粉末压制成形原

第 三 章 粉 末 压 制 成 形 原 理Principles of Powder Compaction（ Pressing）付 健材 料 科 学 与 工 程 学 院E-Mail: TEL： 13965091840 本 章 内 容 3.1 概 述 3.2 压 制 过 程 中 力 的 分 析 3.3 压 制 压 力 与 压 坯 密 度 的 关 系 3.4 粉 末 压 坯 密 度 的 分 布 3.5 粉 末 压 坯 的 强 度 3.6 影 响 压 制 过 程 的 因 素 2 Making Powder-Metallurgy Parts 3School of Materials Science and Engineering 一 、 基 本 概 念 成 形 （ Forming） 的 定 义 ： 将 粉 末 密 实 （ densify） 成 具 有 一 定 形 状 、 尺寸 、 孔 隙 度 和 强 度 的 坯 体 （ green compacts） 的 工艺 过 程 。 第 一 节 概 述Consolidation School of Materials Science and Engineering4 成 形 的 重 要 性 1） 是 重 要 性 仅 次 于 烧 结 的 一 个 基 本 的 粉 末 冶 金 工 艺 过 程 。 2） 比 其 他 工 序 更 限 制 和 决 定 粉 末 冶 金 整 个 生 产 过 程 。 a） 成 形 方 法 的 合 理 与 否 直 接 决 定 其 能 否 顺 利 进 行 。 b） 影 响 随 后 各 工 序 （ 包 括 辅 助 工 序 ） 及 最 终 产 品 质 量 。 c） 影 响 生 产 的 自 动 化 、 生 产 率 和 生 产 成 本 。 School of Materials Science and Engineering5 成 形 方 法 的 一 般 分 类冷 法 石 膏 模常 压 冷 法 注 浆加 压 冷 法 注 浆抽 真 空 冷 法 注 浆等 静 压 成 形 isostatic（ hydrostatic） pressing粉 末 压 制 成 形 （ 钢 模 压 制 ） compacting， briquetting， pressing 普 通 成 形注 浆 成 型 法 热 法 （ 热 压 注 法 ） ： 钢 模粉 末 连 续 成 形 粉 末 轧 制粉 末 挤 压 （ 可 塑 成 形 ） 喷 射 成 形热 成 形 及 高 能 率 成 形 成 形 烧 结 同 时 进 行 特 殊 成 形School of Materials Science and Engineering6 按 成 形 过 程 中 有 无 压 力 ： 有 压 （ 压 力 ） 成 形 、 无 压 成 形 按 成 形 过 程 中 粉 末 的 温 度 ： 冷 压 （ 常 温 ） 成 形 、 温 压 成 形 、 热 成 形 按 成 形 过 程 的 连 续 性 ： 间 歇 成 形 、 粉 末 连 续 成 形 按 成 形 料 的 干 湿 程 度 ： 干 粉 压 制 、 可 塑 成 形 、 浆 料 成 形 成 形 方 法 的 其 他 分 类 School of Materials Science and Engineering7 成 形 压 模 的 基 本 结 构 模 压 成 形 是 最 重 要 、 应 用 最 广 的 成 形 方 法 ！ 本 章 有 关 成 形 原 理 的 讨 论 以 模 压 成 形 为 基 础 ！School of Materials Science and Engineering8 Loose powder is compacted and densified into a shape, known as green compact Most compacting is done with mechanical presses and rigid tools 模 压 成 形 是 将 金 属 粉 末 或 粉 末 混 合 料 装 入 钢 制 压模 （ 阴 模 ） 中 ， 通 过 模 冲 对 粉 末 加 压 ， 卸 压 后 ， 压 坯 从阴 模 内 脱 出 ， 完 成 成 形 过 程 。 9 模 压 成 形 ， pressing 10 模 压 成 形 的 主 要 功 用 是 ：将 粉 末 成 形 成 所 要 求 的 形 状 ；赋 予 压 坯 以 精 确 的 几 何 尺 寸 ；赋 予 压 坯 所 要 求 的 孔 隙 度 和 孔 隙 模 型 ；赋 予 压 坯 以 适 当 的 强 度 以 便 于 搬 运 。 School of Materials Science and Engineering11 12 13 模 压 成 形 PM产 品 实 例 电 动 工 具 零 件 14School of Materials Science and Engineering 模 压 成 形 PM产 品 实 例 汽 车 发 动 机 用 粉 末 烧 结 钢 零 件 15School of Materials Science and Engineering 模 压 成 形 PM产 品 实 例 汽 车 变 速 箱 粉 末 烧 结 钢 零 件 16School of Materials Science and Engineering 17School of Materials Science and Engineering 二 、 金 属 粉 末 压 制 过 程 中 发 生 的 现 象图 12-4 粉 末 压 制 示 意 图 1 阴 模 Die 2上 模 冲 Top（ upper） punch 3下 模 冲 Bottom（ lower） punch 4 粉 末 Powder School of Materials Science and Engineering18 钢 模压 制粉 末的基 本过 程 粉 末 混 合料称 量 、 装 模压 制卸 压脱 模粉 末 压 坯 Powder mixWeighting，filling Compactingcompacts School of Materials Science and Engineering19 粉 末 压 制 过 程 中 发 生 的 现 象1. 压 制 后 粉 末 体 的 孔 隙 度 降 低 ， 压 坯 相 对 密 度 明 显 高 于粉 末 体 的 相 对 密 度 。 压 制 使 粉 末 体 堆 积 高 度 降 低 ， 一 般 压 缩 量 超 过 50%2. 轴 向 压 力 （ 正 压 力 ） 施 加 于 粉 末 体 ， 粉 末 体 在 某 种 程度 上 表 现 出 类 似 流 体 的 行 为 ， 向 阴 模 模 壁 施 加 作 用 力 ，其 反 作 用 力 侧 压 力 产 生 。 但 是 粉 末 体 非 流 体 ， 侧 压 力 小 于 正 压 力 ！ School of Materials Science and Engineering20 3. 随 粉 末 体 密 实 ， 压 坯 密 度 增 加 ， 压 坯 强 度 也 增 加 。 压 坯 强 度 是 如 何 形 成 的 ？4. 由 于 粉 末 颗 粒 之 间 摩 擦 ， 压 力 传 递 不 均 匀 ， 压 坯 中 不 同 部位 密 度 存 在 不 均 匀 。压 坯 密 度 不 均 匀 对 压 坯 乃 至 产 品 性 能 有 十 分 重 要 的 影 响 。5. 卸 压 脱 模 后 ， 压 坯 尺 寸 发 生 膨 胀 产 生 弹 性 后 效 弹 性 后 效 是 压 坯 发 生 变 形 、 开 裂 的 最 主 要 原 因 之 一 。 School of Materials Science and Engineering21 三 、 粉 末 体 在 压 制 过 程 中 的 变 形（ 一 ） 粉 末 体 受 压 力 后 的 变 形 特 点 （ 与 致 密 材 料 受 力 变 形比 较 ）1. 致 密 材 料 受 力 变 形 遵 从 质 量 不 变 和 体 积 不 变 ， 粉 末 体 压 制变 形 仅 服 从 质 量 不 变 。 粉 末 体 变 形 较 致 密 材 料 复 杂 。2.致 密 材 料 受 力 变 形 时 ， 仅 通 过 固 体 质 点 本 身 变 形 ， 粉 末 体变 形 包 括 粉 末 颗 粒 的 变 形 ， 还 包 括 颗 粒 之 间 孔 隙 形 态 的 改变 ， 即 颗 粒 发 生 位 移 。 ！ 粉 末 体 的 变 形 是 广 义 变 形 ： 颗 粒 位 移 + 颗 粒 变 形 School of Materials Science and Engineering22 3. 致 密 材 料 变 形 时 ， 各 微 观 区 域 的 变 形 规 律 与 宏 观 变形 规 律 基 本 一 致 ， 粉 末 体 变 形 时 ， 各 颗 粒 的 变 形 基本 独 立 ， 不 同 颗 粒 变 形 程 度 可 能 存 在 较 大 差 异 。4. 粉 末 体 受 力 变 形 时 ， 局 部 区 域 的 实 际 应 力 远 高 于 粉末 体 受 到 的 表 观 应 力 （ 表 观 压 制 压 力 ） 。局 部 区 域 的 高 应 力 可 能 超 过 粉 末 颗 粒 的 强 度 极 限 。5. 粉 末 体 受 力 压 制 ， 颗 粒 之 间 的 接 触 面 积 随 压 制 压 力增 大 而 增 大 ， 两 者 间 存 在 一 定 的 定 量 关 系 。 School of Materials Science and Engineering23 （ 二 ） 粉 末 体 在 压 制 过 程 中 的 变 形 动 力 （ 变 形 内 因 ）1. 粉 末 体 的 多 孔 性 粉 末 体 中 的 孔 隙 包 括 ： 拱 桥 效 应 现 象 （ 图 ） ： 粉 末 在 松 装 堆 集 时 ， 由 于 表 面 不 规则 ， 彼 此 之 间 有 摩 擦 ， 颗 粒 相 互 搭 架 而 形 成 拱 桥 孔拱 桥 效 应 产 生 的 孔 隙 尺 寸 可 能 远 大 于 粉 末 颗 粒 尺 寸 。 一 次 孔 隙 （ 颗 粒 内 部 孔 隙 ）二 次 孔 隙 （ 颗 粒 之 间 孔 隙 ）拱 桥 效 应 产 生 的 孔 隙School of Materials Science and Engineering24 School of Materials Science and Engineering25 粉 末 体 高 的 孔 隙 率 使 其 受 力 后 易 于 发 生 重 排 26School of Materials Science and Engineering 2. 粉 末 颗 粒 良 好 的 弹 塑 性 制 粉 过 程 中 ， 粉 末 一 般 都 经 过 专 门 处 理 还 原 、 退 火 消 除 加 工 硬 化 、 表 面 杂 质 等3. 粉 末 体 较 高 的 比 表 面 积 主 要 作 为 烧 结 动 力 ， 对 压 制 也 有 影 响 。实 例 ： 几 种 商 品 粉 末 的 比 表 面 积 （ cm2/g） ： 还 原 Fe粉 （ 79%-325目 ） ： 5160 还 原 Fe粉 （ 1%-325目 ） ： 516 电 解 Fe粉 （ -200目 ） ： 400 羰 基 Fe粉 （ 7m） ： 3460 还 原 W粉 （ 0.6m） ： 5000 School of Materials Science and Engineering27 （ 三 ） 粉 末 体 在 压 制 过 程 中 的 （ 位 移 ） 变 形 规 律 较 低 压 力 下 首 先 发 生 位 移 ， 位 移 形 式 多 样 压 制 时 粉 末 位 移 的 形 式（ a） 颗 粒 接 近 ； （ b） 颗 粒 分 离 ； （ c） 颗 粒 相 对 滑 动 ； （ d） 颗 粒 相 对 转 动 ； （ e） 颗 粒 因 粉 碎 产 生 移 动 School of Materials Science and Engineering28 影 响 压 制 时 粉 末 位 移 的 因 素 颗 粒 间 可 用 于 相 互 填 充 的 空 间 （ 孔 隙 ） 粉 末 颗 粒 间 摩 擦 颗 粒 表 面 粗 糙 度 润 滑 条 件 颗 粒 的 显 微 硬 度 颗 粒 形 状 加 压 速 度 School of Materials Science and Engineering29 2. 粉 末 颗 粒 的 变 形 弹 性 变 形 颗 粒 所 受 实 际 应 力 超 过 其 弹 性 极 限 ， 发 生 弹 性 变 形 。 塑 性 变 形 颗 粒 所 受 实 际 应 力 超 过 其 屈 服 极 限 ， 发 生 塑 性 变 形 。 脆 性 断 裂 颗 粒 所 受 实 际 应 力 超 过 其 强 度 极 限 ， 发 生 脆 性 断 裂 。 粉 末 的 位 移 和 变 形 ， 促 使 了 压 坯 密 度 和 强 度 的 增 高 School of Materials Science and Engineering30 3. 实 际 粉 末 位 移 变 形 的 复 杂 性 粉 末 的 位 移 和 变 形 与 粉 末 本 身 性 能 有 关 ； 不 同 粉 末 位 移 、 变 形 规 律 不 同 粉 末 受 力 后 ， 首 先 发 生 颗 粒 位 移 ， 位 移 方 式 多 种 多 样 ； 粉 末 颗 粒 位 移 至 一 定 程 度 ， 发 生 颗 粒 变 形 ， 变 形 方 式 多 样 ； 位 移 和 变 形 不 能 截 然 分 开 ， 有 重 叠 ； 位 移 总 是 伴 随 着 变 形 而 发 生 粉 末 变 形 必 然 产 生 加 工 硬 化 模 压 成 形 不 能 得 到 完 全 致 密 压 坯 School of Materials Science and Engineering31 压 制 过 程 中 粉 末 运 动 示 意 图a） 松 装 粉 末 ； b） 拱 桥 破 坏 颗 粒 位 移 ； c） 、 d） 颗 粒 变 形 ； e） 压 制 成 形 后 a） b） c） d） e） School of Materials Science and Engineering32 四 、 致 密 化 现 象4.1 致 密 化压 力 作 用 下 松 散 状 态 拱 桥 效 应 的 破 坏 （ 位 移 颗 粒 重 排 ）+颗 粒 塑 性 变 形 孔 隙 体 积 收 缩 致 密 化与 粉 末 松 装 密 度 、 流 动 性 存 在 一 定 联 系 School of Materials Science and Engineering33 34 第 二 节 压 制 过 程 中 力 的 分 析 单 向 压 制 各 种 力 的 示 意图 一 、 正 压 力 、 净 压 力 、 压 力 损 失 ( 压 制 压 力 的 分 配 ） 正 压 力 : p， P（ 单 位 压 制 压 力 、 总 压 力 ） 净 压 力 （ 有 效 压 力 ） ： p， ， P1 压 力 损 失 ： p， P2克 服 外 摩 擦 力 ， P = P1 + P2 p = p-p，School of Materials Science and Engineering35 园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均匀），假 定 ： 阴 模 不 发 生 变 形 不 考 虑 粉 末 体 的 塑 性 变 形 x yz P压 坯 受 力 示 意 图二 、 模 压 成 形 时 的 侧 压 力 定 义 ： 压 制 过 程 中 由 垂 直 压 力 所 引 起 的 模 壁 施 加 于 压 坯 的 侧 面 压 力 称 为 侧 压 力（ 一 ） 侧 压 力 与 压 制 压 力 的 关 系 School of Materials Science and Engineering推 导 36 ppp 1侧p侧 单 位 侧 压 力 （ MPa） ； p 单 位 压 制 压 力 （ MPa） ； = /（ 1- ） 侧 压 系 数 ； 泊 桑 比 （ 二 ） 侧 压 系 数 = /（ 1- ） = p侧 /p ： 单 位 侧 压 力 与 单 位 正 压 力 之 比 影 响 因 素泊 松 比 材 料 本 性 （ 下 表 ） 压 制 压 力 School of Materials Science and Engineering37 材 料 W Fe Sn Cu Au Pb 0.17 0.28 0.33 0.35 0.42 0.44 0.20 0.39 0.49 0.54 0.72 0.79 38 表 不 同 材 料 的 泊 桑 比 和 侧 压 系 数 School of Materials Science and Engineering 注 意 几 个 问 题 ： 公 式 计 算 的 侧 压 力 是 平 均 值 ， 沿 高 度 不 同 位 置 侧 压 力不 等 粉 末 体 非 流 体 ， p侧 总 小 于 p 研 究 侧 压 力 具 有 重 要 意 义 估 算 摩 擦 力 、 压 力 损 失 模 具 设 计 的 需 要 解 释 压 制 过 程 中 的 一 些 现 象 School of Materials Science and Engineering39 三 、 外 摩 擦 力 、 压 力 损 失（ 一 ） 外 摩 擦 力 定 义 ： 粉 末 颗 粒 与 阴 模 （ 芯 棒 ） 之 间 的 摩 擦 力 。 对 比 ： 内 摩 擦 力 粉 末 颗 粒 之 间 的 摩 擦 力 外 摩 擦 力 与 压 制 压 力 的 关 系式 中 ， f 摩 单 位 外 摩 擦 力 （ MPa） ； 粉 末 与 模 壁 的 摩 擦 系 数 。ppf 侧摩 School of Materials Science and Engineering40 （ 二 ） 压 力 损 失 定 义 ： 用 于 克 服 外 摩 擦 力 而 消 耗 的 压 制 （ 正 ） 压 力 。 与 压 制 压 力 的 关 系 （ 推 导 ）式 中 ， p / 模 底 受 到 的 压 力 （ N） ； H为 压 坯 高 度 （ mm） ； D为 压 坯 直 径 （ mm）考 虑 到 消 耗 在 弹 性 变 形 上 的 应 力 ， 则 ： p1 考 虑 弹 性 变 形 后 模 底 受 到 的 压 力)4exp( DHPp )8exp(1 DHPp School of Materials Science and Engineering 41 压 力 损 失 P = P2 = P-P1 压 力 损 失 是 造 成 压 坯 密 度分 布 不 均 匀 的 根 本 原 因 ； 应尽 量 减 少 ； 特 定 情 况 下 可 以 利 用 外 摩 擦 力减 少 压 力 损 失 的 措 施 ：（ 1） 添 加 润 滑 剂 ；（ 2） 提 高 模 具 光 洁 度 和 硬 度 ；（ 3） 改 进 成 形 方 式 如 采 用 双 面 压 制 等 。 )8exp(1 DHPp School of Materials Science and Engineering42 影 响 压 力 损 失 的 因 素 摩 擦 系 数 侧 压 系 数 压 坯 尺 寸 H/D 对 压 力 损 失 （ 摩 擦 力 ） 有 明 显 影 响H/D相 同 ， D不 同 ， 达 到 相 同 的 压 坯 密 度 ，所 需 单 位 压 制 压 力 不 同小 直 径 压 坯 需 较 高 的 压 制 压 力 （ 图 ） School of Materials Science and Engineering43 四 、 脱 模 压 力 定 义 ： 压 制 压 力 卸 除 后 ， 使 压 坯 由 模 中 脱 出 所 需 的 压 力 称 为 脱 模 压 力 。 脱 模 压 力 与 压 制 压 力 、 粉 末 性 能 、 压 坯 密 度 和 尺 寸 、 压模 和 润 滑 剂 等 有 关 。 p脱 = p侧 剩 （ 单 位 脱 模 压 力 ） P脱 = p侧 剩 S侧 （ 总 脱 模 压 力 ） 铁 粉 的 脱 模 压 力 与 压 制 压 力 P的 关 系 如 下 ： P 脱 0.13 P 硬 质 合 金 物 料 在 大 多 数 情 况 下 ： P脱 0.3 P School of Materials Science and Engineering44 School of Materials Science and Engineering45 五 、 弹 性 内 应 力 与 后 效 （ Springback） 弹 性 内 应 力 ： 粉 末 体 受 压 后 内 部 产 生 的 变 形 抗 力 （ 阻 力 ） 弹 性 后 效 ： 当 压 力 去 除 ， 把 压 坯 从 压 模 中 脱 出 ， 由 于 弹 性 内应 力 的 松 弛 作 用 ， 粉 末 压 坯 会 发 生 弹 性 膨 胀 ， 称 为 弹 性 后 效。 计 算 ： = L/L 0 x 100% =（ L-L0） /L0 x100% 高 度 或 直 径 方 向 弹 性 后 效 ； Lo L 卸 压 前 后 压 坯 直 径 （ 高 度 ） School of Materials Science and Engineering46 School of Materials Science and Engineering47 影 响 弹 性 后 效 的 因 素 粉 末 性 能 粉 末 成 形 性 差 ， 难 成 形 ， 需 高 的 压 制 压 力 ， 增 加 弹 性 后 效 雾 化 铁 粉 还 原 铁 粉 电 解 铁 粉 细 粉 弹 性 后 效 高 于 粗 粉 ： 细 粉 粗 粉 压 制 压 力 P较 低 时 ， P增 加 ， 增 加 ； P较 大 时 ， P增 加 ， 减 小 ； 一 定 范 围 内 ， P对 影 响 不 大 （ p202图 2-25） School of Materials Science and Engineering48 P（ MPa） 无 润 滑 加 凡 士 林 油 酸 苯 溶 液250 1.15% 1.10% 0.25%400 1.20% 1.10% 0.30% 49 润 滑 条 件 （ Cu粉 压 制 ） School of Materials Science and Engineering 弹 性 后 效 各 向 异 性 （ 径 向 弹 性 后 效 轴 向 弹 性 后 效 ） 弹 性 后 效 是 设 计 模 具 的 重 要 参 数 之 一 弹 性 后 效 是 压 坯 产 生 变 形 、 开 裂 的 主 要 原 因 之 一 School of Materials Science and Engineering50 一 、 压 坯 密 度 随 压 制 压 力 的 变 化 规 律 （ 定 性 描 述 ）（ 一 ） 理 想 的 压 制 曲 线 第 阶 段 ： 颗 粒 位 移 ， 填 充 孔 隙 压 力 增 加 ， 密 度 快 速 增 加 滑 动 阶 段第 阶 段 ： 压 力 续 增 加 ， 压 坯 密 度 增 加 不 明 显 平 衡 阶 段第 阶 段 ： 压 力 超 过 一 定 值 ， 压 力 升 高 ， 压 坯 密 度 继 续 增 加 颗 粒 变 形 阶 段第 三 节 压 制 压 力 与 压 坯 密 度 的 关 系 School of Materials Science and Engineering51 粗 颗 粒 、 软 颗 粒 、低 成 形 速 度细 颗 粒 、 硬 颗 粒 、高 成 形 速 度 p（ 二 ） 实 际 粉 末 的 压 制 曲 线1.基 本 规 律 （ 图 ）2. 实 际 粉 末 压 制 时 ， 三 个 阶 段 相互 重 叠 ， 不 可 截 然 分 开 ： 位 移 阶 段 有 变 形 ， 变 形 阶 段 有 位 移3. 粉 末 性 质 不 同 ， 某 一 阶 段 的 特 征 可 能 不 明 显 或 特 别 突 出 。Q:实 际 压 制 压 力 如 何 选 择 ？ School of Materials Science and Engineering52 School of Materials Science and Engineering53 （ 一 ） 巴 尔 申 方 程 1.基 本 假 设 1） 将 粉 末 体 视 为 弹 性 体 2） 不 考 虑 粉 末 的 加 工 硬 化 3） 不 考 虑 摩 擦 力 的 影 响 4） 不 考 虑 压 制 时 间 的 影 响 5） 不 考 虑 粉 末 流 动 性 的 影 响二 、 压 制 方 程 压 坯 密 度 与 压 制 压 力 关 系 的 定 量 描 述 School of Materials Science and Engineering54 2. 方 程 推 导任 意 一 点 的 变 形 与 压 力 间 的 变 化 率 ： d/d=k=dP/A -对 应 于 压 缩 量 ； A-颗 粒 间 有 效 接 触 面 积积 分 、 变 换 并 取 对 数 后 得 : lgPmax-lg P = L(-1) lgP与 (-1)成 线 性 关 系L=压 制 因 子 , =压 坯 的 相 对 体 积 （ =V 粉 /V颗 粒 ， = +1）3.适 应 性硬 质 粉 末 或 中 等 硬 度 粉 末 在 中 压 范 围 内 压 坯 密 度的 定 量 描 述 School of Materials Science and Engineering55 巴 尔 申 方 程 在 高 压 与 低 压 情 形 下 出 现 偏 差 的 原 因低 压 粉 末 颗 粒 以 位 移 方 式 填 充 孔 隙 空 间 为 主 粉 末 体 的 实 际 压 缩 模 量 高 于 计 算 值 （ 即 理 论 值 ） ， 产生 偏 高 现 象高 压 粉 末 产 生 加 工 硬 化 现 象 和 摩 擦 力 的 贡 献 大 ， 导 致 实 际值 低 于 计 算 值 School of Materials Science and Engineering56 （ 二 ） 川 北 方 程1.基 本 假 设 1) 粉 末 层 内 所 有 各 点 的 单 位 压 力 相 等 。 2) 粉 末 层 内 各 点 的 压 力 是 外 力 和 粉 末 内 固 有 的 内 压 力 之 和 ， 内压 力 与 粉 末 的 聚 集 力 或 吸 附 力 有 关 ， 与 粉 末 屈 服 值 有 密 切 关系 。 3) 粉 末 层 各 断 面 上 的 外 压 力 与 该 断 面 上 粉 末 的 实 际 断 面 积 受 的压 力 总 和 保 持 平 衡 。 外 压 如 增 加 ， 粉 末 体 便 压 缩 . 4) 每 个 粉 末 颗 粒 仅 能 承 受 它 所 固 有 的 屈 服 极 限 的 能 力 。 5) 粉 末 压 缩 时 的 各 个 颗 粒 位 移 的 几 率 和 它 邻 接 的 孔 隙 大 小 成 比例 。 School of Materials Science and Engineering57 2.方 程 推 导 C = （ Vo V） /Vo = ab P/（ 1 + bP） 1/C = 1/(abP) + 1/a C 粉 末 体 体 积 减 少 率 V、 Vo 压 力 为 P、 0时 的 粉 末 体 积 a、 b 常 数 1/C 与 1/P成 线 性 关 系3.适 应 性 : 压 力 不 大 时 准 确 性 较 好 School of Materials Science and Engineering58 （ 三 ） 艾 -沙 -柯 方 程 沉 积 岩 和 粘 土 在 压 力 下 孔 隙 率 与 压 力 关 系 ：= o e-BP ； ln（ / o） = - BPo = （ VoV） / Vo = （ VV） /V Vo、 V、 V压 力 为 0、 P和 时 的 粉 末 体 积ln（ / 0） 与 P成 线 性 关 系适 应 性 ： 一 般 粉 （ 尤 非 金 属 粉 末 ） School of Materials Science and Engineering59 （ 四 ） 黄 培 云 压 制 理 论 （ 方 程 ）理 论 基 础1. 压 坯 密 度 是 外 压 的 函 数 ： =kf(P)2. 常 用 力 学 模 型 理 想 弹 性 体 -虎 克 体 （ H体 ） ： =M 理 想 液 体 -牛 顿 体 （ N体 ） ： =d/dt 线 弹 性 -塑 性 体 -Maxwell体 （ M体 ） （ 弹 性 和 粘 滞 性 物 体 ） 线 弹 性 体 -应 变 弛 豫 体 Kelvin固 体 （ K体 ） 60School of Materials Science and Engineering 黄 培 云 公 式 (压 制 方 程 )的 推 导（ 1） 用 弹 性 和 粘 滞 性 固 体 （ Maxwell体 ） 来 描 述 粉 末 体 对 于 理 想 弹 性 体 ， 应 力 -应 变 关 系 虎 克 定 律 ： =M d/dt = Md/dt 用 M体 代 替 H体 （ 考 虑 粉 末 压 制 时 的 应 力 持 弛 豫 ） ： d/dt = Md/dt /t恒 应 变 ： d/dt= 0 =0 exp（ -t/ 1 ） （ 1） 沾 滞 系 数 ： =M 2 ； 1 应 力 弛 豫 时 间 用 M固 体 描 述 粉 末 体 ， 比 H体 更 接 近 实 际 61School of Materials Science and Engineering （ 2） 类 似 地 ， 也 可 以 用 线 弹 性 体 -Kelvin固 体 （ K体 ） 来 描 述 粉 末 体 （ 同 时 具 有 弹 性 和 应 变 弛 豫 物 体 ） = M+d/dt = M(+2d/dt) （ 2） 沾 滞 系 数 ： =M2 ； 2 应 变 弛 豫 时 间 （ 2） 式 考 虑 了 粉 末 压 制 时 的 应 变 弛 豫l 用 K固 体 描 述 粉 末 体 ， 比 H体 更 接 近 实 际 62School of Materials Science and Engineering （ 3） 用 标 准 线 性 固 体 （ SLS体 ） 来 描 述 粉 末 体 （ 同 时 有 应 力 和 应 变 弛 豫 固 体 ） ：+1d/dt=M(+2d/dt) （ 3） 1 应 力 弛 豫 时 间 2 应 变 弛 豫 时 间 用 SLS描 述 粉 末 体 ， 比 M、 K固 体 更 接 近 实 际 ， 即 （ 3） 式 比 （ 1） 、 （ 2） 式更 接 近 实 际但 （ 3） 式 仍 有 不 足 ： 粉 末 体 充 分 弛 豫 后 应 力 应 变 非 线 性 （ 非 线 性 弹 滞 体 ） ,有 加 工 硬 化 ， 且 变 形 大 School of Materials Science and Engineering63 （ 4） 用 标 准 非 线 性 固 体 （ SNLS体 ） 来 描 述 粉 末 体(+1d/dt)n = M(+2d/dt) n2数 学 变 换 得 ： on =M 或 o = (M)1/n （ 4）（ 4） 式 为 考 虑 了 粉 末 体 的 非 线 性 弹 滞 性 （ 加 工 硬 化 ） 后 的 关 系式 ， 比 （ 3） 式 更 准 确 School of Materials Science and Engineering64 大 程 度 应 变 的 处 理自 然 应 变 ： = LLo dL/L=ln(L/Lo)对 粉 末 体 ， 其 压 制 时 的 体 积 改 变 实 际 上 是 孔 隙 体 积 改 变 定 义 ： = ln (Vo/V/) Vo/、 V/ 粉 末 原 始 和 受 压 P后 的 孔 隙 体 积 （ 注 意 ， 严 格 应 是 = ln(V/Vo/) ， 此 处 是 为 了 保 证 1） = ln (Vo-Vm)/(V-Vm) = ln ( m-o) / (m-)o Vo、 V、 Vm 压 力 为 0、 P、 时 粉 末 的 体 积 o、 、 m压 力 为 0、 P、 时 粉 末 的 密 度School of Materials Science and Engineering65 标 准 非 线 性 固 体 模 型 ， 综 合 考 虑 粉 末 体 非 线性 弹 滞 性 、 加 工 硬 化 等 得 到 压 制 方 程 ：=on /M大 程 度 应 变 ： lg ln (m-o)/(m-)o= n lgP-lgM （ 5）n 硬 化 指 数 的 倒 数 M 压 制 模 量黄 培 云 压 制 方 程 的 最 初 形 式 ， 考 虑 了 粉 末 压 制 过 程 中的 应 力 应 变 弛 豫 、 加 工 硬 化 以 及 大 程 度 应 变 School of Materials Science and Engineering66 考 虑 量 纲 ， 对 原 模 型 进 行 修 正 ： =（ o /M） 1/mmlgln(m-o) /(m-)o = lg P- lg M （ 6） m = 1/n 粉 末 压 制 过 程 的 非 线 性 指 数 ， 反 映 硬 化 趋 势 的 大 小 与 晶体 结 构 ， 粉 末 形 状 、 合 金 化 等 相 关 m 一 般 大 于 1， m越 大 ， 硬 化 趋 势 大 硬 化 指 数 lgln(m-o)/(m-)o与 lgP成 线 性 关 系 双 对 数 方 程 适 应 性 : 对 硬 质 或 软 质 粉 末 、 中 、 高 、 低 压 力 均 有 效 School of Materials Science and Engineering67 School of Materials Science and Engineering68 MPnom om lglg)(lnlg MPm om om lglg)(lnlg 几 个 有 代 表 性 的 压 制 方 程序 号 提 出 日 期 著 者 公 式 注 解1 1938 巴 尔申 lg Pmax - lg P = L (-1) Pmax相 应 于 压 至 最 紧 密 状 态 （ =1）时 的 单 位 压 力L压 力 因 素相 对 体 积2 1930-1948 艾 -沙-柯 = o e-BP ； ln（ / o） = - BP 0 P=0时 的 孔 隙 体 积 的 外 推 值压 力 为 P时 的 孔 隙 体 积B 常 数3 1956 川 北公 夫 C= abP/（ 1+bP）1/C = 1/ab 1/P + 1/a C粉 末 体 积 减 少 率C = （ Vo V） /Vo V、 Vo 压 力 为 P、 0时 的 粉 末 体 积a、 b系 数4 1964 1980 黄 培云 m致 密 金 属 密 度0压 坯 原 始 密 度 压 坯 密 度P压 制 压 强M相 当 于 压 制 模 数n相 当 于 硬 化 指 数 的 倒 数m相 当 于 硬 化 指 数School of Materials Science and Engineering69 相 同 点 ： 系 数 、 定 量 线 性 关 系不 同 点 ： 假 定 、 适 应 性如 何 校 验 方 程 的 正 确 性 ： 自 学压 制 方 程 的 总 结 与 比 较 School of Materials Science and Engineering70 作 业 教 材 第 三 章 ： 1、 4、 5、 6 School of Materials Science and Engineering71 第 四 节 粉 末 压 坯 密 度 的 分 布一 、 模 压 成 形 时 压 坯 密 度 分 布 的 不 均 匀 性（ 一 ） 压 坯 密 度 分 布 不 均 匀 的 现 象仅 通 过 上 模 冲 加 压 的 单 向 压 制 Ni粉 压 坯 ： H： 17.5； D： 20；700MPa School of Materials Science and Engineering72图 3-28 单 向 压 制 铁 粉 压 坯 密 度 和 硬 度 的 分 布 状 况 ： 72mm；粉 末 为 3kg和 1kg（ 上 、 下 图 ） ； 550680MPa； 左 密 度 g/cm3， 右 硬 度 HB 沿 箭 头 方 向 密 度 降 低密 度 变 化 规 律 密 度 分 布 不 均 匀 的 后 果 ： 不 能 正 常 实 现 成 形 ， 如 出现 分 层 ， 断 裂 ， 掉 边 角 等 ； 烧 结 收 缩 不 均 匀 ,导 致 变 形 等 ； 性 能 不 均 匀 ！School of Materials Science and Engineering 73 绝 对 密 度 差 、 相 对 密 度 差 、 平 均 密 度绝 对 密 度 差 ： dj = dmax dmin相 对 密 度 差 ： dr =（ dmax dmin） /dmax 100%（ 二 ） 压 坯 密 度 分 布 不 均 匀 性 表 示密 度 差 反 映 了 模 压 成 形 的 技 术 水 平对 密 度 差 的 数 值 要 求 越 小 ， 要 求 压 制 水 平 就 越 高在 可 能 的 情 况 下 ， 应 采 用 尽 可 能 宽 松 的 密 度 差 School of Materials Science and Engineering74 （ 三 ） 压 坯 密 度 分 布 不 均 匀 的 产 生 原 因 外 摩 擦 力 （ 压 力 损 失 ） 内 摩 擦 力 侧 压 力 压 制 方 式 压 坯 形 状 与 尺 寸 压 模 结 构 与 设 计 润 滑 直 接 影 响 压 制压 力 的 传 递间 接 影 响 压 制压 力 的 传 递 School of Materials Science and Engineering75 二 、 改 善 压 坯 密 度 分 布 不 均 匀 性 的 措 施（ 一 ） 减 小 压 坯 的 高 径 比1、 增 加 高 度 ， 压 坯 密 度 差 增 加 （ 直 径 不 变 ） ；2、 增 加 直 径 ， 密 度 分 布 更 均 匀 （ 高 度 不 变 ） ；即 高 径 比 增 加 ， 密 度 差 增 加 School of Materials Science and Engineering76（ 二 ） 改 善 模 具 内 壁 光 洁 度 、 使 用 润 滑 剂1.采 用 润 滑 剂 目 的 ： 降 低 摩 擦 系 数 以 减 少 外 摩 擦 力 核 心 问 题 ： 润 滑 剂 的 选 择 原 则 和 用 量 润 滑 方 式 ： 模 壁 润 滑 和 粉 末 润 滑2. 改 进 压 模 材 料 及 表 面 状 态3. 原 料 粉 末 的 改 性 1.根 据 压 坯 高 度 (H)和 直 径 (D)或 厚 度 ()的 比 值 选 取 压 制 方 式 H/D1， 而 H/3时 ， 可 采 用 单 向 压 制 ； H/Dl， 而 H/3时 ， 采 用 双 向 压 制 ； H/D4 10时 ， 采 用 带 摩 擦 芯 杆 压 模 压 制 、 双 向 浮 动 压 模 压 制 、 引 下 式 压 模 压 制 等 对 于 很 长 的 制 品 ， 需 采 用 特 殊 成 形 （ 等 静 压 、 挤 压 等 ） （ 三 ） 合 理 选 择 压 制 方 式 四 种 基 本 的 模 压 成 形 方 法a） 单 向 压 制 b） 双 向 压 制 c） 浮 动 模 压 制 d） 引 下 式 压 制a） b） c） d）实 质 上 只 有 单 向 和 双 向 压 制 ！ School of Materials Science and Engineering78 2. 几 种 典 型 压 制 方 式 的 特 点 及 密 度 分 布1） 单 向 压 制（ 1） 压 制 过 程 中 阴 模 不 动 、 下 模 冲 （ 上 模 冲 ） 不 动 ， 压 制 压 力 仅 通 过 上 模 冲 （ 下 模 冲） 施 加 到 粉 末 体 上 。（ 2） 特 点 典 型 的 密 度 分 布 不 均 匀 ； 中 性 轴 位 置 ： 压 坯 下 端 ； H、 H/D增 大 ， 密 度 差 增 大 ； 模 具 结 构 简 单 ， 生 产 率 高 ； 适 应 高 度 小 、 壁 厚 大 的 压 坯 Ps-上 冲 压 力Px-下 冲 压 力F-摩 擦 力中 性 轴 School of Materials Science and Engineering79 2） 双 向 压 制（ 1） 压 制 过 程 中 阴 模 不 动 、 上 、 下 模 冲 都 对 粉 末 体 施 加 压 力。（ 2） 特 点 相 当 于 两 个 单 向 压 制 的 叠 加 ； 中 性 轴 不 在 压 坯 端 部 ； 同 样 压 制 条 件 下 ， 密 度 差 较 单 向 压 制 小 ； 可 用 与 H/D较 大 压 坯 的 压 制 School of Materials Science and Engineering80 （ 3） 双 向 压 制 的 基 本 类 型 同 时 双 向 压 制 （ 图 ） ： 上 下 模 冲 同 时 向 粉 末 体 施 加 相等 的 压 力 非 同 时 双 向 压 制 （ 后 压 ） 完 成 一 次 单 向 压 制 后 ， 再 在 低密 度 端 进 行 一 次 单 向 压 制 。 中 性 轴 School of Materials Science and Engineering81 单 双 向 压 制 的 密 度 分 布School of Materials Science and Engineering82 3） 浮 动 阴 模 压 制（ 1） 定 义 ： 压 制 过 程 中 上 模 冲 向 粉 末 加 压 ， 下 冲 不动 、 阴 模 不 是 固 定 不 动 ， 而 是 通 过 弹 簧 或 汽 缸 、 油 缸等 适 当 支 撑 。（ 2） 特 点 压 制 效 果 与 双 向 压 制 类 似 ； 压 坯 密 度 分 布 与 双 向 压 制 相 同 ； 中 性 轴 的 位 置 与 支 撑 力 有 关 ； 是 生 产 中 广 泛 采 用 的 一 种 压 制 方 式 ， 便 于 装 粉 ； 压 机 下 部 只 需 较 小 的 压 制 和 脱 模 压 力 School of Materials Science and Engineering83 浮 动 阴 模 压 制 的 关 键 ： 弹 簧 支 撑 力 的 确 定阴 模 受 力 ： Fs、 Fx、 Pf、 W，力 平 衡 式 ：只 有 浮 动 压 力 Pf等 于 W， 上 下 模 冲压 力 才 相 等 。浮 动 压 力 Pf过 大 ， 中 性 轴 下 移 ， 密度 差 增 大 。实 际 ： Pf稍 大 于 W， 便 于 阴 模 自 动复 位 。 School of Materials Science and Engineering84 School of Materials Science and Engineering85 4） 拉 下 式 （ 强 动 式 、 引 下 式 ） 压 制 （ d）a） b） c） d）压 制 效 果 与 双 向 压 制 相 同也 是 生 产 中 广 泛 采 用 的 一 种 设 计 ！ School of Materials Science and Engineering86 School of Materials Science and Engineering87 5） 摩 擦 芯 杆 压 制 （ 错 动 双 向 压 制 ）Ps School of Materials Science and Engineering88 摩 擦 芯 杆 压 制 的 特 点 ：（ 1） 阴 模 和 下 模 冲 头 不 动 芯 杆 和 上 模 冲 一 起 同 步 下 降 。（ 2） 外 径 处 ， 压 力 沿 高 度 向 下 减 小 ， 内 径 处 ， 压 力 沿 高 度 向 上逐 渐 减 小 。（ 3） 力 平 衡 关 系 ： Ps+Fx=Fy+Px 当 Fy=Fx时 ， Ps=Px； 阴 模 壁 与 粉 末 间 的 摩 擦 力 和 芯 杆 壁 与 粉 末间 的 摩 擦 力 相 等 时 ， 上 下 模 冲 压 力 相 等 ， 压 坯 密 度 最 均 匀 问 题 ： Fy=Fx， 大 小 相 等 、 方 向 相 反 ， 能 否 完 全 抵 消 ？ School of Materials Science and Engineering89 （ 4） 错 动 压 制 压 坯 的 分 段 平 均 密 变 差 比 单 向 压 制 小 ； 低 密 度层 是 一 个 斜 面 ， 比 双 向 压 坯 强 度 高 。（ 5） 不 适 应 于 厚 壁 压 坯 ： 其 局 部 密 度 均 匀 性 比 双 向 压 制 差 。（ 6） 最 适 于 压 制 细 长 薄 壁 制 品 。 School of Materials Science and Engineering90 （ 三 ） 复 杂 形 状 压 坯 的 压 制 School of Materials Science and Engineering91 1.压 制 的 基 本 原 则 1） 保 证 各 部 分 粉 末 的 压 缩 比 相 等 压 缩 比 ： 粉 末 松 装 高 度 与 压 坯 高 度 之 比 。 装 填 系 数 ： 压 坯 密 度 与 粉 末 松 装 密 度 之 比 。 两 者 数 值 上 相 等 （ 等 截 面 时 ） ！ 2） 采 用 组 合 模 冲 代 替 整 体 模 冲 ， 实 现 补 偿 装 粉 ， 是 实 现 压 缩 比 相 等 的 关 键 补 偿 装 粉 ： 各 部 分 的 粉 料 装 填 高 度 按 装 填 系 数 （ 压 缩 比 ） 来 计 算 。 3） 组 合 模 冲 尽 量 在 下 模 冲 上 实 现 实 际 生 产 中 ， 不 可 能 完 全 按 理 论 计 算 设 计 组 合 模 冲 ， 仍 需 根据 实 际 情 况 进 行 简 化 。 School of Materials Science and Engineering92 1类 零 件 单 台 阶 小 高 径 比 压 坯 的 压 制 School of Materials Science and Engineering93 整 体 模 冲 不 能 实 现 压 坯 密 度 均 匀 为 提 高 密 度 均 匀 性 ， 须 使 用 组 合 （ 分 离 ） 模 冲 ！2.多 台 阶 压 坯 的 压 制 整 体 下 模 冲组 合 下 模 冲 School of Materials Science and Engineering94 使 用 组 合 模 冲 时 料 腔 高 度 的 计 算 ： 若 ： d松 =2.4g/cm3， d坯 =6.6g/cm3 K= d坯 /d松 =2.75 H松 1= Kh坯 =13.75mm H 松 2 =55mm School of Materials Science and Engineering95 带 台 阶 压 坯 的 压 制 ： School of Materials Science and Engineering96 School of Materials Science and Engineering97 3.带 斜 面 压 坯 的 压 制 School of Mat