大尺寸超薄毛胚模压装置结构的优化设计研究

田 闪，黄 伟，夏能超

应用研究

大尺寸超薄毛胚模压装置结构的优化设计研究

田 闪，黄 伟，夏能超

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中船重工黄冈水中装备动力有限公司，湖北黄冈 438000）

本文研究了现有粉末压制装置的原理和结构，针对现有大尺寸（L×W×H =400 mm×500 mm×2 mm）超薄毛胚模压成型过程中存在毛胚厚度均匀性差，模腔深度调节不便，脱模机构磨损大等问题，提出了一种新型模压成型装置结构的优化设计方案，并进行了试验验证，结果表明该优化方案可行。

超薄毛胚 模压成型 优化设计

0 引言

现有大尺寸（L×W×H=400 mm×500 mm×2 mm）超薄毛胚是基于冷等静压原理[1]，将一定量的金属粉末在模压装置内被压制成型的。在冷等静压力下，金属粉末在模压装置内受到的各方向压力相等，使得成型毛胚尺寸精度高；模压装置成型效率高，保压、泄压速率方便控制[2, 3, 5]。但是，当前大尺寸多孔毛胚的生产过程存在毛胚厚度均匀性较差，模压装置腔体深度调节不便，脱模机构磨损大等问题。因此，本文在现有毛胚成型原理及其所用模压装置结构的基础上，结合现有成熟的技术和工艺，提出一种新型成型装置结构的优化设计方案，目的是改善当前大尺寸多孔毛胚厚度均匀性，解决模压装置腔体深度调节不便的问题，降低脱模机构磨损大的风险。

1 模压装置结构的优化

基于金属粉末的理化性质，模压装置采用单向压制的结构设计，用冷等静压方法，在一定压力下将金属粉末压制成毛胚。现有模压装置结构示意图如图1所示。

图1 模压装置结构示意图

如图1所示，模压装置基本结构由组合阴模、上动模及静模组成。上动模（油压机压板）在外力（通过油压机施加）作用下与阴模一起向下运动，从而将模腔内的金属粉末压制成型。

基于金属粉末的拱桥效应，模压成型过程中，外力使金属粉末在某种程度上表现出类似流体的行为，从而使金属粉末向阴模模壁施加作用力，其反作用力会在卸压脱模后，使毛胚尺寸发生膨胀而产生弹性后效，从而导致了毛胚中间厚度比四周偏高或毛胚变形、开裂等[5]，其表现形式为毛胚厚度均匀性差；究其原因为静模结构上缺乏足够支撑；动模下压行程没有限制；模压装置腔体深度调节不便操作；脱模机构结构复杂，磨损大。因此，针对上述模压装置存在的结构上的问题，本文做了相应的优化，如下图2、图3、图4、图5所示。

1）在静模底部，新增若干根直径为Φ10 mm的支撑柱（如图2所示），均布在静模底部中心位置，以加强对静模底部中心位置的支撑，缓解静模变形；同时在动模下面中间位置，垫一张尺寸为L×W×H =50 mm×50 mm×0.05 mm的铜箔或者硅钢片，增加金属粉末压制过程中中间位置的轴向位移，以抵消泄压脱模后产生的弹性后效。

图2 静模结构优化示意图

2）在阴模前后两侧，各增加一个机械限位板（如图3所示），以限制模压过程中动模下压行程；同时在两个限位板底部垫若干标准厚度硅钢片或其他金属薄片，以适应生产过程中对毛胚厚度的控制。

图3 模压限位结构示意图

3）在模压装置左右两侧，将模压装置腔体深度调节机构由普通螺栓调节优化为采用M16×1螺栓+控制板的调节机构（如图4所示），使原有调节螺栓数量由12颗减少至4颗，降低模压装置腔体深度调节的操作难度；同时，将模压装置腔体深度调节机构由暗装改为明装，方便操作。

图4 深度调节机构结构示意图

4）在模压装置左右两侧，各用1个油缸代替原有的机械脱模机构进行脱模，此结构使脱模过程中模压装置受力更均衡，减少模压装置受力变形。另外，脱模速度可调，降低了脱膜机构磨损大的风险，解决了泄压脱模过程中出现的毛胚开裂现象。

2 模压装置测试及分析

按优化后的结构加工一套新的模压装置，采用3种重量的金属粉末，在现有成熟的工艺条件下，进行多孔毛胚的冷等静压成型，测试3种重量的金属粉末对应毛胚的厚度并记录数据，最后，在采用旧模压装置生产的毛胚中，随机抽取相同规格的毛胚厚度数据进行相应对比分析（如表2所示），以验证新模压装置优化结构的可行性。

3种重量的金属粉末成型后的毛胚对应编号为1#、2#、3#，每个重量规格的毛胚各生产1片，按照现有的生产工艺，测量每一片毛胚的厚度并记录。现有毛胚厚度测量点分布示意图如图6所示，测试所需设备、工装及仪器仪表清单如表1所示；各种规格毛胚测试数据如表2所示。

图6 毛胚厚度测量点分布示意图

从表2中可以看出，用结构优化后的新模压装置压制的毛胚，其厚度变化范围为0.05 mm～0.09 mm，远远低于0.08 mm～1.5 mm（用旧模压装置压制的毛胚的厚度范围），毛胚厚度均匀性得到大大改善。

表1 设备、工装及仪器仪表清单

表2 3种粉末规格对应毛胚各测量点的厚度

究其原因，模压成型过程中，金属粉末在油压机的作用下，在某种程度上表现出类似流体的行为，使其向阴模模壁施加作用力，其反作用力会向模腔中间位置传导；由于金属粉末呈现不规则的颗粒形状，使得模腔中间金属粉末给动模、静模分别施加一个向上、向下的分力，从而促使动模、静模出现弹性变形，其在外观上呈现向上、向下的凸起，所以需要对模腔中间位置加强支撑；增加限位板可以在模压过程中使动模和限位板呈现类似两端支撑的简支梁结构，降低动模向上凸起的变形量。

普通螺栓螺距大，螺牙与螺纹间隙较大，较难将模腔深度调控至理想范围，兼之深度调节螺栓数量多，更是加大了调节难度。采用特制螺栓+控制板的模腔深度调节机构使得模腔深度调节更精确，有效降低了调节难度；同时减缓了深度调节不理想导致的模压装置的磨损情况，增加了模压装置使用寿命。

原有脱模结构为机械结构，其脱模原理为采用楔形的机械结构，将水平方向的作用力转换成垂直向下的脱模作用力，结构复杂，零部件之间撞击极易造成部件的松动，加剧部件磨损，增加了模压装置维修频次，影响生产进度。采用油缸脱模，脱模作用力不需转换，结构简单，增加了模压装置寿命。

3 结论

1）模压装置的结构优化方案可行；

2）采用结构优化后模压装置压制的毛胚厚度变化范围为0.05 mm～0.09 mm，满足生产工艺要求。

[1] 马福康. 等静压技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 北京: 1992．

[2] 姚德超. 粉末冶金模具设计[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1982: 187-222．

[3] 张晓, 赵虎, 冯鹏发, 等. 新型钼粉末压制模具设计[J]. 中国钼业, 2016, 40(5): 50-52．

[4] 陈晨. 粉末冶金模具设计中的影响因素[J]. 模具制造, 2006, (12): 73-76．

[5] 姚德超. 粉末冶金模具设计[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1982: 187-222．

Research on structure of Mould for large thin blanks

Tian Shan, Huang Wei, Xia Nengchao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, Hubei, China）

TM612

A

1003-4862（2022）10-0122-03

2022-2-14

田闪（1986-），男，高工。研究方向：水中动力电池研制。E-mail: 286586166@qq.com