响逐渐明显。当压坯高度小于3—5mm以下时，回弹率大大降低。 5.2.3 烧结收缩率及其影响因素 (一)烧结收缩率 常见的铁、铜压坯的烧结收缩率见表5—4 表5—4铁、铜压坯的烧结收缩率c 收缩率(%) 成分 密度 工艺条件 范围 常用 3(g/cm) 值 >5.6~6.1 0.5~0.8 0.6 烧结温度1080~1150? >6.1~6.5 0.3~0.7 0.5 纯铁 6.5~7.1 0.2~0.4 0.3 >5.6~6.1 0.5~1.0 0.8 含碳1~3%，烧结温度 >6.1~6.5 0.4~0.8 0.6 铁—碳 1080~1120? 6.5~7.1 0.3~0.5 0.4 >6.5~7.1 1.2~2 1.5 6-6-3青烧结温度780~830? 铜 (二) 收缩率的影响因素 (1)化学成分对收缩率有一定影响。不仅不同的金属粉末收缩率差异较大，而且少量的合金元素添加剂，对收缩率也有一定的影响。例如，在铁基材料中，添加碳、硒、铝、硼等元素，使收缩率增大;添加铜，可阻碍收缩，一定条件下可使收缩率接近零，甚至胀大。在铜基材料中，添加锡、磷等元素，可增大收缩率;添加锌，在一定条件下，有阻碍收缩的作用。 (2)提高压坯密度，可是收缩率减小。反之亦然。 (3)烧结工艺对收缩率影响最为明显。提高烧结温度，收缩率增大。这因素最敏感，尤其对于收缩率大的材料。延长保温时间，是收缩率增大。保护气氛是不能忽略的因素，真空和良好的还原气氛可增大收缩率，反之则阻碍收缩率，甚至胀大。尤其对于加有硅、铝、锰合金元素的铁基材料，哪怕是少量的水蒸气的存在亦会氧化。铜基材料对油污染气氛较敏感，烧结气氛中有油污的挥发存在，则阻碍收缩，甚至根本烧结不好。无论采用哪些烧结措施，均可增大收缩率，如铁、铜基材料的预氧化烧结;气氛中 加有少量的卤族化合物以及物理措施。 5.2.4 整形余量和回弹量及其影响 (一)整形余量和回弹量 不同的整形方式，则整形余量的分配和回弹量的大小也不相同。表5—5,5—8例举了各种整形方式时的整形余量和回弹量。 表5—5 外箍内时的整形余量和回弹量 外外 径 内 径 径整形余量Δ 回弹量δ1 整形余量回弹量δ 12 与(mm) (mm) Δ2 (mm) 内壁厚 (mm) T(mm) 经范围 常用 范围 常用 范围 常范围 常用之值 值 用值 比 值 D/d < < 3 0.08 0.02 0 0.015 0.05,0.015,?0.01,1.5 0.10 0.025 0.02 0.02 表5—6 内胀外时的整形余量和回弹量 小外外 径 内 径 径与Δ 整形余量回弹量δ1 整形余量回弹量δ 12 内经(mm) (mm) Δ2 (mm) 之比 壁厚 (mm) D/d T(mm) 范围 常用 范围 常用 范围 常范围 常用1 值 值 用值 值 < 1.5 < 5 0.08 0.015 0 0.02 0.05,0.01,?0.015, 0.10 0.02 0.02 0.025 表5—7 外箍内胀时的整形余量和回弹量 外 径 内 径 壁 整形余量Δ 回弹量δ1 整形余量Δ2回弹量δ 12厚 (mm) (mm) (mm) (mm) T(mm) 范围 常用 范围 常用 范围 常用范围 常用 值 值 值 值 0.050 0.010 0.030 < 0.010 0.005 >3,5 0.040,0.005,0.020, 0.060 0.015 0.040 0.060 0.012 0.045 0.010 >5,0.050,0.005,0.030,0.005,7.5 0.080 0.015 0.060 0.015 0.080 0.016 0.060 0.012 >7.5,0.060,0.010,0.040,0.008,10 0.100 0.020 0.080 0.016 0.110 0.020 0.080 0.015 >10,0.080,0.015,0.060,0.010,15 0.140 0.025 0.100 0.020 >15 0.150 0.030 0.100 0.020 0.100,0.020,0.080,0.015, 0.200 0.040 0.120 0.030 表5—8全整形时的整形余量和回弹量 外 径 内 径 壁 厚 整形余量Δ 回弹量δ1 整形余量Δ2 回弹量δ 12 (mm) (mm) (mm) (mm) T(mm) 范围 常用 范常用 范围 常用范围 常用 值 围 值 值 值 0.040 0.003 0.020 0.002 >3,5 0.030,—0.010,—— 0.050 0.030 — 0.050 0.005 0.030 0.004 >5,7.5 0.040,—0.020,—— 0.060 0.040 — 0.060 0.007 0.040 0.006 >7.5,10 0.050,—0.030,—— 0.070 0.050 — 0.080 0.009 0.050 0.008 >10,15 0.060,—0.040,—— 0.100 0.060 — >15 0.100 0.012 0.060 0.010 0.080,—0.050,—— 0.120 0.070 — (二)回弹量的影响因素 (1)整形余量大，则回弹量增大。 (2)压件硬度高，塑性差，则回弹量增大。 (3)压件密度高，则回弹量增大。 (4)整形模刚性差，则回弹量增大。 (5)全整形时，适当的压下率，则因塑性变形大而回弹量减小;过大的压缩率，则使回弹量增大。 (6)单整某个面，因塑性变形小，弹性变形大，因而回弹量增大。 (三)整形余量的选择依据 整形的目的，主要是提高压件的尺寸精度和降低粗糙度，其次是适当的增加压件的密度和表面硬度。 过小的整形余量，一则工艺上较难控制，另则不能很好的达到整形的目的。 过大的整形余量造成模具磨损加剧;压件表面过硬，对跑合性不利;使压件表面空隙封闭，对润滑不利;甚至产生表面裂纹。 因此，在工艺上能控制，并保证压件尺寸精度和粗糙度的情况下，尽可能减小整形余量为宜。特殊情况下，为了增加压件表面硬度，提高耐磨性，或为了电镀和防腐面需要封闭空隙是例外。 6 模具零件的设计 在成型模和整形模中，决定压件形状、尺寸精度和粗糙度的模具零件称为主要零件。如阴模、芯棒和模冲。 6.1主要零件的设计 6.1.1模具主要零件的一般要求 (一)成型模 1(阴模 (1)阴模的高度应能容纳压坯所需要的松散粉末，并使上下模冲有良好的定位和导向。 (2)能保证压坯的几何形状和尺寸精度。 (3)工作表面要有良好的粗糙度。 (4)工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性。 (5)在工作压力下应有足够的强度和刚度。 (6)根据产品的批量和复杂程度，选择模具材料的优劣。 (7)结构上应便于制造和维修，便于安装操作方便。 (8)能使压件完好的脱出压膜。 (9)平磨后须退磁 2芯棒 (1)保证压坯的几何形状和尺寸精度 (2)工作表面应有良好的粗糙度。 (3)与上下模冲应有良好的定位与导向。 (4)工作表面要有高的硬度。机动模芯棒的连接或固定端有足够的刚性和韧性，热处理硬度应适当降低。 (5)成型异形孔的芯棒结构，应保证能将压件托出芯棒;结构要方便操作，利于工作。 (6)设计应考虑材料的利用，较长较大的芯棒可采用组合结构。 3.模冲 (1)工作表面要有足够的硬度和耐磨性，材料的选择与热处理应考虑有适当的韧性。 (2)上下模冲对阴模和芯棒应有良好的定位与导向，并有合理的配合间隙，复合的模冲 应能脱出压件。 (3)上下模冲的工作面和配合面应有良好的粗擦度，非工作段的外径可适当缩小，内孔可适当的放大，以减少精加工与阴模、芯棒的摩擦。 (4)有关部位应能保障不垂直度，不平行度和不同心度等技术要求。 (5)平磨后须退磁 (二)整形模 1阴模 (1)根据产平台要求选择整形方式。如径向整形、全整形等。 (2)全整形阴模整形段应能容纳压件，并有上下模冲的定位和导向长度。 (3)阴模口要有圆弧或锥度，使压件逐步进入整形段进行整形。 (4)阴模孔要有低的粗糙度。 (5)工作面要有高的硬度及良好的耐磨性，尽可能采用硬质合金材料。 2芯棒 (1)全整形和内孔同时整形的芯棒，整形段长度应大于零件长度。单整内孔的芯棒整形段长度可小于零件高度。 (2)工作面要有低的粗糙度。 (3)端部应有圆角和锥度，手动模比机动模段应长一些。 (4)芯棒应有高的硬度和良好的耐磨性。 6.1.2成型阴模横向镶拼形式 1. 拼末结构特点 复杂形状的阴模型腔，加工中常遇到困难，目前常用电火花加工。但有些情况下，如模腔较深，粗糙度要求较低，或异形型腔容易破裂的阴模，选用拼模结构是比较合理的。与电火花的整体结构相比，拼模结构具有以下的优缺点: (1)把不能磨削的内曲线型面变成可磨削的外曲线型面，解决了内曲面加工的困难，粗糙度较低。 (2)阴模高度可较大，模腔的尺寸精度和几何精度较高。 (3)拼块热处理容易淬透，工作表面比整体阴模较硬。 (4)便于修复磨损的阴模拼块，可以通过修磨分缝的平面来缩小模孔。从而提高阴模的使用寿命。 (5)硬质合金阴模，采用整体时往往容易碎裂，而且难于机械加工;改用拼模可克服以上缺陷。 (6)拼块加工工艺较复杂，装配工艺性亦差，不如电火花加工简便。 2. 拼模分型原则 (1)把难加工的内曲线形面变成易加工的外曲线形面，便与模加工(见图6—1f、g、h)。 (2)避免在工作面上分型(见图6—1 a-g)。 (3)避免拼块转角部位产生应力集中(见图6—1 a、b、c、d、e、g)。 (4)拼块厚度变化不易相差较大，形状力求简单，以免发生热处理变形。 (5)可拆阴模以便装拆。 (6)拼模外形应设计圆形，利于增加阴模的强度和刚度(见图6—1)。 ,,b),a,a,,d, ,g,,f,,h,,e, 图6—1—1 拼模分型示例 6.1.3 主要零件的材料 粉末冶金模具主要零件的材料，要求硬度可达到HRC55以上。这些材料常用的有炭素工具钢、合金工具钢、高速钢和硬质合金。这些材料的硬度和强度均可满足使用要求。但由于前者到后者，顺序耐磨性提高;加工性变坏;成本增加。在选用材料时应有具体材料情况来考虑: (1)批量大时，用耐磨性好的材料，如高速钢和硬质合金;批量小或试制产品，则用廉价的炭素工具钢。 (2)形状复杂的产品，用以加工热处理变形小的合金工具钢较适宜。 (3)对于软金属粉末，如铜、青铜、铅、锡等，宜用炭素工具钢和合金工具钢;对于英金属粉末，如钢、钨、钼、摩擦材料及硬质合金等，宜于硬质合金模。 (4)高密度压件宜用摩擦性好的材料。 (5)整形模和高精度的压件模具，宜用摩擦性好的材料，尽可能用硬质合金模。 6.2 辅助零件的设计 一道模具除了主要零件外，还有其它辅助零件。设计时要考虑它们的 技术要求和材料。 名 材 料 技术要求(长度单位为mm) 称 T10 1.不平行度允差为0.02 Cr12 模 2.不垂直度允差为0.015~0.030 GCr15 柄 3.热处理硬度HRC50~55 9CrSi T10 Cr12 压 1.不平行度允差为0.01~0.02 GCr15 2热处理硬度HRC52~56 9CrSi 垫 1.不平行度允差为0.015~0.030 45 导 2.不垂直度允差为0.015~0.030 3.调制处理硬度HRC28~32 40Cr 柱 4.长度每组几件允差为0.02~0.03 下 1.不平行度允差为0.015~0.030 45 缸 2.不垂直度允差为0.015~0.030 并 3.定位尺寸偏差为0.04~0.06 40Cr 帽 4.调制处理硬度HRC28~32 45 脱 1.不平行度允差为0.02 模 2.热处理硬度HRC40~50 T8 座 T10 滑 Cr12 动 1.不平行度允差为0.01~0.02 GCr15 压 2.热处理硬度HRC55~58 垫 T10 1.径向跳动允差0.02~0.04 Cr12 滚 2. 热处理硬度HRC50~55 GCr15 轮 45 压 1.不平行度允差为0.02 40Cr 2.热处理硬度HRC40~45 座 1.径向跳动允差0.02~0.04 接 2.热处理硬度HRC28~32 45 3.不平行度允差为0.02~0.03 4.不垂直度允差为0.02 套 DbDcDb15.与模具配合精度为 ,dd1d1 1.不垂直度允差为0.02 接 2.调制热处理硬度HRC28~32 45 3.直径与芯棒的配合精度为DD , 杆 dbdc 总结 通过本次毕业设计，在理论知识的指导下，结合认识实习和生产实习中所获得的实践经验，在老师和同学的帮助下，认真独立地完成了本次毕业设计。在本次设计的过程中，通过自己实际的操作计算，我对以前所学过的专业知识有了更进一步、更深刻的认识，同时也认识到了自己的不足之处。到此时才深刻体会到，以前所学的专业知识还是有用的，而且都是模具设计与制造最基础、最根本的知识。 本次毕业设计历时四个月左右，从最初的领会设计的要求，到对拿到自己手上的压坯性能的分析计算，诸如对压坯结构的分析，对形状的分析等，对偏心轮压坯有了一个比较全面深刻的认识，并在此基础上综合考虑生产中的各种实际因素，最后确定本次毕业设计的工艺方案。然后对排样方式的选择，直到模具总装配图的绘制，历时近两个月左右。在这段时间里，我进行了大量的计算:从材料的选择，到零件的计算，再到工作部分模具尺寸及公差的计算。其间在图书馆翻阅了许多相关书籍和各种设计资料。因此从某种意义上讲，通过本次毕业设计的训练，也培养和锻炼了一种自己查阅资料，获取有价值信息的能力。 总之，通过本次毕业设计的锻炼，使我对模具设计与模具制造的整个过程都有了比较深刻的认识和全面的掌握。先后几次不同的设计，从成型模的设计，到整形模设计，再到本次毕业设计的偏心轮主要模具的设计，使我接受了一个机械设计专业的毕业生应该有的锻炼和考查。我很感谢学校和各位老师给我这次锻炼机会。我是认认真真的做完这次毕业设计的，也应该认认真真的完成我大学最后也是最重要的一次设计。但是由于水平有限，错误和不足之处再所难免，恳请各位导师、各位教授批评指正，不胜感激。 参考文献 [1] 王树勋. 模具实用技术设计综合手册[M].华南理工大学出版社 1995 850,986 [2] 濮良贵、纪明刚.机械设计[M]. 高等教育出版社 2001 167,186 [3] 赵忠、周康、丁仁亮.金属材料及热处理[M].机械工业出版社 2006 95,123 [4] 孙桓、陈作模、葛文杰 机械原理[M] . 高等教育出版社 2006 156,178 [5] 张建中、何晓玲机.械设计基础课程设计[M]. 高等教育出版社 2009 185,194 143,155 [6] 赵占西主编，《材料成形技术基础》，北京:机械工业出版社出版，2001.2 157,186 [7] 徐灏.机械设计手册(第3,4卷)[M].北京:机械工业出版社，1991.258,291 [8] Hydro froming Congress， Hydroforming for large volume productionBochum ,Nov.4~5,1997 134,142 [9] Keyes,K.A.Pressworking:Stampingsand dies. Soc.of Mfg.Engrs.1980 57,65 [10] LI Xiong,ZHANG Hong-bing,RUAN Xue—yu,LUO Zhong—hua,ZHANG Yan. Heat Treatment of Die and Mould Oriented Concurrent Design[J]. Journal of Iron and Steel Research，2006 40,43，74 致 谢 首先感谢学校及学院各位领导的悉心关怀和耐心指导，特别要感谢袁建军老师给我的指导，在设计和说明书的写作过程中，我始终得到老师的悉心教导和认真指点，使得我的理论知识和实践能力都有了很大的提高与进步，对模具设计与制造的整个工艺流程也有了一个基本的掌握。在他身上，时刻体现着作为科研工作者所特有的严谨求实的教学风范，勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念。她不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。 另外，还要感谢和我同组的其他同学，他们在寻找资料，解答疑惑，实验操作、论文修改等方面，都给了我很大的帮助和借鉴。 最后，感谢所有给予我关心和支持的老师和同学使我能如期完成这次毕业设计。谢谢各位老师和同学～ 感谢学校对我的培养和教导，感谢机电工程学院各位领导各位老师这两年如一日的谆谆教导～ 王兴法 2010 . 6 附录 Knowledge based design of EDM electrodes for mould cavitiespre-machined by high-speed milling Abstract Electric discharge machining (EDM) electrode design has always been an important activity in the die and mould making sector. Nowadays, software’s are available to design electrodes. Using software, the EDM specialist has to select the areas in the mould cavity that are to be EDM’ed. Once the areas are selected, a typical software designs an electrode along with its holder. If the mould cavity is very complex, as is the case when the mould cavity is pre-machined by high-speed milling, the EDM specialist has to think of several possible electrode combinations/designs and to select the best solution. He does this based on his knowledge of EDM and the knowledge of the process capabilities of his EDM machine tool. This paper presents the basic principles of designing a knowledge based system for automated EDM electrode design. This system works with similar logic, that an experienced EDM specialist would use to design electrodes. First the overall methodology to design EDM electrodes automatically is described on the highest level. Then the details of this methodology are explained followed by conclusions. 1. Introduction Today, in order to gain competitive advantage, tool and die makers make a combined use of conventional technologies like electric discharge machining (EDM) and latest technologies like high-speed milling (HSM), to reduce lead times for die and mould manufacture. This combined use of EDM and HSM is done to take advantage of both the processes in the best possible way. TNO Industrial Technology in the Netherlands participates in an European Community project “FASTOOL” which aims to integrate an EDM machine tool, a HSM machine tool and a robot for automated die and mould manufacturing. The idea is that the mould cavity will first be milled on the HSM machine tool followed by EDM’ing on the EDM machine tool (if applicable). One activity in this project is the automated generation of EDM electrode designs given a mould cavity that is partially milled, i.e., a pre-milled mould cavity. Besides the FASTOOL project, there are two more motives of developing such a knowledge based automated system for the design of EDM electrodes. EDM specialists are difficult to find in western countries. Such a system can replace an EDM specialist by transferring his knowledge to the computer. Secondly, even if a certain electrode design is perfectly mill able ,it is possible that it is not the “technically feasible” design. 2. Broad idea of the method to automatically designelectrodes The input to the system is the STL file of the mould cavity obtained after HSM. This file suggests which parts in a mould cavity could not be milled and which need to be EDM’ed. The areas to be EDM’ed are then separated into as many distinct regions as possible. Then these distinct regions are treated with similar “logic” (criteria and rules) that an EDM specialist would use to combine them with each other. This combination is referred to as “re-grouping” in the coming sections and is nothing but the combination of one or more regions with each other. Followed by this, we would get as an output from this system all possible electrode designs. From these electrode designs, an EDM specialist can make a selection based on the EDM machining times, costs, etc. This methodology of designing electrodes in all possible ways is employed because there exists different opinions in industry of which electrode to use for a typical EDM operation. 3. Disintegration of regions to EDM Depending on where EDM needs to be done, the corresponding areas on the original mould cavity will be identified using software. The first step is to make one single big electrode for all such areas. To the entire electrode design, we first apply a (3D) radius detection algorithm and find out where the radii are on the edges or surfaces of the electrode. Followed by radii detection, the surfaces or edges with common surface radii/edge radii, will be highlighted and separated as distinct electrodes. The reason to do this specificallyis to take advantage of the fact that most moulds and dies have surfaces or edges with similar geometric characteristics, like for example, common values of edge radii, common surface radii, etc. This separation of electrodes based on common radii will give the best result in terms of individual options. Someone might even argue what happens if the mould has a free form shape without existence of common/ distinct edge/surface radii? In such cases, the system will not separate the regions, but continue to keep the whole geometry as one distinct region. On each of these separated regions, certain rules are applied to still separate the regions into smaller regions. These rules are derived from the criteria that are considered by an EDM specialist when he designs electrodes. These criteria and the associated rules are discussed in more details in the coming sections. The separation of electrodes into still smaller electrodes based on the rules is done because although a region of the electrode may have common surface or edge radii, it may still violate one or more other rules. After this step, the regions that violate any one of the rules will be stored as individual options. It is wise to have these individual options because these might have advantages over EDM’ing with combined electrodes or EDM’ing with pure deep sinking in terms of gain in machining times. 4. Re-grouping/combination of regions to EDM Then any option is selected and combined with a second option. When the rules are again applied, it becomes clear if they should remain as a single electrode (the rules and the method of how to apply these rules and the criteria they are based on, are explained in the next section). If they can, then this combination is saved in a database. Then to this combination, the third option is added and the feasibility is checked. If the rules are satisfied, this combination is saved as a second result in the database and so on. If any of the option violated the rules, the next option is taken. A counter is kept for the very first option that is selected, such that when all the options are over, it takes the second option and the process is repeated over again. The inal result from this system is EDM electrode designs in all possible ways. The minimum number of combinations (electrode designs) one has to perform (can obtain) using this iterative system can be calculated by the following mathematical expression (which can be found in standard text on applied mathematics): a C = n! /(a! (n ? a)!) n Min where, C is the total number of combinations one has to perform using the above procedure, n the number of stored electrode options, a the size of each individual combination. Note that the size of the combination has always to be 2, in order to calculate the minimum number of combinations. To test the above equation consider that we have four electrode options (named 1–4) which are stored and which are to be combined amongst them using the above system. Now, if we go through the above system (and always go through the “No” loop), we will have the following possible combinations, namely, 1–2, 1–3, 1–4, 2–3, 2–4 and 3–4(in total six combinations). Note, that we will not have the combinations 2–1, 3–1 and 3–2, because the system is designed such, that the same combinations (like 1–2 and 2–1) Fig. 2. Disintegration of areas to EDM into distinct regions. are not considered again the second time. In actual practice, this will be done by placing history checks in the software to avoid re-combinations and subsequently reduced processing speed. Substituting the number of saved options n = 4, in the equation, we get the result as: a C = 4! /2!(4 ? 2)! = ,4 × 3 × 2 × 1 )/(2 × 2 )= 6 n Min which matches with the number of combinations obtained earlier. The maximum number of combinations (electrode design) one can perform (obtain) can also be calculated as: a ann+1?1C = C + C +? ? ?+C + C nnnn Max where Can is the minimum number of combinations obtained earlier, a the size of each individual combination, and n the number of stored options being treated. Depending on the result of applying the rules in this re-group procedure, the actual number of possible electrode designs can vary between the minimum and the maximum. This can be expressed mathematically as: aC ? N ? C n MaxMin where N is the final number of electrode designs obtained after actually applying the rules. 5. What are the criteria that an EDM specialist uses to design EDM electrodes? In this section, the criteria that an EDM specialist considers to design electrodes are discussed followed by converting the criteria to rules, that can be used for disintegrating and re-grouping of electrodes as seen in Figs. 2 and 3. These criteria have been identified based on inputs from die and mould makers and from inside knowledge within TNO. Fig. 3. Details of the re-group procedure to re-group different options. As seen in Fig. 4, the criteria can be listed as: 1. EDM machining depths. 2. Horizontal distances between regions to EDM. 3. Surface roughness required on the mould cavity. 4. EDM machining strategy used. 5. Machining times and costs obtained by using a certain electrode design. 6. Manufacturability of the electrode. From these criteria, the EDM machining times and costs and the manufacturability of the electrodes have not been considered to convert to rules because, these wo criteria are already considered elsewhere in the FASTOOL project. All the other criteria listed above have been investigated and converted to rules. The criteria and the conversion to rules are discussed next one by one. 5.1. EDM machining depth criterion EDM specialists in ractice, use this criterion to limit the complexity of the designed electrode from the EDM machining point of view. When differences in machining depths are beyond a certain limit, uneven wear occurs on electrodes. This also means that for the next finishing EDM operation, the number of electrodes needed for region with longer machined depth and machining time will be higher than for region with lower machined depth and machining time. 5.1.1. Converting this criterion to a rule to apply it when designing electrodes This section describes how this criterion is converted to a rule. Normally in practice, and based on experience a difference in machined depth of about 25–30% is allowed. This is also because it is difficult to predict wear of EDM electrodes. Hence, to begin with a factor of 0.3 has been taken. Much further research is required to predict electrode wear. According to this discussion, the rule can be written as h × 0.7 = h, where h is the depth of region 1 maxminmax while h is the depth of region 2 which are to be combined with each other. The min values of the machined depths can be found out by performing geometric analysis using software. The rule will remain valid (consequently combining the two regions) when the above equation is satisfied and vice versa. 5.2. Horizontal distances between regions to EDM criterion In practice, there are two factors the EDM specialist will use when combining electrodes as far as horizontal distances are considered. The first one is the maximum allowable overall dimension of the electrode that can be safely clamped in the EDM machine tool’s automatic tool changer (ATC) system and secondly the size of the pallet system on which the electrodes are placed (which are used to transport electrodes for measurement, etc.). The pallet system has been added because nowadays even small to medium sized tool and die making companies shift to standardization practices. In this, one electrode is designed (by combining two regions) and the overall size (L(mm) × B (mm) × H (mm)) is saved. Then, from the pallet size and the maximum allowable electrode dimensions in the ATC system, we select the smallest overall dimension. We select the smallest one because we can then compare this smallest one with the overall size of the combined electrode. If the combined size of the designed electrode is smaller than the selected smallest, then this rule is valid and vice versa. 5.3. EDM machining strategy criterion Different EDM machine tool makes have different capabilities in terms of machining strategies available. However, the most common strategies available on most machine tools and the ones most commonly used are deep sinking, conical orbiting movement and the star-like orbiting movement. Some new EDM machine tools have the 3D-orbiting movement as an extended machining strategy. This criterion has been added to this system of designing EDM electrodes because some of the strategies create geometric errors during/after EDM’ing. These errors can be compensated/ eliminated by the use of alternative machining strategies and solutions. However alternative machining strategies and solutions (may) call for additional number of EDM electrodes during EDM’ing. For instance pure deep sinking calls for a higher number of electrodes increasing the EDM time and overall costs while orbiting EDM requires less number of electrodes while resulting in lower EDM machining times and costs. 6. How to use the rules to design EDM electrodes? So far we have discussed the conversion to rules of the following criteria: 1. The EDM machining depths. 2. The horizontal distances between regions to EDM. 3. The existence of special surface roughness and texture on mould surfaces. 4. The EDM machining strategy. These rules are applied during disintegrating and regrouping of regions to finally obtain the designed electrodes.During disintegrating the regions, the rules do not have to be applied in a specific sequence. However, during the re-grouping procedure, these rules are applied in a pecific order of importance. This order of importance is actually the order of the weight each rule carries when allowing a combination. For example, the surface roughness rule will not allow a combination of two regions in any case. Hence it is wise to always keep such regions separate from each other no matter what the result of applying other rules is. Hence, during the re-group procedure the rules are applied in the following order one by one: (1) Surface roughness rule. (2) EDM machining depth rule. (3) Horizontal distances between regions to EDM rule. (4) EDM machining strategy rule. 7. Conclusions In this paper the basic principles of designing a knowledge based automatic EDM electrode design system were explained. The success of this system depends to some extent to the radius detection software algorithm. Although difficult to implement, this software algorithm is not impossible to realize. In principle the system can also accommodate a section to predict EDM machining times and the amount of electrode wear. This would enable to determine the number of subsequent electrodes needed in view of required geometric accuracy of the cavity. Some preliminary work in these directions has been performed but many particularities of EDM machining have to be researched. Outside the FASTOOL project, this knowledge based system can be expected to work in a semi-automatic fashion in a very good way. The user (by then the EDM specialist would not be required) will only have to separate the areas he wants to EDM. The system will then by itself be able to design “feasible” electrodes. The system has been designed to take care of differences in EDM machine tools, that makes it quite unique. This system proves to be an important development in modern tool manufacture. 以电火花电极模腔高速铣削加工为基础的设计 摘要 电极的放电加工(EDM)设计一直是模具制造的重要环节和难点。如今软件可以用来设计电极。专家使用软件已将放电加工运用到选择的领域——电火花的模腔加工。一旦选定的区域, 电极连同其持有人将使用典型的软件进行设计。如果模腔是非常复杂的,就像用高速铣削电火花加工模腔，专家们已经想到了几种电极设计，并选择出最好的解决方案。他们做这样的选择是基于对电火花加工的认识，熟练了解使用过程,及对电火花机床功能的熟练掌握。本文的基本原理:建立了一个以知识为基础的电火花电极自动化设计。专家们运用该系统相似的逻辑来设计电火花电极。首先用整体的方法来设计电火花电极，使其达到自动化最高水平。然后详细的说明该方法，随后得出研究结论。 1(简介 今天为了获得竞争优势，以减少模具制造的时间和缩短交货期，工具、模具制造商做出的联合使用常规的技术,象放电加工(EDM)技术,高速铣削加工(HSM)技术。这个联合应用电火花和高速切削完成模具加工，应该是加工利用的最好方式。在荷兰TNO工业技术“FASTOOL”是欧洲共同体参与项目，其宗旨整合了电火花机床、高速切削机床、自动机器人的模具制造。这个想法是将先模腔研磨的高速切削机床,其后是电火花机床对工件进行电火花加工。这个项目是电火花电极设计活动的自动生成,给出一个模腔部分,即一细模腔。除了FASTOOL之外,还有两个多项目以知识为基础的自动化系统来设计电火花电极。在西方国家很难找到电火花专家。这样一个系统可以将他的专业知识转移到电火花加工中去。其次,即使某电极设计是完全没能力的,很可能是因为它不是“技术上可行”的设计。 2(电极的方法设计 利用STL文件输入到系统中获得高速模腔。该文件显示哪一个部分在模腔中不 能研磨，需要电火花加工。电火花在这个地区再分为尽可能多的不同区域。然后这些不同区域用类似规则依次再分，专家将使用电火花加工将两者结合起来。这个组合是被称为“组合”，在接下来的章节它不过是一个或多个区域的组合。随后我们可以从这个系统中输出所有可能的电极设计。从这些电极设计,专家能基于电火花加工时间、成本等来选择电火花的设计。用该方法设计的电极，在所有可能场合是使用,因为其存在不同意见区域。 3(对电火花加工区域的分解 根据电火花模具型腔形状，选用相应的软件。第一步是对所有区域单独做出一个大的电极。对整个电极设计,我们首先运用3D半径检测算法,找出半径的边缘或电极的表面。随后是对半径、表面和边缘的检测，普通半径或边缘的凸起,并将其凸起的不同电极分开。之所以这样做,是因为大多数模具及模具表面或边缘有相似的几何特征,如共同区域的边缘,普通面半径等。对个人选择而言在分解的基础上共同半径电极将得到最好的结果。有人甚至会争辩说，如果模具已不存在一个规则的形状，能得到截然不同的边缘或面半径的吗?在这种情况下,系统将不能把这个区域规则化,但是继续保持整体几何作为一种截然不同的区域。在这些分隔区域中,一定的规则仍应用于该区域，并将其分开为较小的区域。这些规则是来源于电火花电极设计专家设计电极时的标准。这些标准和相关规则，将在下一节详细的全面的介绍。尽管电极共同表面或边缘的半径违反了这一规则，但在分解成更小的电极的基础上时是可以完成。在这一步后,该区域之一,违反了这一规则会被保存并作为个别选择。这是明智的选择,因为有这些个体,将使电火花电极组合或电火花加工的增益时间有机的结合起来，并将优势发挥出来。 4(组合的区域 “选择任何一个选择,再加上另一个选择”，当这个规则变得清晰起来,它们要保持为一个单独电极(规则的方法,如何应用这些规则和标准,它们都是基于,说明在接下来的章节)。如果它们能够做到,那么这个组合是储存在数据库中。然后,这个组合,可以利用第三个选择的补充进行可行性的检查。如果这些结果是满意的,这个组合是作为第二 个选择被保存致数据库中的。以上任何条件，如果与下一个选项相违反,则进入到下一个选项。一个计数器为最初的选项,并被选中。这样,当所有的选项,以第二种选择被选中时。这个过程不断重复一遍又一遍。由于该系统的主要电火花电极设计是在所有可能的途径中进行的。最少量的组合(电极设计)已完成，使用该迭代系统可以采用下面的数学表达式: a C = n! /(a! (n ? a)!) n Min 在总数C已完成的组合中使用上述程序，选择的数量,储存电极的大小等每一个个体的组合。注意为了计算最低数量的组合，这个标准的组合一直是2。测试上述公式，我们有四种电极选项,并储存在上述组合使用系统中。现在,如果我们经过上述系统,我们将会有下列可能的组合,即1-2,1-3 1-4,2-3,2-4和3-4，(总共6个组合)。注意我们不会有2-1组合,3-1和3-2,因为系统不能设计同样的组合(如1-2和2-1)。将电火花加工区域分解成不同区域。并不被认为是第二次分解。在实际操作上 ,以避免软件减少相应处理的速度。替代的保存选项4为例,在这个方程,得到的结果: a C = 4! /2!(4 ? 2)! = ,4 × 3 × 2 × 1 )/(2 × 2 )= 6 n Min 一个人能够获得最多电极设计的计算的组合为: a ann+1?1C = C + C +? ? ?+C + C nnnn Max 以最小量的组合得到最大的结果，每个个体的组合选择后被处理。根据应用程序 在实际数量的电极设计中可以有不同的最小和最大的值。这可以解释为: 规则的结果, aC ? N ? C n MaxMin 在应用规则之后N分钟最终数量的电极设计。 5(设计电火花放电的电极有什么标准吗? 在这一节, 专家认为标准的设计电火花电极，并对紧随其后的标准进行规则转换,可用于消化加工动态化、合理分配电极。这些标准知识已经确定了输入模具形状和模具制造商的设计目的。 标准可被列为: 1(电火花加工深度; 2(对电火花加工水平距离地区; 3(表面粗糙度需要在模腔; 4(电火花加工策略的使用; 5(加工时间和成本,取得了一定的电极设计; 6(生产力的电极。 从这些标准可看出，电火花加工时间、成本和电极的生产力未考虑到转换规则中,因为这些标准在FASTOOL中已经考虑到了其他项目。对上述所有其他的标准进行了研究和转换规则。这个标准和转换规则下,讨论电火花加工深度, 从设计角度用这个标准演练电火花加工电极复杂性收到了限制。当不同深度超过一定是加工的限制,并出现使。这也意味着未来完成电火花电极、运行所需的地区较长的机械深度和加工时间会高于对地区和较低的加工深度和加工时间。 5.1本节将应用这一标准描述如何将电极转换为规则标准。 通常在实践经验的基础上,对不同加工深度加工25-30%是允许的。这也是因为电火花电极磨损是很难预测的。因此,从一开始就有一个0.3的因子。需要很多进一步的研究来预测电极磨损。根据讨论,这个规则可以写成h × 0.7 = h, 那里的深度hmaxminmax是材料加工技术 ，而h的深度为其两相结合。加工深度值可以用软件的执行几何的min 标准分析。这个规则的在有效期时,这两个区域可的结合上述公式，得到令人满意的结果,反之亦然。 5.2在实践中区域电火花有两个相结合的专业水平的影响因素。 第一个是允许的最大尺寸的电极可以安全地夹在电火花机床的自动化工具更换系统和第二大小的托盘系统上的电极安置(这是用来运送电极用于测量等)。托盘系统已经加入了,因为现在即使小中型工具、模具制造企业。 本标准规定转换应用它,在设计时,一个电极电极设计(通过联合使用两种地区)和 总体规模(L(mm)××(H(mm)。然后,从简陋的大小和最大许用电极维度上,我们选择了空中交通管制系统的最小尺寸。我们选择最小的一个,因为我们可以把这个最小的一个与总体规模相结合的电极。如果这个组合尺寸设计的电极小于最小的选择,那么这个规则是有效的,反之亦然。 5.3分离。 电火花加工原则，不同于电火花成型机加不同零件能力的加工原则。然而,最常见的原则可以在大多数机床运动中见到:如最常用的是深锥轨道运动和星形运动。一些新的电火花机床有将3D运动作为一种延伸加工原则的。这将被添加到该系统，用来设计电火花电极。因为有些原则在电火花加工中产生了几何误差，影响了加工精度。利用这些加工方案可以补偿或消除由于加工原则而引起的错误。然而一定数量的电火花电极在电火花加工中被呼吁替代加工原则和方案。例如加工纯深度下沉的零件，要求增加更高数量的电火花电极时间，而电火花电极的轨道需要更少的数量电火花加工时间和较低成本。 6(如何使用这些规则设计电火花电极 到目前为止,我们已经讨论了转换规则，如下列条件: 1(电火花加工深度; 2(水平距离; 3(特殊表面粗糙度的存在对模具表面纹理影响; 4(电火花加工方案。 这些规则应用分解和重组,最终获得对电极区域的设计。这个规则的分解不需要用某一特定的顺序。然而,在组合程序中,这些规则应用于特殊场合。按每一个规则顺序的重要性允许一个组合进行工作。例如,按表面粗糙度的规则将不允许有两个区域进行组合。一定要保持这样的区域彼此分开,无论得出什么样的结果都应按这个规则进行。因此,在一个个程序规则中应用以下原则: (1)表面粗糙度的原则; (2)电火花加工深度的原则; (3)水平距离区域电火花的原则; (4)电火花加工方案的原则。 7(结论 本文设计的基本原理,是对自动电火花电极设计系统运用所学知识进行解释。这个系统的成功在某种程度上,取决于检测软件对半径算法。尽管困难重重,该软件算法还是可能实现的。原则上,系统预测电火花加工一段的时间与电极的磨损。这将用来确定所需数量的电极后续几何精度的要求。这些说明虽然在初步的工作已经完成一些,但许多特殊的加工工序必须被进一步研究。除FASTOOL外,这个以知识为基础的工程系统工作于一个半自动化的工序中是一个非常好的方法。用户只需要独立的工作区域,，这个系统将会通过本身自动设计“可行的“电极。这个系统被用来设计监测电火花机床的差异,使机床运行非常平稳可靠。该系统在现代工具制造发挥着重要的作用。 本文出自《材料加工技术杂志》149 (2004) 71-86 Mahajan 罗卓荆所著。