第 三 章 粉 末 壓 制 成 形 原 理Principles of Powder Compaction（ Pressing）付 健材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院E-Mail: TEL： 13965091840 本 章 內(nèi) 容 3.1 概 述 3.2 壓 制 過 程 中 力 的 分 析 3.3 壓 制 壓 力 與 壓 坯 密 度 的 關(guān) 系 3.4 粉 末 壓 坯 密 度 的 分 布 3.5 粉 末 壓 坯 的 強 度 3.6 影 響 壓 制 過 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 義 ： 將 粉 末 密 實 （ densify） 成 具 有 一 定 形 狀 、 尺寸 、 孔 隙 度 和 強 度 的 坯 體 （ green compacts） 的 工藝 過 程 。 第 一 節(jié) 概 述Consolidation School of Materials Science and Engineering4 成 形 的 重 要 性 1） 是 重 要 性 僅 次 于 燒 結(jié) 的 一 個 基 本 的 粉 末 冶 金 工 藝 過 程 。 2） 比 其 他 工 序 更 限 制 和 決 定 粉 末 冶 金 整 個 生 產(chǎn) 過 程 。 a） 成 形 方 法 的 合 理 與 否 直 接 決 定 其 能 否 順 利 進(jìn) 行 。 b） 影 響 隨 后 各 工 序 （ 包 括 輔 助 工 序 ） 及 最 終 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。 c） 影 響 生 產(chǎn) 的 自 動 化 、 生 產(chǎn) 率 和 生 產(chǎn) 成 本 。 School of Materials Science and Engineering5 成 形 方 法 的 一 般 分 類冷 法 石 膏 模常 壓 冷 法 注 漿加 壓 冷 法 注 漿抽 真 空 冷 法 注 漿等 靜 壓 成 形 isostatic（ hydrostatic） pressing粉 末 壓 制 成 形 （ 鋼 模 壓 制 ） compacting， briquetting， pressing 普 通 成 形注 漿 成 型 法 熱 法 （ 熱 壓 注 法 ） ： 鋼 模粉 末 連 續(xù) 成 形 粉 末 軋 制粉 末 擠 壓 （ 可 塑 成 形 ） 噴 射 成 形熱 成 形 及 高 能 率 成 形 成 形 燒 結(jié) 同 時 進(jìn) 行 特 殊 成 形School of Materials Science and Engineering6 按 成 形 過 程 中 有 無 壓 力 ： 有 壓 （ 壓 力 ） 成 形 、 無 壓 成 形 按 成 形 過 程 中 粉 末 的 溫 度 ： 冷 壓 （ 常 溫 ） 成 形 、 溫 壓 成 形 、 熱 成 形 按 成 形 過 程 的 連 續(xù) 性 ： 間 歇 成 形 、 粉 末 連 續(xù) 成 形 按 成 形 料 的 干 濕 程 度 ： 干 粉 壓 制 、 可 塑 成 形 、 漿 料 成 形 成 形 方 法 的 其 他 分 類 School of Materials Science and Engineering7 成 形 壓 模 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 模 壓 成 形 是 最 重 要 、 應(yīng) 用 最 廣 的 成 形 方 法 ！ 本 章 有 關(guān) 成 形 原 理 的 討 論 以 模 壓 成 形 為 基 礎(chǔ) ！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 壓 成 形 是 將 金 屬 粉 末 或 粉 末 混 合 料 裝 入 鋼 制 壓模 （ 陰 模 ） 中 ， 通 過 模 沖 對 粉 末 加 壓 ， 卸 壓 后 ， 壓 坯 從陰 模 內(nèi) 脫 出 ， 完 成 成 形 過 程 。 9 模 壓 成 形 ， pressing 10 模 壓 成 形 的 主 要 功 用 是 ：將 粉 末 成 形 成 所 要 求 的 形 狀 ；賦 予 壓 坯 以 精 確 的 幾 何 尺 寸 ；賦 予 壓 坯 所 要 求 的 孔 隙 度 和 孔 隙 模 型 ；賦 予 壓 坯 以 適 當(dāng) 的 強 度 以 便 于 搬 運 。 School of Materials Science and Engineering11 12 13 模 壓 成 形 PM產(chǎn) 品 實 例 電 動 工 具 零 件 14School of Materials Science and Engineering 模 壓 成 形 PM產(chǎn) 品 實 例 汽 車 發(fā) 動 機(jī) 用 粉 末 燒 結(jié) 鋼 零 件 15School of Materials Science and Engineering 模 壓 成 形 PM產(chǎn) 品 實 例 汽 車 變 速 箱 粉 末 燒 結(jié) 鋼 零 件 16School of Materials Science and Engineering 17School of Materials Science and Engineering 二 、 金 屬 粉 末 壓 制 過 程 中 發(fā) 生 的 現(xiàn) 象圖 12-4 粉 末 壓 制 示 意 圖 1 陰 模 Die 2上 模 沖 Top（ upper） punch 3下 模 沖 Bottom（ lower） punch 4 粉 末 Powder School of Materials Science and Engineering18 鋼 模壓 制粉 末的基 本過 程 粉 末 混 合料稱 量 、 裝 模壓 制卸 壓脫 模粉 末 壓 坯 Powder mixWeighting，filling Compactingcompacts School of Materials Science and Engineering19 粉 末 壓 制 過 程 中 發(fā) 生 的 現(xiàn) 象1. 壓 制 后 粉 末 體 的 孔 隙 度 降 低 ， 壓 坯 相 對 密 度 明 顯 高 于粉 末 體 的 相 對 密 度 。 壓 制 使 粉 末 體 堆 積 高 度 降 低 ， 一 般 壓 縮 量 超 過 50%2. 軸 向 壓 力 （ 正 壓 力 ） 施 加 于 粉 末 體 ， 粉 末 體 在 某 種 程度 上 表 現(xiàn) 出 類 似 流 體 的 行 為 ， 向 陰 模 模 壁 施 加 作 用 力 ，其 反 作 用 力 側(cè) 壓 力 產(chǎn) 生 。 但 是 粉 末 體 非 流 體 ， 側(cè) 壓 力 小 于 正 壓 力 ！ School of Materials Science and Engineering20 3. 隨 粉 末 體 密 實 ， 壓 坯 密 度 增 加 ， 壓 坯 強 度 也 增 加 。 壓 坯 強 度 是 如 何 形 成 的 ？4. 由 于 粉 末 顆 粒 之 間 摩 擦 ， 壓 力 傳 遞 不 均 勻 ， 壓 坯 中 不 同 部位 密 度 存 在 不 均 勻 。壓 坯 密 度 不 均 勻 對 壓 坯 乃 至 產(chǎn) 品 性 能 有 十 分 重 要 的 影 響 。5. 卸 壓 脫 模 后 ， 壓 坯 尺 寸 發(fā) 生 膨 脹 產(chǎn) 生 彈 性 后 效 彈 性 后 效 是 壓 坯 發(fā) 生 變 形 、 開 裂 的 最 主 要 原 因 之 一 。 School of Materials Science and Engineering21 三 、 粉 末 體 在 壓 制 過 程 中 的 變 形（ 一 ） 粉 末 體 受 壓 力 后 的 變 形 特 點 （ 與 致 密 材 料 受 力 變 形比 較 ）1. 致 密 材 料 受 力 變 形 遵 從 質(zhì) 量 不 變 和 體 積 不 變 ， 粉 末 體 壓 制變 形 僅 服 從 質(zhì) 量 不 變 。 粉 末 體 變 形 較 致 密 材 料 復(fù) 雜 。2.致 密 材 料 受 力 變 形 時 ， 僅 通 過 固 體 質(zhì) 點 本 身 變 形 ， 粉 末 體變 形 包 括 粉 末 顆 粒 的 變 形 ， 還 包 括 顆 粒 之 間 孔 隙 形 態(tài) 的 改變 ， 即 顆 粒 發(fā) 生 位 移 。 ！ 粉 末 體 的 變 形 是 廣 義 變 形 ： 顆 粒 位 移 + 顆 粒 變 形 School of Materials Science and Engineering22 3. 致 密 材 料 變 形 時 ， 各 微 觀 區(qū) 域 的 變 形 規(guī) 律 與 宏 觀 變形 規(guī) 律 基 本 一 致 ， 粉 末 體 變 形 時 ， 各 顆 粒 的 變 形 基本 獨 立 ， 不 同 顆 粒 變 形 程 度 可 能 存 在 較 大 差 異 。4. 粉 末 體 受 力 變 形 時 ， 局 部 區(qū) 域 的 實 際 應(yīng) 力 遠(yuǎn) 高 于 粉末 體 受 到 的 表 觀 應(yīng) 力 （ 表 觀 壓 制 壓 力 ） 。局 部 區(qū) 域 的 高 應(yīng) 力 可 能 超 過 粉 末 顆 粒 的 強 度 極 限 。5. 粉 末 體 受 力 壓 制 ， 顆 粒 之 間 的 接 觸 面 積 隨 壓 制 壓 力增 大 而 增 大 ， 兩 者 間 存 在 一 定 的 定 量 關(guān) 系 。 School of Materials Science and Engineering23 （ 二 ） 粉 末 體 在 壓 制 過 程 中 的 變 形 動 力 （ 變 形 內(nèi) 因 ）1. 粉 末 體 的 多 孔 性 粉 末 體 中 的 孔 隙 包 括 ： 拱 橋 效 應(yīng) 現(xiàn) 象 （ 圖 ） ： 粉 末 在 松 裝 堆 集 時 ， 由 于 表 面 不 規(guī)則 ， 彼 此 之 間 有 摩 擦 ， 顆 粒 相 互 搭 架 而 形 成 拱 橋 孔拱 橋 效 應(yīng) 產(chǎn) 生 的 孔 隙 尺 寸 可 能 遠(yuǎn) 大 于 粉 末 顆 粒 尺 寸 。 一 次 孔 隙 （ 顆 粒 內(nèi) 部 孔 隙 ）二 次 孔 隙 （ 顆 粒 之 間 孔 隙 ）拱 橋 效 應(yīng) 產(chǎn) 生 的 孔 隙School of Materials Science and Engineering24 School of Materials Science and Engineering25 粉 末 體 高 的 孔 隙 率 使 其 受 力 后 易 于 發(fā) 生 重 排 26School of Materials Science and Engineering 2. 粉 末 顆 粒 良 好 的 彈 塑 性 制 粉 過 程 中 ， 粉 末 一 般 都 經(jīng) 過 專 門 處 理 還 原 、 退 火 消 除 加 工 硬 化 、 表 面 雜 質(zhì) 等3. 粉 末 體 較 高 的 比 表 面 積 主 要 作 為 燒 結(jié) 動 力 ， 對 壓 制 也 有 影 響 。實 例 ： 幾 種 商 品 粉 末 的 比 表 面 積 （ cm2/g） ： 還 原 Fe粉 （ 79%-325目 ） ： 5160 還 原 Fe粉 （ 1%-325目 ） ： 516 電 解 Fe粉 （ -200目 ） ： 400 羰 基 Fe粉 （ 7m） ： 3460 還 原 W粉 （ 0.6m） ： 5000 School of Materials Science and Engineering27 （ 三 ） 粉 末 體 在 壓 制 過 程 中 的 （ 位 移 ） 變 形 規(guī) 律 較 低 壓 力 下 首 先 發(fā) 生 位 移 ， 位 移 形 式 多 樣 壓 制 時 粉 末 位 移 的 形 式（ a） 顆 粒 接 近 ； （ b） 顆 粒 分 離 ； （ c） 顆 粒 相 對 滑 動 ； （ d） 顆 粒 相 對 轉(zhuǎn) 動 ； （ e） 顆 粒 因 粉 碎 產(chǎn) 生 移 動 School of Materials Science and Engineering28 影 響 壓 制 時 粉 末 位 移 的 因 素 顆 粒 間 可 用 于 相 互 填 充 的 空 間 （ 孔 隙 ） 粉 末 顆 粒 間 摩 擦 顆 粒 表 面 粗 糙 度 潤 滑 條 件 顆 粒 的 顯 微 硬 度 顆 粒 形 狀 加 壓 速 度 School of Materials Science and Engineering29 2. 粉 末 顆 粒 的 變 形 彈 性 變 形 顆 粒 所 受 實 際 應(yīng) 力 超 過 其 彈 性 極 限 ， 發(fā) 生 彈 性 變 形 。 塑 性 變 形 顆 粒 所 受 實 際 應(yīng) 力 超 過 其 屈 服 極 限 ， 發(fā) 生 塑 性 變 形 。 脆 性 斷 裂 顆 粒 所 受 實 際 應(yīng) 力 超 過 其 強 度 極 限 ， 發(fā) 生 脆 性 斷 裂 。 粉 末 的 位 移 和 變 形 ， 促 使 了 壓 坯 密 度 和 強 度 的 增 高 School of Materials Science and Engineering30 3. 實 際 粉 末 位 移 變 形 的 復(fù) 雜 性 粉 末 的 位 移 和 變 形 與 粉 末 本 身 性 能 有 關(guān) ； 不 同 粉 末 位 移 、 變 形 規(guī) 律 不 同 粉 末 受 力 后 ， 首 先 發(fā) 生 顆 粒 位 移 ， 位 移 方 式 多 種 多 樣 ； 粉 末 顆 粒 位 移 至 一 定 程 度 ， 發(fā) 生 顆 粒 變 形 ， 變 形 方 式 多 樣 ； 位 移 和 變 形 不 能 截 然 分 開 ， 有 重 疊 ； 位 移 總 是 伴 隨 著 變 形 而 發(fā) 生 粉 末 變 形 必 然 產(chǎn) 生 加 工 硬 化 模 壓 成 形 不 能 得 到 完 全 致 密 壓 坯 School of Materials Science and Engineering31 壓 制 過 程 中 粉 末 運 動 示 意 圖a） 松 裝 粉 末 ； b） 拱 橋 破 壞 顆 粒 位 移 ； c） 、 d） 顆 粒 變 形 ； e） 壓 制 成 形 后 a） b） c） d） e） School of Materials Science and Engineering32 四 、 致 密 化 現(xiàn) 象4.1 致 密 化壓 力 作 用 下 松 散 狀 態(tài) 拱 橋 效 應(yīng) 的 破 壞 （ 位 移 顆 粒 重 排 ）+顆 粒 塑 性 變 形 孔 隙 體 積 收 縮 致 密 化與 粉 末 松 裝 密 度 、 流 動 性 存 在 一 定 聯(lián) 系 School of Materials Science and Engineering33 34 第 二 節(jié) 壓 制 過 程 中 力 的 分 析 單 向 壓 制 各 種 力 的 示 意圖 一 、 正 壓 力 、 凈 壓 力 、 壓 力 損 失 ( 壓 制 壓 力 的 分 配 ） 正 壓 力 : p， P（ 單 位 壓 制 壓 力 、 總 壓 力 ） 凈 壓 力 （ 有 效 壓 力 ） ： p， ， P1 壓 力 損 失 ： p， P2克 服 外 摩 擦 力 ， P = P1 + P2 p = p-p，School of Materials Science and Engineering35 園柱型壓模中取小立方體壓坯為分析對象（徑向受力均勻），假 定 ： 陰 模 不 發(fā) 生 變 形 不 考 慮 粉 末 體 的 塑 性 變 形 x yz P壓 坯 受 力 示 意 圖二 、 模 壓 成 形 時 的 側(cè) 壓 力 定 義 ： 壓 制 過 程 中 由 垂 直 壓 力 所 引 起 的 模 壁 施 加 于 壓 坯 的 側(cè) 面 壓 力 稱 為 側(cè) 壓 力（ 一 ） 側(cè) 壓 力 與 壓 制 壓 力 的 關(guān) 系 School of Materials Science and Engineering推 導(dǎo) 36 ppp 1側(cè)p側(cè) 單 位 側(cè) 壓 力 （ MPa） ； p 單 位 壓 制 壓 力 （ MPa） ； = /（ 1- ） 側(cè) 壓 系 數(shù) ； 泊 桑 比 （ 二 ） 側(cè) 壓 系 數(shù) = /（ 1- ） = p側(cè) /p ： 單 位 側(cè) 壓 力 與 單 位 正 壓 力 之 比 影 響 因 素泊 松 比 材 料 本 性 （ 下 表 ） 壓 制 壓 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 側(cè) 壓 系 數(shù) School of Materials Science and Engineering 注 意 幾 個 問 題 ： 公 式 計 算 的 側(cè) 壓 力 是 平 均 值 ， 沿 高 度 不 同 位 置 側(cè) 壓 力不 等 粉 末 體 非 流 體 ， p側(cè) 總 小 于 p 研 究 側(cè) 壓 力 具 有 重 要 意 義 估 算 摩 擦 力 、 壓 力 損 失 模 具 設(shè) 計 的 需 要 解 釋 壓 制 過 程 中 的 一 些 現(xiàn) 象 School of Materials Science and Engineering39 三 、 外 摩 擦 力 、 壓 力 損 失（ 一 ） 外 摩 擦 力 定 義 ： 粉 末 顆 粒 與 陰 模 （ 芯 棒 ） 之 間 的 摩 擦 力 。 對 比 ： 內(nèi) 摩 擦 力 粉 末 顆 粒 之 間 的 摩 擦 力 外 摩 擦 力 與 壓 制 壓 力 的 關(guān) 系式 中 ， f 摩 單 位 外 摩 擦 力 （ MPa） ； 粉 末 與 模 壁 的 摩 擦 系 數(shù) 。ppf 側(cè)摩 School of Materials Science and Engineering40 （ 二 ） 壓 力 損 失 定 義 ： 用 于 克 服 外 摩 擦 力 而 消 耗 的 壓 制 （ 正 ） 壓 力 。 與 壓 制 壓 力 的 關(guān) 系 （ 推 導(dǎo) ）式 中 ， p / 模 底 受 到 的 壓 力 （ N） ； H為 壓 坯 高 度 （ mm） ； D為 壓 坯 直 徑 （ mm）考 慮 到 消 耗 在 彈 性 變 形 上 的 應(yīng) 力 ， 則 ： p1 考 慮 彈 性 變 形 后 模 底 受 到 的 壓 力)4exp( DHPp )8exp(1 DHPp School of Materials Science and Engineering 41 壓 力 損 失 P = P2 = P-P1 壓 力 損 失 是 造 成 壓 坯 密 度分 布 不 均 勻 的 根 本 原 因 ； 應(yīng)盡 量 減 少 ； 特 定 情 況 下 可 以 利 用 外 摩 擦 力減 少 壓 力 損 失 的 措 施 ：（ 1） 添 加 潤 滑 劑 ；（ 2） 提 高 模 具 光 潔 度 和 硬 度 ；（ 3） 改 進(jìn) 成 形 方 式 如 采 用 雙 面 壓 制 等 。 )8exp(1 DHPp School of Materials Science and Engineering42 影 響 壓 力 損 失 的 因 素 摩 擦 系 數(shù) 側(cè) 壓 系 數(shù) 壓 坯 尺 寸 H/D 對 壓 力 損 失 （ 摩 擦 力 ） 有 明 顯 影 響H/D相 同 ， D不 同 ， 達(dá) 到 相 同 的 壓 坯 密 度 ，所 需 單 位 壓 制 壓 力 不 同小 直 徑 壓 坯 需 較 高 的 壓 制 壓 力 （ 圖 ） School of Materials Science and Engineering43 四 、 脫 模 壓 力 定 義 ： 壓 制 壓 力 卸 除 后 ， 使 壓 坯 由 模 中 脫 出 所 需 的 壓 力 稱 為 脫 模 壓 力 。 脫 模 壓 力 與 壓 制 壓 力 、 粉 末 性 能 、 壓 坯 密 度 和 尺 寸 、 壓模 和 潤 滑 劑 等 有 關(guān) 。 p脫 = p側(cè) 剩 （ 單 位 脫 模 壓 力 ） P脫 = p側(cè) 剩 S側(cè) （ 總 脫 模 壓 力 ） 鐵 粉 的 脫 模 壓 力 與 壓 制 壓 力 P的 關(guān) 系 如 下 ： P 脫 0.13 P 硬 質(zhì) 合 金 物 料 在 大 多 數(shù) 情 況 下 ： P脫 0.3 P School of Materials Science and Engineering44 School of Materials Science and Engineering45 五 、 彈 性 內(nèi) 應(yīng) 力 與 后 效 （ Springback） 彈 性 內(nèi) 應(yīng) 力 ： 粉 末 體 受 壓 后 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 的 變 形 抗 力 （ 阻 力 ） 彈 性 后 效 ： 當(dāng) 壓 力 去 除 ， 把 壓 坯 從 壓 模 中 脫 出 ， 由 于 彈 性 內(nèi)應(yīng) 力 的 松 弛 作 用 ， 粉 末 壓 坯 會 發(fā) 生 彈 性 膨 脹 ， 稱 為 彈 性 后 效。 計 算 ： = L/L 0 x 100% =（ L-L0） /L0 x100% 高 度 或 直 徑 方 向 彈 性 后 效 ； Lo L 卸 壓 前 后 壓 坯 直 徑 （ 高 度 ） School of Materials Science and Engineering46 School of Materials Science and Engineering47 影 響 彈 性 后 效 的 因 素 粉 末 性 能 粉 末 成 形 性 差 ， 難 成 形 ， 需 高 的 壓 制 壓 力 ， 增 加 彈 性 后 效 霧 化 鐵 粉 還 原 鐵 粉 電 解 鐵 粉 細(xì) 粉 彈 性 后 效 高 于 粗 粉 ： 細(xì) 粉 粗 粉 壓 制 壓 力 P較 低 時 ， P增 加 ， 增 加 ； P較 大 時 ， P增 加 ， 減 小 ； 一 定 范 圍 內(nèi) ， P對 影 響 不 大 （ p202圖 2-25） School of Materials Science and Engineering48 P（ MPa） 無 潤 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 潤 滑 條 件 （ Cu粉 壓 制 ） School of Materials Science and Engineering 彈 性 后 效 各 向 異 性 （ 徑 向 彈 性 后 效 軸 向 彈 性 后 效 ） 彈 性 后 效 是 設(shè) 計 模 具 的 重 要 參 數(shù) 之 一 彈 性 后 效 是 壓 坯 產(chǎn) 生 變 形 、 開 裂 的 主 要 原 因 之 一 School of Materials Science and Engineering50 一 、 壓 坯 密 度 隨 壓 制 壓 力 的 變 化 規(guī) 律 （ 定 性 描 述 ）（ 一 ） 理 想 的 壓 制 曲 線 第 階 段 ： 顆 粒 位 移 ， 填 充 孔 隙 壓 力 增 加 ， 密 度 快 速 增 加 滑 動 階 段第 階 段 ： 壓 力 續(xù) 增 加 ， 壓 坯 密 度 增 加 不 明 顯 平 衡 階 段第 階 段 ： 壓 力 超 過 一 定 值 ， 壓 力 升 高 ， 壓 坯 密 度 繼 續(xù) 增 加 顆 粒 變 形 階 段第 三 節(jié) 壓 制 壓 力 與 壓 坯 密 度 的 關(guān) 系 School of Materials Science and Engineering51 粗 顆 粒 、 軟 顆 粒 、低 成 形 速 度細(xì) 顆 粒 、 硬 顆 粒 、高 成 形 速 度 p（ 二 ） 實 際 粉 末 的 壓 制 曲 線1.基 本 規(guī) 律 （ 圖 ）2. 實 際 粉 末 壓 制 時 ， 三 個 階 段 相互 重 疊 ， 不 可 截 然 分 開 ： 位 移 階 段 有 變 形 ， 變 形 階 段 有 位 移3. 粉 末 性 質(zhì) 不 同 ， 某 一 階 段 的 特 征 可 能 不 明 顯 或 特 別 突 出 。Q:實 際 壓 制 壓 力 如 何 選 擇 ？ School of Materials Science and Engineering52 School of Materials Science and Engineering53 （ 一 ） 巴 爾 申 方 程 1.基 本 假 設(shè) 1） 將 粉 末 體 視 為 彈 性 體 2） 不 考 慮 粉 末 的 加 工 硬 化 3） 不 考 慮 摩 擦 力 的 影 響 4） 不 考 慮 壓 制 時 間 的 影 響 5） 不 考 慮 粉 末 流 動 性 的 影 響二 、 壓 制 方 程 壓 坯 密 度 與 壓 制 壓 力 關(guān) 系 的 定 量 描 述 School of Materials Science and Engineering54 2. 方 程 推 導(dǎo)任 意 一 點 的 變 形 與 壓 力 間 的 變 化 率 ： d/d=k=dP/A -對 應(yīng) 于 壓 縮 量 ； A-顆 粒 間 有 效 接 觸 面 積積 分 、 變 換 并 取 對 數(shù) 后 得 : lgPmax-lg P = L(-1) lgP與 (-1)成 線 性 關(guān) 系L=壓 制 因 子 , =壓 坯 的 相 對 體 積 （ =V 粉 /V顆 粒 ， = +1）3.適 應(yīng) 性硬 質(zhì) 粉 末 或 中 等 硬 度 粉 末 在 中 壓 范 圍 內(nèi) 壓 坯 密 度的 定 量 描 述 School of Materials Science and Engineering55 巴 爾 申 方 程 在 高 壓 與 低 壓 情 形 下 出 現(xiàn) 偏 差 的 原 因低 壓 粉 末 顆 粒 以 位 移 方 式 填 充 孔 隙 空 間 為 主 粉 末 體 的 實 際 壓 縮 模 量 高 于 計 算 值 （ 即 理 論 值 ） ， 產(chǎn)生 偏 高 現(xiàn) 象高 壓 粉 末 產(chǎn) 生 加 工 硬 化 現(xiàn) 象 和 摩 擦 力 的 貢 獻(xiàn) 大 ， 導(dǎo) 致 實 際值 低 于 計 算 值 School of Materials Science and Engineering56 （ 二 ） 川 北 方 程1.基 本 假 設(shè) 1) 粉 末 層 內(nèi) 所 有 各 點 的 單 位 壓 力 相 等 。 2) 粉 末 層 內(nèi) 各 點 的 壓 力 是 外 力 和 粉 末 內(nèi) 固 有 的 內(nèi) 壓 力 之 和 ， 內(nèi)壓 力 與 粉 末 的 聚 集 力 或 吸 附 力 有 關(guān) ， 與 粉 末 屈 服 值 有 密 切 關(guān)系 。 3) 粉 末 層 各 斷 面 上 的 外 壓 力 與 該 斷 面 上 粉 末 的 實 際 斷 面 積 受 的壓 力 總 和 保 持 平 衡 。 外 壓 如 增 加 ， 粉 末 體 便 壓 縮 . 4) 每 個 粉 末 顆 粒 僅 能 承 受 它 所 固 有 的 屈 服 極 限 的 能 力 。 5) 粉 末 壓 縮 時 的 各 個 顆 粒 位 移 的 幾 率 和 它 鄰 接 的 孔 隙 大 小 成 比例 。 School of Materials Science and Engineering57 2.方 程 推 導(dǎo) C = （ Vo V） /Vo = ab P/（ 1 + bP） 1/C = 1/(abP) + 1/a C 粉 末 體 體 積 減 少 率 V、 Vo 壓 力 為 P、 0時 的 粉 末 體 積 a、 b 常 數(shù) 1/C 與 1/P成 線 性 關(guān) 系3.適 應(yīng) 性 : 壓 力 不 大 時 準(zhǔn) 確 性 較 好 School of Materials Science and Engineering58 （ 三 ） 艾 -沙 -柯 方 程 沉 積 巖 和 粘 土 在 壓 力 下 孔 隙 率 與 壓 力 關(guān) 系 ：= o e-BP ； ln（ / o） = - BPo = （ VoV） / Vo = （ VV） /V Vo、 V、 V壓 力 為 0、 P和 時 的 粉 末 體 積ln（ / 0） 與 P成 線 性 關(guān) 系適 應(yīng) 性 ： 一 般 粉 （ 尤 非 金 屬 粉 末 ） School of Materials Science and Engineering59 （ 四 ） 黃 培 云 壓 制 理 論 （ 方 程 ）理 論 基 礎(chǔ)1. 壓 坯 密 度 是 外 壓 的 函 數(shù) ： =kf(P)2. 常 用 力 學(xué) 模 型 理 想 彈 性 體 -虎 克 體 （ H體 ） ： =M 理 想 液 體 -牛 頓 體 （ N體 ） ： =d/dt 線 彈 性 -塑 性 體 -Maxwell體 （ M體 ） （ 彈 性 和 粘 滯 性 物 體 ） 線 彈 性 體 -應(yīng) 變 弛 豫 體 Kelvin固 體 （ K體 ） 60School of Materials Science and Engineering 黃 培 云 公 式 (壓 制 方 程 )的 推 導(dǎo)（ 1） 用 彈 性 和 粘 滯 性 固 體 （ Maxwell體 ） 來 描 述 粉 末 體 對 于 理 想 彈 性 體 ， 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 關(guān) 系 虎 克 定 律 ： =M d/dt = Md/dt 用 M體 代 替 H體 （ 考 慮 粉 末 壓 制 時 的 應(yīng) 力 持 弛 豫 ） ： d/dt = Md/dt /t恒 應(yīng) 變 ： d/dt= 0 =0 exp（ -t/ 1 ） （ 1） 沾 滯 系 數(shù) ： =M 2 ； 1 應(yīng) 力 弛 豫 時 間 用 M固 體 描 述 粉 末 體 ， 比 H體 更 接 近 實 際 61School of Materials Science and Engineering （ 2） 類 似 地 ， 也 可 以 用 線 彈 性 體 -Kelvin固 體 （ K體 ） 來 描 述 粉 末 體 （ 同 時 具 有 彈 性 和 應(yīng) 變 弛 豫 物 體 ） = M+d/dt = M(+2d/dt) （ 2） 沾 滯 系 數(shù) ： =M2 ； 2 應(yīng) 變 弛 豫 時 間 （ 2） 式 考 慮 了 粉 末 壓 制 時 的 應(yīng) 變 弛 豫l 用 K固 體 描 述 粉 末 體 ， 比 H體 更 接 近 實 際 62School of Materials Science and Engineering （ 3） 用 標(biāo) 準(zhǔn) 線 性 固 體 （ SLS體 ） 來 描 述 粉 末 體 （ 同 時 有 應(yīng) 力 和 應(yīng) 變 弛 豫 固 體 ） ：+1d/dt=M(+2d/dt) （ 3） 1 應(yīng) 力 弛 豫 時 間 2 應(yīng) 變 弛 豫 時 間 用 SLS描 述 粉 末 體 ， 比 M、 K固 體 更 接 近 實 際 ， 即 （ 3） 式 比 （ 1） 、 （ 2） 式更 接 近 實 際但 （ 3） 式 仍 有 不 足 ： 粉 末 體 充 分 弛 豫 后 應(yīng) 力 應(yīng) 變 非 線 性 （ 非 線 性 彈 滯 體 ） ,有 加 工 硬 化 ， 且 變 形 大 School of Materials Science and Engineering63 （ 4） 用 標(biāo) 準(zhǔn) 非 線 性 固 體 （ SNLS體 ） 來 描 述 粉 末 體(+1d/dt)n = M(+2d/dt) n2數(shù) 學(xué) 變 換 得 ： on =M 或 o = (M)1/n （ 4）（ 4） 式 為 考 慮 了 粉 末 體 的 非 線 性 彈 滯 性 （ 加 工 硬 化 ） 后 的 關(guān) 系式 ， 比 （ 3） 式 更 準(zhǔn) 確 School of Materials Science and Engineering64 大 程 度 應(yīng) 變 的 處 理自 然 應(yīng) 變 ： = LLo dL/L=ln(L/Lo)對 粉 末 體 ， 其 壓 制 時 的 體 積 改 變 實 際 上 是 孔 隙 體 積 改 變 定 義 ： = ln (Vo/V/) Vo/、 V/ 粉 末 原 始 和 受 壓 P后 的 孔 隙 體 積 （ 注 意 ， 嚴(yán) 格 應(yīng) 是 = ln(V/Vo/) ， 此 處 是 為 了 保 證 1） = ln (Vo-Vm)/(V-Vm) = ln ( m-o) / (m-)o Vo、 V、 Vm 壓 力 為 0、 P、 時 粉 末 的 體 積 o、 、 m壓 力 為 0、 P、 時 粉 末 的 密 度School of Materials Science and Engineering65 標(biāo) 準(zhǔn) 非 線 性 固 體 模 型 ， 綜 合 考 慮 粉 末 體 非 線性 彈 滯 性 、 加 工 硬 化 等 得 到 壓 制 方 程 ：=on /M大 程 度 應(yīng) 變 ： lg ln (m-o)/(m-)o= n lgP-lgM （ 5）n 硬 化 指 數(shù) 的 倒 數(shù) M 壓 制 模 量黃 培 云 壓 制 方 程 的 最 初 形 式 ， 考 慮 了 粉 末 壓 制 過 程 中的 應(yīng) 力 應(yīng) 變 弛 豫 、 加 工 硬 化 以 及 大 程 度 應(yīng) 變 School of Materials Science and Engineering66 考 慮 量 綱 ， 對 原 模 型 進(jìn) 行 修 正 ： =（ o /M） 1/mmlgln(m-o) /(m-)o = lg P- lg M （ 6） m = 1/n 粉 末 壓 制 過 程 的 非 線 性 指 數(shù) ， 反 映 硬 化 趨 勢 的 大 小 與 晶體 結(jié) 構(gòu) ， 粉 末 形 狀 、 合 金 化 等 相 關(guān) m 一 般 大 于 1， m越 大 ， 硬 化 趨 勢 大 硬 化 指 數(shù) lgln(m-o)/(m-)o與 lgP成 線 性 關(guān) 系 雙 對 數(shù) 方 程 適 應(yīng) 性 : 對 硬 質(zhì) 或 軟 質(zhì) 粉 末 、 中 、 高 、 低 壓 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 幾 個 有 代 表 性 的 壓 制 方 程序 號 提 出 日 期 著 者 公 式 注 解1 1938 巴 爾申 lg Pmax - lg P = L (-1) Pmax相 應(yīng) 于 壓 至 最 緊 密 狀 態(tài) （ =1）時 的 單 位 壓 力L壓 力 因 素相 對 體 積2 1930-1948 艾 -沙-柯 = o e-BP ； ln（ / o） = - BP 0 P=0時 的 孔 隙 體 積 的 外 推 值壓 力 為 P時 的 孔 隙 體 積B 常 數(shù)3 1956 川 北公 夫 C= abP/（ 1+bP）1/C = 1/ab 1/P + 1/a C粉 末 體 積 減 少 率C = （ Vo V） /Vo V、 Vo 壓 力 為 P、 0時 的 粉 末 體 積a、 b系 數(shù)4 1964 1980 黃 培云 m致 密 金 屬 密 度0壓 坯 原 始 密 度 壓 坯 密 度P壓 制 壓 強M相 當(dāng) 于 壓 制 模 數(shù)n相 當(dāng) 于 硬 化 指 數(shù) 的 倒 數(shù)m相 當(dāng) 于 硬 化 指 數(shù)School of Materials Science and Engineering69 相 同 點 ： 系 數(shù) 、 定 量 線 性 關(guān) 系不 同 點 ： 假 定 、 適 應(yīng) 性如 何 校 驗 方 程 的 正 確 性 ： 自 學(xué)壓 制 方 程 的 總 結(jié) 與 比 較 School of Materials Science and Engineering70 作 業(yè) 教 材 第 三 章 ： 1、 4、 5、 6 School of Materials Science and Engineering71 第 四 節(jié) 粉 末 壓 坯 密 度 的 分 布一 、 模 壓 成 形 時 壓 坯 密 度 分 布 的 不 均 勻 性（ 一 ） 壓 坯 密 度 分 布 不 均 勻 的 現(xiàn) 象僅 通 過 上 模 沖 加 壓 的 單 向 壓 制 Ni粉 壓 坯 ： H： 17.5； D： 20；700MPa School of Materials Science and Engineering72圖 3-28 單 向 壓 制 鐵 粉 壓 坯 密 度 和 硬 度 的 分 布 狀 況 ： 72mm；粉 末 為 3kg和 1kg（ 上 、 下 圖 ） ； 550680MPa； 左 密 度 g/cm3， 右 硬 度 HB 沿 箭 頭 方 向 密 度 降 低密 度 變 化 規(guī) 律 密 度 分 布 不 均 勻 的 后 果 ： 不 能 正 常 實 現(xiàn) 成 形 ， 如 出現(xiàn) 分 層 ， 斷 裂 ， 掉 邊 角 等 ； 燒 結(jié) 收 縮 不 均 勻 ,導(dǎo) 致 變 形 等 ； 性 能 不 均 勻 ！School of Materials Science and Engineering 73 絕 對 密 度 差 、 相 對 密 度 差 、 平 均 密 度絕 對 密 度 差 ： dj = dmax dmin相 對 密 度 差 ： dr =（ dmax dmin） /dmax 100%（ 二 ） 壓 坯 密 度 分 布 不 均 勻 性 表 示密 度 差 反 映 了 模 壓 成 形 的 技 術(shù) 水 平對 密 度 差 的 數(shù) 值 要 求 越 小 ， 要 求 壓 制 水 平 就 越 高在 可 能 的 情 況 下 ， 應(yīng) 采 用 盡 可 能 寬 松 的 密 度 差 School of Materials Science and Engineering74 （ 三 ） 壓 坯 密 度 分 布 不 均 勻 的 產(chǎn) 生 原 因 外 摩 擦 力 （ 壓 力 損 失 ） 內(nèi) 摩 擦 力 側(cè) 壓 力 壓 制 方 式 壓 坯 形 狀 與 尺 寸 壓 模 結(jié) 構(gòu) 與 設(shè) 計 潤 滑 直 接 影 響 壓 制壓 力 的 傳 遞間 接 影 響 壓 制壓 力 的 傳 遞 School of Materials Science and Engineering75 二 、 改 善 壓 坯 密 度 分 布 不 均 勻 性 的 措 施（ 一 ） 減 小 壓 坯 的 高 徑 比1、 增 加 高 度 ， 壓 坯 密 度 差 增 加 （ 直 徑 不 變 ） ；2、 增 加 直 徑 ， 密 度 分 布 更 均 勻 （ 高 度 不 變 ） ；即 高 徑 比 增 加 ， 密 度 差 增 加 School of Materials Science and Engineering76（ 二 ） 改 善 模 具 內(nèi) 壁 光 潔 度 、 使 用 潤 滑 劑1.采 用 潤 滑 劑 目 的 ： 降 低 摩 擦 系 數(shù) 以 減 少 外 摩 擦 力 核 心 問 題 ： 潤 滑 劑 的 選 擇 原 則 和 用 量 潤 滑 方 式 ： 模 壁 潤 滑 和 粉 末 潤 滑2. 改 進(jìn) 壓 模 材 料 及 表 面 狀 態(tài)3. 原 料 粉 末 的 改 性 1.根 據(jù) 壓 坯 高 度 (H)和 直 徑 (D)或 厚 度 ()的 比 值 選 取 壓 制 方 式 H/D1， 而 H/3時 ， 可 采 用 單 向 壓 制 ； H/Dl， 而 H/3時 ， 采 用 雙 向 壓 制 ； H/D4 10時 ， 采 用 帶 摩 擦 芯 桿 壓 模 壓 制 、 雙 向 浮 動 壓 模 壓 制 、 引 下 式 壓 模 壓 制 等 對 于 很 長 的 制 品 ， 需 采 用 特 殊 成 形 （ 等 靜 壓 、 擠 壓 等 ） （ 三 ） 合 理 選 擇 壓 制 方 式 四 種 基 本 的 模 壓 成 形 方 法a） 單 向 壓 制 b） 雙 向 壓 制 c） 浮 動 模 壓 制 d） 引 下 式 壓 制a） b） c） d）實 質(zhì) 上 只 有 單 向 和 雙 向 壓 制 ！ School of Materials Science and Engineering78 2. 幾 種 典 型 壓 制 方 式 的 特 點 及 密 度 分 布1） 單 向 壓 制（ 1） 壓 制 過 程 中 陰 模 不 動 、 下 模 沖 （ 上 模 沖 ） 不 動 ， 壓 制 壓 力 僅 通 過 上 模 沖 （ 下 模 沖） 施 加 到 粉 末 體 上 。（ 2） 特 點 典 型 的 密 度 分 布 不 均 勻 ； 中 性 軸 位 置 ： 壓 坯 下 端 ； H、 H/D增 大 ， 密 度 差 增 大 ； 模 具 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 生 產(chǎn) 率 高 ； 適 應(yīng) 高 度 小 、 壁 厚 大 的 壓 坯 Ps-上 沖 壓 力Px-下 沖 壓 力F-摩 擦 力中 性 軸 School of Materials Science and Engineering79 2） 雙 向 壓 制（ 1） 壓 制 過 程 中 陰 模 不 動 、 上 、 下 模 沖 都 對 粉 末 體 施 加 壓 力。（ 2） 特 點 相 當(dāng) 于 兩 個 單 向 壓 制 的 疊 加 ； 中 性 軸 不 在 壓 坯 端 部 ； 同 樣 壓 制 條 件 下 ， 密 度 差 較 單 向 壓 制 小 ； 可 用 與 H/D較 大 壓 坯 的 壓 制 School of Materials Science and Engineering80 （ 3） 雙 向 壓 制 的 基 本 類 型 同 時 雙 向 壓 制 （ 圖 ） ： 上 下 模 沖 同 時 向 粉 末 體 施 加 相等 的 壓 力 非 同 時 雙 向 壓 制 （ 后 壓 ） 完 成 一 次 單 向 壓 制 后 ， 再 在 低密 度 端 進(jìn) 行 一 次 單 向 壓 制 。 中 性 軸 School of Materials Science and Engineering81 單 雙 向 壓 制 的 密 度 分 布School of Materials Science and Engineering82 3） 浮 動 陰 模 壓 制（ 1） 定 義 ： 壓 制 過 程 中 上 模 沖 向 粉 末 加 壓 ， 下 沖 不動 、 陰 模 不 是 固 定 不 動 ， 而 是 通 過 彈 簧 或 汽 缸 、 油 缸等 適 當(dāng) 支 撐 。（ 2） 特 點 壓 制 效 果 與 雙 向 壓 制 類 似 ； 壓 坯 密 度 分 布 與 雙 向 壓 制 相 同 ； 中 性 軸 的 位 置 與 支 撐 力 有 關(guān) ； 是 生 產(chǎn) 中 廣 泛 采 用 的 一 種 壓 制 方 式 ， 便 于 裝 粉 ； 壓 機(jī) 下 部 只 需 較 小 的 壓 制 和 脫 模 壓 力 School of Materials Science and Engineering83 浮 動 陰 模 壓 制 的 關(guān) 鍵 ： 彈 簧 支 撐 力 的 確 定陰 模 受 力 ： Fs、 Fx、 Pf、 W，力 平 衡 式 ：只 有 浮 動 壓 力 Pf等 于 W， 上 下 模 沖壓 力 才 相 等 。浮 動 壓 力 Pf過 大 ， 中 性 軸 下 移 ， 密度 差 增 大 。實 際 ： Pf稍 大 于 W， 便 于 陰 模 自 動復(fù) 位 。 School of Materials Science and Engineering84 School of Materials Science and Engineering85 4） 拉 下 式 （ 強 動 式 、 引 下 式 ） 壓 制 （ d）a） b） c） d）壓 制 效 果 與 雙 向 壓 制 相 同也 是 生 產(chǎn) 中 廣 泛 采 用 的 一 種 設(shè) 計 ！ School of Materials Science and Engineering86 School of Materials Science and Engineering87 5） 摩 擦 芯 桿 壓 制 （ 錯 動 雙 向 壓 制 ）Ps School of Materials Science and Engineering88 摩 擦 芯 桿 壓 制 的 特 點 ：（ 1） 陰 模 和 下 模 沖 頭 不 動 芯 桿 和 上 模 沖 一 起 同 步 下 降 。（ 2） 外 徑 處 ， 壓 力 沿 高 度 向 下 減 小 ， 內(nèi) 徑 處 ， 壓 力 沿 高 度 向 上逐 漸 減 小 。（ 3） 力 平 衡 關(guān) 系 ： Ps+Fx=Fy+Px 當(dāng) Fy=Fx時 ， Ps=Px； 陰 模 壁 與 粉 末 間 的 摩 擦 力 和 芯 桿 壁 與 粉 末間 的 摩 擦 力 相 等 時 ， 上 下 模 沖 壓 力 相 等 ， 壓 坯 密 度 最 均 勻 問 題 ： Fy=Fx， 大 小 相 等 、 方 向 相 反 ， 能 否 完 全 抵 消 ？ School of Materials Science and Engineering89 （ 4） 錯 動 壓 制 壓 坯 的 分 段 平 均 密 變 差 比 單 向 壓 制 小 ； 低 密 度層 是 一 個 斜 面 ， 比 雙 向 壓 坯 強 度 高 。（ 5） 不 適 應(yīng) 于 厚 壁 壓 坯 ： 其 局 部 密 度 均 勻 性 比 雙 向 壓 制 差 。（ 6） 最 適 于 壓 制 細(xì) 長 薄 壁 制 品 。 School of Materials Science and Engineering90 （ 三 ） 復(fù) 雜 形 狀 壓 坯 的 壓 制 School of Materials Science and Engineering91 1.壓 制 的 基 本 原 則 1） 保 證 各 部 分 粉 末 的 壓 縮 比 相 等 壓 縮 比 ： 粉 末 松 裝 高 度 與 壓 坯 高 度 之 比 。 裝 填 系 數(shù) ： 壓 坯 密 度 與 粉 末 松 裝 密 度 之 比 。 兩 者 數(shù) 值 上 相 等 （ 等 截 面 時 ） ！ 2） 采 用 組 合 模 沖 代 替 整 體 模 沖 ， 實 現(xiàn) 補 償 裝 粉 ， 是 實 現(xiàn) 壓 縮 比 相 等 的 關(guān) 鍵 補 償 裝 粉 ： 各 部 分 的 粉 料 裝 填 高 度 按 裝 填 系 數(shù) （ 壓 縮 比 ） 來 計 算 。 3） 組 合 模 沖 盡 量 在 下 模 沖 上 實 現(xiàn) 實 際 生 產(chǎn) 中 ， 不 可 能 完 全 按 理 論 計 算 設(shè) 計 組 合 模 沖 ， 仍 需 根據(jù) 實 際 情 況 進(jìn) 行 簡 化 。 School of Materials Science and Engineering92 1類 零 件 單 臺 階 小 高 徑 比 壓 坯 的 壓 制 School of Materials Science and Engineering93 整 體 模 沖 不 能 實 現(xiàn) 壓 坯 密 度 均 勻 為 提 高 密 度 均 勻 性 ， 須 使 用 組 合 （ 分 離 ） 模 沖 ！2.多 臺 階 壓 坯 的 壓 制 整 體 下 模 沖組 合 下 模 沖 School of Materials Science and Engineering94 使 用 組 合 模 沖 時 料 腔 高 度 的 計 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 帶 臺 階 壓 坯 的 壓 制 ： School of Materials Science and Engineering96 School of Materials Science and Engineering97 3.帶 斜 面 壓 坯 的 壓 制 School of Mat