1、压制成型技术及其理论压制成型技术及其理论一、一、粉末压制过程粉末压制过程压制压力与压坯密度的关系压制压力与压坯密度的关系 干压成型示意图（单向压）干压成型示意图（单向压）1，阴模；，阴模；2，上模冲；，上模冲；3，下模冲；，下模冲；4，粉料，粉料第一节第一节 压制成型原理压制成型原理 不同粉料的压缩性能不同粉料的压缩性能压制曲线压制曲线一、一、粉末压制过程粉末压制过程 1、第、第I阶段：阶段：密度随压力快速增加，颗粒填密度随压力快速增加，颗粒填入空隙。同时松装粉末的入空隙。同时松装粉末的“拱桥拱桥”被压破，颗粒作相对滑动和转动；被压破，颗粒作相对滑动和转动；2、第、第II阶段：阶段：密度随压力
2、增加缓慢。颗粒通密度随压力增加缓慢。颗粒通过变形或破碎填充进剩余空隙中，过变形或破碎填充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致使压坯变形过程导致加工硬化，致使压坯密度随压力增加越来越慢；密度随压力增加越来越慢；3、第、第III阶段：阶段：密度几乎不随压力增加而变化。密度几乎不随压力增加而变化。第一节第一节 压制成型原理压制成型原理 不同粉料的压缩性能不同粉料的压缩性能一、一、粉末压制过程粉末压制过程 干压成型示意图（单向压）干压成型示意图（单向压）1，阴模；，阴模；2，上模冲；，上模冲；3，下模冲；，下模冲；4，粉料，粉料第一节第一节 压制成型原理压制成型原理 不同粉料的压缩性能不同粉料的压缩
3、性能 干压成型示意图（单向压）干压成型示意图（单向压）1，阴模；，阴模；2，上模冲；，上模冲；3，下模冲；，下模冲；4，粉料，粉料 粉料刚装入模具时，呈松装堆积。粉料刚装入模具时，呈松装堆积。如颗粒搭接形成拱桥。粉料堆积体中如颗粒搭接形成拱桥。粉料堆积体中的空隙很大的空隙很大,粉料具有被压缩的可能粉料具有被压缩的可能性。性。拱桥现象 干压成型示意图（单向压）干压成型示意图（单向压）1，阴模；，阴模；2，上模冲；，上模冲；3，下模冲；，下模冲；4，粉料，粉料 粉料受压力时，克服了颗粒间的粉料受压力时，克服了颗粒间的作用力，通过以下方式发生颗粒重新作用力，通过以下方式发生颗粒重新排列（颗粒重排）排
4、列（颗粒重排）,使拱桥效应破坏，使拱桥效应破坏，填充密度提高。填充密度提高。颗粒位移的几种形式颗粒位移的几种形式 干压成型示意图（单向压）干压成型示意图（单向压）1，阴模；，阴模；2，上模冲；，上模冲；3，下模冲；，下模冲；4，粉料，粉料 压力增大到一定程度时，颗粒产生变形。随压力增大，颗压力增大到一定程度时，颗粒产生变形。随压力增大，颗粒依次以三种机制变形：粒依次以三种机制变形：l 弹性变形弹性变形 颗粒承受的应力达到了颗粒的弹性极限时，颗粒发生弹性变形。外力卸颗粒承受的应力达到了颗粒的弹性极限时，颗粒发生弹性变形。外力卸掉后，颗粒的变形可以消失。掉后，颗粒的变形可以消失。l 塑性变形塑性变
5、形 颗粒承受的应力达到了颗粒的屈服极限时，颗粒发生塑性变形。外力卸颗粒承受的应力达到了颗粒的屈服极限时，颗粒发生塑性变形。外力卸掉后，颗粒的变形仍然保存。掉后，颗粒的变形仍然保存。l 断裂断裂 颗粒承受的应力达到了颗粒的断裂强度时，颗粒发生破裂。但压制应力颗粒承受的应力达到了颗粒的断裂强度时，颗粒发生破裂。但压制应力一般没有达到使颗粒破裂的程度。一般没有达到使颗粒破裂的程度。随着压力的增加，随着压力的增加，粉体成型坯的孔隙率降粉体成型坯的孔隙率降低；在同样压力下，镁低；在同样压力下，镁粉压坯中的孔隙率明显粉压坯中的孔隙率明显低于二氧化钍粉压坯，低于二氧化钍粉压坯，即镁坯料更容易压制。即镁坯料更
6、容易压制。不同粉料的压缩性能不同粉料的压缩性能 1 1，二氧化钍粉；，二氧化钍粉；2 2，镁粉，镁粉（一）基本定义（一）基本定义 密度密度 =质量质量/体积体积（g/cmg/cm3 3)比容比容 =1/=1/(cm(cm3 3/g)/g)相对密度相对密度 d=d=/m m m m 固体的理论密度固体的理论密度 （一）等高制品中粉末的运动规律（一）等高制品中粉末的运动规律 等高制品压制过程中，粉末运动等高制品压制过程中，粉末运动的最大特征：的最大特征：（1）粉末体压缩比）粉末体压缩比 0HKh（2）d1 =d2=d3=d4=d5 =d n-1 d1 =d2=d3=d4=d5 =d n-1 H =
7、d1+d2+d3+d4+d5 +d n-1 h=d1+d2+d3+d4+d5 +d n-1 （2）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律 考虑如下图所示粉末颗粒层堆积的情况，设考虑如下图所示粉末颗粒层堆积的情况，设1 1、2 2、3 3、4 4、5 5层的总位移量分别为层的总位移量分别为dHdH1 1、dHdH2 、dHdH3 3、dHdH4、dHdH5 5,则则：dHdH5 5 dH dH4 dH3 dH2 dHdH1 1 （2）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律各层位移量各层位移量dHndHn与其层数代码与其层数代
8、码n n和相邻两层之间位移量和相邻两层之间位移量d d之间的关系如下。之间的关系如下。dHdH1 1=0=0dHdH2=(d1-d1)(2-1)=(d1-d1)dH H3=(d2-d2)(3-1)=2(d2-d2)dH H4=(d3-d3)(4-1)=3(d3-d3)dHdH5 5 =(d4-d4)(5-1)=4(d4-d4).dHdHn n =(n-1)d d（2）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律）理想均匀压缩条件下粉末颗粒的位移规律 实际粉末实际粉末颗粒层数颗粒层数取决于粉末体的取决于粉末体的高度高度H H 和粉末的平和粉末的平均粒度。设粉末的均粒度。设粉末的平均粒度为平均粒度为，粉末
9、体高度为，粉末体高度为H，则粉，则粉末体内颗粒层数的极限值为：末体内颗粒层数的极限值为：。又又 因为因为 n 1,所以所以 n-1 n，则，则()(1)(1)nHhdHndnn1(1)(1)nK()1nnHhHhdddnnHn0HKh（2）Hyn1(1)(1)ydHnK1(1)(1)yK（2）0(1)(1)yydH0HKh0(1)(1)yyvt 因此，粉体不同位置处的压缩速度是不同的，距压头因此，粉体不同位置处的压缩速度是不同的，距压头越近的粉末压缩速度越快。越近的粉末压缩速度越快。1 1）压制压力压制压力 粉料在模具中被压缩时，粉体在模具中流动和变形，存在粉料在模具中被压缩时，粉体在模具中流
10、动和变形，存在两种阻力：两种阻力：l 粉体的内摩擦力粉体的内摩擦力 由颗粒相对位移和变形所引起。由颗粒相对位移和变形所引起。l 粉体与模具之间的外摩擦力粉体与模具之间的外摩擦力 由颗粒相对模具壁面位移所引起。由颗粒相对模具壁面位移所引起。2.2 压制过程的力学分析压制过程的力学分析第第2节节 压制过程的力学分析压制过程的力学分析粉料被压缩时压力在模具粉料被压缩时压力在模具中的传递（单向压）中的传递（单向压）P上P下P侧P侧FF坯体在模具中的受力情况坯体在模具中的受力情况2 2）侧压力侧压力P P侧侧 粉体受到压力时，力图向各方向流动，对压模侧壁产生压力，即侧压力。粉体受到压力时，力图向各方向流
11、动，对压模侧壁产生压力，即侧压力。立方体压坯在压模中受到的正应力立方体压坯在压模中受到的正应力1xpvE12yxpvE13xxpE 1230 xxx 由于对称性，侧压力由于对称性，侧压力 p p 1 1:p p 1 1=p p1x 1x =p p1y1y 将式（将式（1 1）、式（）、式（2 2）、式（）、式（3 3）代入式（）代入式（4 4）中得：）中得：11pvpv式中式中 为粉末的泊松比。为粉末的泊松比。为为侧压系数侧压系数，即侧压力与压制压力的比值。，即侧压力与压制压力的比值。公式（公式（6 6）的前提是假定横向膨胀在）的前提是假定横向膨胀在弹性范围弹性范围内。但在实内。但在实际压制中
12、，横向膨胀并非在弹性范围内，还有颗粒的位移和际压制中，横向膨胀并非在弹性范围内，还有颗粒的位移和塑性变形等，故公式（塑性变形等，故公式（6 6）给出的侧压系数）给出的侧压系数只能作参考只能作参考。l 侧压系数随压制压力而变化；侧压系数随压制压力而变化；l 有人提出了经验公式：有人提出了经验公式：1maxPP 最大侧压系数；最大侧压系数；压坯相对密度压坯相对密度max2(45)2iPtgl 有人提出了更符合试验的经验公式：有人提出了更符合试验的经验公式：摩擦角摩擦角 不同材料的侧压系数不同材料的侧压系数l 材料不同材料不同,侧压系数不同；侧压系数不同；l 压坯密度越高，侧压系数越大；压坯密度越高
13、，侧压系数越大；l 粉末越硬，侧压系数越小。粉末越硬，侧压系数越小。影响测压系数的因素：影响测压系数的因素：3）外摩擦力外摩擦力 定义：定义：粉体与模壁间的摩擦力。粉体与模壁间的摩擦力。外摩擦力的大小：外摩擦力的大小：f =p1 式中：式中：f 外摩擦力外摩擦力 p p1 1 侧压力侧压力 粉体与模壁间的摩擦系数粉体与模壁间的摩擦系数 外摩擦力的大小取决于粉体与模壁间的摩擦系数。外摩擦力的大小取决于粉体与模壁间的摩擦系数。粉体与模材料间的黏结倾向粉体与模材料间的黏结倾向 模壁加工的粗糙度模壁加工的粗糙度l 影响摩擦系数的因素有：影响摩擦系数的因素有：由于外摩擦力的存在，作用在压坯上的压制压力沿
14、轴向向下传递时，由于外摩擦力的存在，作用在压坯上的压制压力沿轴向向下传递时，不断损失。不断损失。在外加压力在外加压力P P 作用下，如果要成型一个直径为作用下，如果要成型一个直径为D D、高为、高为H H 的圆柱形压的圆柱形压坯时，压坯底部受到压力为：坯时，压坯底部受到压力为：exp(4)HppD（7）该公式是一个该公式是一个经验公式经验公式，也可以通过理论推导。，也可以通过理论推导。如果考虑压力在弹性变形上的消耗，压坯底部受如果考虑压力在弹性变形上的消耗，压坯底部受到压力为到压力为：exp8HppD（8）由式（由式（7 7）和式（）和式（8 8）可知：）可知：压坯中的压力分布是不均匀的压坯中
15、的压力分布是不均匀的，上面最大，下面最小；越远，上面最大，下面最小；越远离可以移动的模冲，压力越小；压坯的截面积越大，压力的离可以移动的模冲，压力越小；压坯的截面积越大，压力的级差越小。级差越小。压坯底部压力与压坯的尺寸有关压坯底部压力与压坯的尺寸有关，即压坯的高度越大或直径，即压坯的高度越大或直径越小，底部压力损失越大。一般将压坯的高度与直径统一起越小，底部压力损失越大。一般将压坯的高度与直径统一起来考虑，压坯的来考虑，压坯的高度与直径之比高度与直径之比H/DH/D越大，底部压力损失越越大，底部压力损失越大。大。压坯高度一定时，截面积较大的压坯受外摩擦力作用的影响压坯高度一定时，截面积较大的
16、压坯受外摩擦力作用的影响越小，外摩擦力引起的压力损失小。越小，外摩擦力引起的压力损失小。exp8HppD 由于外摩擦力的存在，作用在压坯上的压制压力沿轴向向下传递时，由于外摩擦力的存在，作用在压坯上的压制压力沿轴向向下传递时，不断损失。不断损失。在外加压力在外加压力P P 作用下，如果要成型一个直径为作用下，如果要成型一个直径为D D、高为、高为H H 的圆柱形压的圆柱形压坯时，压坯底部受到压力为：坯时，压坯底部受到压力为：2/()(0)raaxe 22044xxxxDDppdpDdx1230 xxx由将上式简化：40 xxdxdpD引入内摩擦系数k(interparticle frictio
17、n)：xxkp所以：40 xxDdpdx4xxdxdpD 4/0kx Dxpp eaexp8HppD 6 6）脱模及脱模压力脱模及脱模压力 压制完毕，将压坯从模具中脱出。若要压坯从模具中脱出时，压制完毕，将压坯从模具中脱出。若要压坯从模具中脱出时，需要通过上模冲对坯体施加一定的压力，该压力就是脱模压力。需要通过上模冲对坯体施加一定的压力，该压力就是脱模压力。单向压制脱模方式：单向压制脱模方式：从阴模中脱出时，坯体从阴模中脱出时，坯体要产生一定量的弹性膨胀要产生一定量的弹性膨胀(L(L l)l)，这意味着即便撤销了压制，这意味着即便撤销了压制力，模具对模具中的坯体还力，模具对模具中的坯体还存在压
18、应力。存在压应力。影响脱模压力的因素：影响脱模压力的因素：A A、压制压力、压制压力 一般认为，随压制压应力的提高，脱模压应力也提高。一般认为，随压制压应力的提高，脱模压应力也提高。在压制压应力不太大的情况下有如下关系：在压制压应力不太大的情况下有如下关系：pCp脱（9）式中式中 C C 常数；常数；P P 压制压应力，压制压应力，MPaMPa；P P脱脱 脱模压应力，脱模压应力，MPaMPa。B B 粉体性能粉体性能 粉体的流动性和可塑性越好，脱模压力越小。粉体的流动性和可塑性越好，脱模压力越小。C C 压坯密度压坯密度 密度越高，脱模压力越大。密度越高，脱模压力越大。如果卸掉压制压力后，压
19、坯不发生任何变形，则脱模压力如果卸掉压制压力后，压坯不发生任何变形，则脱模压力完全取决于压坯与模具之间的外摩擦力。塑性变形较强的金属完全取决于压坯与模具之间的外摩擦力。塑性变形较强的金属粉末，接近这种情况，其脱模压力与外摩擦力接近。粉末，接近这种情况，其脱模压力与外摩擦力接近。D D 压坯形状尺寸压坯形状尺寸 （H/DH/D ）越大，脱模压力越大。）越大，脱模压力越大。E E 模具表面粗糙度模具表面粗糙度 表面粗糙度越大，摩擦系数越大，脱模压力越大。表面粗糙度越大，摩擦系数越大，脱模压力越大。6）弹性后效（弹性后效（Spring-back）l 弹性后效表示方式弹性后效表示方式 弹性后效弹性后效
20、用压坯弹性膨胀的百分数用压坯弹性膨胀的百分数 表示：表示：00100%lll式中式中 l0 压坯出模前的高度或直径；压坯出模前的高度或直径；l 压坯出模后的高度或直径。压坯出模后的高度或直径。当坯体从模具中脱出时，要产生一定量地膨胀。该现当坯体从模具中脱出时，要产生一定量地膨胀。该现象称为象称为弹性后效弹性后效。压坯中由于弹性后效所产生的裂纹走向压坯中由于弹性后效所产生的裂纹走向6）弹性后效弹性后效 弹性后效明显的坯体，其脱模压力也大；弹性后效明显的坯体，其脱模压力也大；弹性后效明显的坯体，越容易开裂或分层。弹性后效明显的坯体，越容易开裂或分层。裂纹产生机理：裂纹产生机理：矩形压坯垂直截面应力
21、状况分析矩形压坯垂直截面应力状况分析 在外加应力在外加应力P 作用下作用下,压压坯承受侧向压应力坯承受侧向压应力 P侧侧，并，并在坯体内部产生相应于这两在坯体内部产生相应于这两个压应力的弹性变形；与弹个压应力的弹性变形；与弹性变形伴随的应力为性变形伴随的应力为AC和和CB，其方向与外加压应力相，其方向与外加压应力相反反;当坯体从模具中脱出后当坯体从模具中脱出后,P和和P侧侧消失，压坯在内应力消失，压坯在内应力AC和和CB作用下作弹性膨胀，作用下作弹性膨胀，产生产生弹性后效裂纹弹性后效裂纹。ACAC和和CBCB这两个力形成合力这两个力形成合力ABAB，是剪切力，若其大小超过了，是剪切力，若其大小
22、超过了压坯的抗剪强度，压坯便沿压坯的抗剪强度，压坯便沿ABAB线裂开。线裂开。由于受压面应力较大，所以分层通常从受压面的棱开始。由于受压面应力较大，所以分层通常从受压面的棱开始。分层裂纹沿压坯的棱边向内部发展，并且大约与受压面呈分层裂纹沿压坯的棱边向内部发展，并且大约与受压面呈4545角的整齐界面。角的整齐界面。轴向受力大于侧压力，因而沿高度方向的弹性内应力比侧轴向受力大于侧压力，因而沿高度方向的弹性内应力比侧向的弹性内应力大，使高度方向的弹性后效也大。脱模时，压向的弹性内应力大，使高度方向的弹性后效也大。脱模时，压坯产生的裂纹也可能沿垂直于高度方向产生。坯产生的裂纹也可能沿垂直于高度方向产生
23、。l 脆性粉体与塑性粉体弹性后效效应比较脆性粉体与塑性粉体弹性后效效应比较：脆性粉体：脆性粉体：在压制时的变形机制主要是在压制时的变形机制主要是弹性变形弹性变形，塑性粉体：塑性粉体：在压制时的变形机制主要是在压制时的变形机制主要是塑性变形，塑性变形，内应力及弹性后效内应力及弹性后效大大内应力及弹性后效内应力及弹性后效小小l 弹性后效的危害弹性后效的危害 弹性后效引起压坯的尺寸可能弹性后效引起压坯的尺寸可能超差超差，弹性后效过大弹性后效过大甚至压坯出现开裂（或甚至压坯出现开裂（或分层分层）现象）现象显然，显然，压制压力越大，弹性后效越大压制压力越大，弹性后效越大。铁粉和铜粉弹性后效与压制力之间的
24、关系铁粉和铜粉弹性后效与压制力之间的关系l 影响弹性后效的因素影响弹性后效的因素 压制压力压制压力 粉体的塑性变形能力粉体的塑性变形能力 塑性变形能力差的粉体，弹性后效大。塑性变形能力差的粉体，弹性后效大。陶瓷粉体的塑性变形能力差，为了压坯不分层，压制压陶瓷粉体的塑性变形能力差，为了压坯不分层，压制压力不宜太大。成型压力一般在力不宜太大。成型压力一般在50120MPa50120MPa。钢铁粉体的成型压力一般在钢铁粉体的成型压力一般在300750MPa300750MPa,屈服强度较屈服强度较低的铝、铜、锡等粉体的成型压力一般低的铝、铜、锡等粉体的成型压力一般小于小于300MPa300MPa。粉体
25、粒度粉体粒度 粒度越小，颗粒形状越复杂，压坯弹性后效值越大。粒度越小，颗粒形状越复杂，压坯弹性后效值越大。l 影响弹性后效的因素（续）影响弹性后效的因素（续）图图2 212 12 压坯弹性后效与孔隙率关系压坯弹性后效与孔隙率关系1 1电解铁粉；电解铁粉；2 2涡旋铁粉；涡旋铁粉；3 3转化天然气还原铁粉；转化天然气还原铁粉；4 4固体碳还原铁粉固体碳还原铁粉 压坯的孔隙率压坯的孔隙率l 影响弹性后效的因素（续）影响弹性后效的因素（续）表面活性剂表面活性剂 当粉体中加入表面活性的润滑剂（如油酸）时，粉体颗当粉体中加入表面活性的润滑剂（如油酸）时，粉体颗粒表面由于吸附作用而处于活化状态，颗粒变形容
26、易进行，并粒表面由于吸附作用而处于活化状态，颗粒变形容易进行，并由弹性变形转变为塑性变形，可以由弹性变形转变为塑性变形，可以大大降低弹性后效大大降低弹性后效。而非表面活性的润滑剂（凡士林油和樟脑油）几乎对弹性而非表面活性的润滑剂（凡士林油和樟脑油）几乎对弹性后效无影响。后效无影响。l 影响弹性后效的因素（续）影响弹性后效的因素（续）2.32.3 粉体压制理论粉体压制理论 常见的压制压力与压坯密度关系的实验曲线如下图。常见的压制压力与压坯密度关系的实验曲线如下图。压制压力与压坯密度的常见关系压制压力与压坯密度的常见关系第第3节节 粉体压制理论粉体压制理论 这项工作曾吸引了大量的这项工作曾吸引了大
27、量的研究工作。很多人想用一个公研究工作。很多人想用一个公式说明所有的问题。目前已有式说明所有的问题。目前已有几十种这样的公式几十种这样的公式，包括理论，包括理论公式和经验公式。实际上它们公式和经验公式。实际上它们都有各自的适用范围。其中有都有各自的适用范围。其中有代表性的有，代表性的有，1 1）巴尔申压制方程巴尔申压制方程 由前苏联粉末冶金学家由前苏联粉末冶金学家M.I.O.M.I.O.巴尔申巴尔申于于19381938年提出。年提出。压制一个圆柱形压压制一个圆柱形压坯。压模的截面积为坯。压模的截面积为A，装粉高度为装粉高度为h0施加压制压施加压制压力力p时，压坯的高度为时，压坯的高度为h；若增
28、加压力若增加压力dp，压坯高，压坯高度降低度降低dh。若若被压制的是致密金属，在弹性变形阶段，由胡克定被压制的是致密金属，在弹性变形阶段，由胡克定律，压应力增加无限小增量，压缩变形呈正比地增加无限律，压应力增加无限小增量，压缩变形呈正比地增加无限小量：小量：粉体压制过程中的高度变化粉体压制过程中的高度变化dpdKdhA（11）式中式中:p 压力；压力；A 截面积截面积；压应力；压应力；h 试样高度试样高度 K 比例系数。比例系数。若压坯与模具压头的有效接触面积为若压坯与模具压头的有效接触面积为 ，则有：，则有：HdpdkdhA（12）压坯与模具压头的有效接触面积与名义截面积压坯与模具压头的有效
29、接触面积与名义截面积HA 设坯体压缩后的最终高度为设坯体压缩后的最终高度为h hK K，压坯在某压力下的密度与最终压坯在某压力下的密度与最终密度之比密度之比为为、压坯在某压力下的体积与最终压坯在某压力下的体积与最终体积之比体积之比为为。显然显然随着粉体的逐步压紧，随着粉体的逐步压紧，h h 接近接近h hK K，与与的值接近于的值接近于1 1，并且，并且有有:1Khh(13)若压坯的截面积为若压坯的截面积为S S压坯压坯，随着压缩的进行，由于坯体越来越致密，随着压缩的进行，由于坯体越来越致密，压坯与压坯与模具压头的有效接触面积模具压头的有效接触面积 增加，增加，且且 或或 /S S压坯压坯的增
30、值的增值与与有关。由于有关。由于 /S S压坯压坯增加比增加比 降低要快得多，所以有：降低要快得多，所以有：1mHmAS压坯(14)HAHAHAHAKHpA常数其中其中k k 为粉体材料的为粉体材料的屈服强度屈服强度。将这个关系代入式（。将这个关系代入式（1414）中得：）中得：1mKp两边取对数，得：两边取对数，得：（巴尔申方程）（巴尔申方程）（15）式中，式中，m m 为一个大于为一个大于1 1的常数，称为的常数，称为压缩因子压缩因子。巴尔申在此假定巴尔申在此假定粉末颗粒实际承受的应力不变（相当于假定塑性变形时没粉末颗粒实际承受的应力不变（相当于假定塑性变形时没有加工硬化出现）：有加工硬化
31、出现）：lglglgKpmmaxlglglgpPmmaxkPHMHBHV 式（式（15）就是）就是巴尔申压制方程。它表明巴尔申压制方程。它表明压坯在某压力下的压坯在某压力下的体积与最终体积之比体积与最终体积之比 与压力的关系。与压力的关系。评论：评论：忽略了粉体流动产生的忽略了粉体流动产生的颗粒重排颗粒重排和和颗粒本身的塑性变形颗粒本身的塑性变形，将压制过程中的粉体当作理想弹性体；没有考虑粉体的内摩擦将压制过程中的粉体当作理想弹性体；没有考虑粉体的内摩擦和与模壁间的外摩擦造成的压力损失。该理论没有普遍意义和与模壁间的外摩擦造成的压力损失。该理论没有普遍意义,只只使用于某些特定的场合。使用于某些
32、特定的场合。2 2）川北公夫压制理论川北公夫压制理论 日本的日本的川北公夫川北公夫通过实验，得到很多粉末的压力通过实验，得到很多粉末的压力体积曲线，体积曲线，在此基础上于在此基础上于19561956年提出一个经验公式：年提出一个经验公式：001VVabpcVbp 式中：式中：p p 压制压应力，压制压应力，MPaMPa；V V 在压力在压力p p下的粉末体积，下的粉末体积，cmcm3 3；V V0 0 粉末未加压力时的体积粉末未加压力时的体积,cm,cm3 3；c c 粉末体积减少率（或粉末体积减少率（或粉末体积压缩率粉末体积压缩率,即为压缩掉的体积与原体积之比，）即为压缩掉的体积与原体积之比
33、，）a a 常数，常数，a a越小，粉体压缩性能越好；越小，粉体压缩性能越好；b b 常数，等于常数，等于p p=100MPa=100MPa时的密度值。时的密度值。川北公夫的川北公夫的基本假设基本假设：1 1）粉末层内所有各点的压力相等；）粉末层内所有各点的压力相等；2 2）粉末层内所有各点的压力是外力和粉体内固有压力之和；）粉末层内所有各点的压力是外力和粉体内固有压力之和；3 3）每个粉体颗粒仅能承受低于它所固有的屈服极限的应力；）每个粉体颗粒仅能承受低于它所固有的屈服极限的应力；评论：评论：因为是经验公式，因为是经验公式，a a、b b等常数由实验确定，可应用于某一等常数由实验确定，可应用
34、于某一具体的粉体的成型；具体的粉体的成型；a a、b b等常数各也不同。等常数各也不同。3)3)浮西柯若皮斯基压制理论浮西柯若皮斯基压制理论 19301930年浮西研究沉积岩和黏土时，发现材料的年浮西研究沉积岩和黏土时，发现材料的孔隙率孔隙率与与压压力力有以下关系：有以下关系：0pe（17）式中，式中，和和 0 0分别为压力为分别为压力为p p 时的时的孔隙率孔隙率和未加压力时的孔隙率和未加压力时的孔隙率000VVVVVV(18)(19)这里，这里，V V0 0、V V、V V分别为未加压力时、加压力为分别为未加压力时、加压力为 p p 时、完全致密时时、完全致密时的压坯体积；的压坯体积；为一
35、常数。为一常数。将式（将式（1717）按）按 p p 的多项式展开，并带入式（的多项式展开，并带入式（1818）和式（）和式（1919）得：）得：00(1)VVVVpVV(20)故粉体体积减少率可以表达为故粉体体积减少率可以表达为:00001VVpVVVcVVVpV(21)比较式（比较式（2020）与式（）与式（1616），式（），式（2020）是式（）是式（1616）中）中 a 11时的情形，时的情形，即：即：00()VVVbVV(22)也就是说，也就是说，b b 与与成比例。成比例。001VVabpcVbp 假定粉体压缩过程中成立状态方程式：假定粉体压缩过程中成立状态方程式：00()()p
36、pVVK式中式中 p p 外压；外压；V V 外压为外压为p p时粉体的体积；时粉体的体积；P P0 0 自然状态下粉体的有效内力，如聚集力等；自然状态下粉体的有效内力，如聚集力等；K K 常数。常数。公式公式(23)(23)可改写成：可改写成：(23)00KppVV(24)(25)0(1)VVa由由(V V0 0-V V)/)/V V0 0=a,得得：00(1)KppVVa(26)将式（将式（2525）代入式（）代入式（2424），得：），得：p p 和和 1/1/V V-V V0 0(1-(1-a)成直线关系成直线关系。4)4)黄培云压制理论（黄培云压制理论（196419641980198
37、0）00()lglnlglg()mmdddnpMdd d式中式中:d dm m 致密金属密度致密金属密度,g/cm,g/cm3 3 ；d d0 0 压坯原始密度，压坯原始密度，g/cmg/cm3 3；d d 压坯密度压坯密度,g/cm,g/cm3 3；p p 压制压强压制压强,MPa,MPa；M M 压制模数；压制模数；,n n 硬化指数的倒数，硬化指数的倒数，n n=1=1时，无加工硬化现象。时，无加工硬化现象。评论：该方程主要适合金属。评论：该方程主要适合金属。（27）2.4 2.4 压制成型工艺压制成型工艺2.4.1 2.4.1 基本压制方法基本压制方法1)1)单向加压单向加压 模具下端
38、的承载板或模冲固定不动，通过上模冲从上部对模具下端的承载板或模冲固定不动，通过上模冲从上部对粉体施压。粉体施压。图图2 21717单向加压成型过程单向加压成型过程第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺图图2 21818单向加压成型过程单向加压成型过程中粉末受力状态中粉末受力状态第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺exp8hhppD上 由于压制过程存在摩擦力，压坯沿高度方向和横截面上，由于压制过程存在摩擦力，压坯沿高度方向和横截面上，密度分布是不均匀密度分布是不均匀的的,压坯中各处的密度不同。压坯中各处的密度不同。图图2 218 18 镍粉单向压圆柱形坯中的密度等高线镍粉单向压圆柱形坯中的密度等高
39、线 压坯密度的不均压坯密度的不均匀往往导致烧结后材匀往往导致烧结后材料密度及尺寸变化的料密度及尺寸变化的不均匀。故在粉体压不均匀。故在粉体压制成型过程中，应尽制成型过程中，应尽量降低压坯密度的不量降低压坯密度的不均匀性。均匀性。第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺2 2）双向加压）双向加压 即上下两个模冲从上下两端面同时对模具中的粉体施压。即上下两个模冲从上下两端面同时对模具中的粉体施压。图图2 21919双向加压成型过程双向加压成型过程第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺单、双向加压成型坯密度分布比较单、双向加压成型坯密度分布比较 上下大，中间小，大小极差远上下大，中间小，大小极差远小于单向
40、压坯体。小于单向压坯体。第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺 双向压坯体密度分布特点双向压坯体密度分布特点：l 两个模冲除了同时对压外，也可以采用先后加压的策略，即分两次加压，一端两个模冲除了同时对压外，也可以采用先后加压的策略，即分两次加压，一端先加压，另一端后加压。这种加压方法有利于压力的传递和气体的排出，作用时先加压，另一端后加压。这种加压方法有利于压力的传递和气体的排出，作用时间也长。经这种加压方法得到压坯，密度的均匀性有进一步的改善间也长。经这种加压方法得到压坯，密度的均匀性有进一步的改善。加压方式与坯体密度关系加压方式与坯体密度关系第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺加压方式与坯体
41、密度关系加压方式与坯体密度关系第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺加压方式与坯体密度关系加压方式与坯体密度关系第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺加压方式与坯体密度关系加压方式与坯体密度关系第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺 压力增加压力增加（a a）等压力线（）等压力线（MPaMPa）压力增加压力增加 （b b）等密度线（）等密度线（）陶瓷粉体模压成型坯中等密度线与等压力线分布陶瓷粉体模压成型坯中等密度线与等压力线分布第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺 2.32.3、压坯在压制过程的排气压坯在压制过程的排气 早期排气早期排气：在压制的早期，压坯的密度很低，压坯中存留很在压制的早期，压坯的
42、密度很低，压坯中存留很多通道供气体排除。多通道供气体排除。后期排气：后期排气：随着压力的增加，压坯的密度不断提高，粉体颗随着压力的增加，压坯的密度不断提高，粉体颗粒间自然形成的排气通道逐渐被堵塞，坯体中残余的气体无法排粒间自然形成的排气通道逐渐被堵塞，坯体中残余的气体无法排出体外。这部分出体外。这部分残余的气体残余的气体被不断增大的压被不断增大的压力不断压缩，气孔内力不断压缩，气孔内气压随之不断强增大，因此，必须将此部分气体排除。气压随之不断强增大，因此，必须将此部分气体排除。第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺压坯中的气孔压坯中的气孔第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺注意注意:在压坯中要形
43、成孤立气孔，要有一定的条在压坯中要形成孤立气孔，要有一定的条件。首先是成型密度比较大，如固体物质和件。首先是成型密度比较大，如固体物质和各种成型剂加和起来的体积分数大于各种成型剂加和起来的体积分数大于85%85%；其次是压坯厚度比较大等，压坯中间的气体其次是压坯厚度比较大等，压坯中间的气体不容易排除。不容易排除。金属粉体容易压缩金属粉体容易压缩,容易出现这种问题。容易出现这种问题。对策：对策：压制时压力不宜加得太快，让气体在坯压制时压力不宜加得太快，让气体在坯体密度不太高的时候有跑出的机会；在加载体密度不太高的时候有跑出的机会；在加载到最大压力时保压一段时间，该方法在工程到最大压力时保压一段时
44、间，该方法在工程上常用。上常用。第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺各种粉末制品的压制压力各种粉末制品的压制压力压坯种类压制压力/MPa压坯种类压制压力/MPa黄铜零件462770铁基轴承231385青铜轴承231308铁基低密度零件385539碳制品154185铁基中密度零件539616铜石墨电刷385462铁基高密度零件539924硬质合金154462铁粉芯54770氧化铝制品123154钨基制品77154冻石4677铁氧体制品123185第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺2.42.4 复杂零件的压制成型复杂零件的压制成型1 1）带台阶零件的压制）带台阶零件的压制 第第4节节 压制成型工
45、艺压制成型工艺2.42.4 复杂零件的压制成型复杂零件的压制成型1 1）带台阶零件的压制）带台阶零件的压制 当压制高度不一致的复杂形状的零件时，如果用一个模冲进行压制，经当压制高度不一致的复杂形状的零件时，如果用一个模冲进行压制，经常会出现密度不均匀的现象。常会出现密度不均匀的现象。如上图所示，上模冲向下均匀移动，粉层厚的区域相对压缩比（压缩比如上图所示，上模冲向下均匀移动，粉层厚的区域相对压缩比（压缩比定义为压制前后尺寸之比）小，粉层薄的区域相对压缩比大，造成坯体的密定义为压制前后尺寸之比）小，粉层薄的区域相对压缩比大，造成坯体的密度不均，在不同密度的交界处产生有害应力，该应力可能会导致压坯
46、度不均，在不同密度的交界处产生有害应力，该应力可能会导致压坯分层或分层或开裂。开裂。第第4节节 压制成型工艺压制成型工艺 即便此时没有分层或开裂，在随后的烧结过程中，密度高的区域收缩即便此时没有分层或开裂，在随后的烧结过程中，密度高的区域收缩小，密度低的区域收缩大，收缩率不同也可能导致烧结体的变形或开裂。小，密度低的区域收缩大，收缩率不同也可能导致烧结体的变形或开裂。要保证复杂零件压坯密度的均匀性，关键是要保证各处的压缩比一样。要保证复杂零件压坯密度的均匀性，关键是要保证各处的压缩比一样。要实现各处的压缩比一样，可以采取多模冲压制。要实现各处的压缩比一样，可以采取多模冲压制。(b)(b)用多模
47、冲进行压制用多模冲进行压制 带台阶零件的压制带台阶零件的压制2 2）不等高制品压制的基本原则）不等高制品压制的基本原则l 压缩比相等原则压缩比相等原则 在台阶状的不等高制品中，无论台阶的数量有多少，若要各保证区域的在台阶状的不等高制品中，无论台阶的数量有多少，若要各保证区域的密度相等，各台阶在压制过程中密度相等，各台阶在压制过程中压缩比压缩比必须必须相相等相相等。即各台阶装粉的高度为。即各台阶装粉的高度为:H Hn n=KhKhn n (2-28)(2-28)式中：式中：Hn 第第n n台阶的装粉高度台阶的装粉高度,cm;,cm;K K 压缩比压缩比,由压坯密度由压坯密度 与粉末的松装密度与粉
48、末的松装密度 0 0 求得求得:K K=/0 0 h hn n 第第 n n 台阶的压坯高度台阶的压坯高度,cm.,cm.这个条件可以在假定粉末压缩过程中不发生侧向运动这个条件可以在假定粉末压缩过程中不发生侧向运动(或是在直线压缩或是在直线压缩)的的情况下求得情况下求得:考虑不等高制品中的任何一台阶区考虑不等高制品中的任何一台阶区,它包含粉末的质量为它包含粉末的质量为W,W,在压缩前可表达为在压缩前可表达为 :WW=H S H S 0 0 在压缩后在压缩后 可表达为可表达为:W W=h S h S 由于在压制过程中由于在压制过程中粉末不发生侧向运动，该台阶区所包含物质的粉末不发生侧向运动，该台
49、阶区所包含物质的质量守恒质量守恒（有气体排除，但气体对质量的影响很小，可以忽略）（有气体排除，但气体对质量的影响很小，可以忽略）,则有如下关系则有如下关系:H S H S 0 0 =h S h S 或或 H/hH/h=/0 0=K=K H H 粉末高度粉末高度,cm;,cm;0 0 粉末松装密度粉末松装密度,g/cm,g/cm3 3;S S 压坯截面积压坯截面积,cm,cm2 2;压坯密度压坯密度,g/cm,g/cm3 3。对不同的台阶对不同的台阶,因为要求密度相等因为要求密度相等(即即 或或 K K 相等相等),),所以各区所以各区装粉高度的关系为装粉高度的关系为:H H1 1/h h1 1
50、=H H2 2/h h2 2=H Hn n/h hn n=K K (28)(28)由式由式 (28)(28)得装粉通式为得装粉通式为 H Hn n=KhKhn n=h hn n/0 0 (29)(29)式式 (29)(29)是模具设计时计算装粉器高度、模具高度和冲头高度是模具设计时计算装粉器高度、模具高度和冲头高度的基本公式。的基本公式。解解:由式由式(29):(29):K K=/0 0=6.6/2.2=3=6.6/2.2=3 各区装粉高度为：各区装粉高度为：H H40 40=3=340=120(mm)40=120(mm)H H60 60=3=360=180(mm)60=180(mm)不等高粉
