Расчет и проектирование пресс-форм

При определении давления прессования можно использовать уравнения прессования М.Ю.Бальшина - известного ученого-металловеда, которые связывают плотность брикета с давлением прессования.

Уравнения М.Ю.Бальшина достаточно просты и выведены при определенных допущениях:

1)отсутствуют разрывы в уплотняемой среде

2)отсутствует упрочнение материала в процессе нагрузки

3)отсутствует межчастичная деформация

4)контактное давление между частицами порошка постоянно

5)возможно распространение закона Гука на пластическую деформацию.

Наиболее распространенное уравнение прессования имеет следующий вид:

lg P = -m·lg β + lg P_max

где Р - давление прессования, МПа

Рmax - давление прессования, необходимое для получения беспористого тела, МПа. Величина Рmax соответствует твердости максимально наклепанного (упрочненного) материала (таб.7.1.).

β- относительный объем прессовки, связанный с относительной плотностью:

β =1/ν

ν = ρ_пресс/ ρ_комп

ρ_пресс - плотность прессовки, г/см³ ;

ρ_комп -плотность компактного материала, г/см³;

m - показатель прессования, определяется опытным путем или приближенно по формуле: m = 2+V/(V-V_o)

где V_о - относительная плотность порошкового тела до приложения нагрузки;

V - текущее значение относительной плотности спрессованного при определенном давлении брикета.

Таблица 7.1.

Значения физических показателей для различных материалов

Для ряда порошков (железо, медь) величина показателя прессования сохраняет постоянное значение в довольно широком интервале давлений, значение его для любых порошков составляет более трех m > 3.

В графической форме это уравнение дает прямую линию (рис.7.3). Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс численно равен показателю прессования m.

Рис. 7.3. Диаграмма прессования в логарифмических координатах.

На практике давление прессования можно определить на основании опытных данных по соответствующим диаграммам прессования (рис. 4).

3.Усилие прессование ( Р) определяется по формуле:

P = p·S·n

где р - давление прессования, Па;

S - площадь поперечного сечения рабочей полости матрицы, м²;

n - количество одновременно прессуемых деталей.

4.Усилие пресса составляет:

Р пресса = К·Р

где К - коэффициент запаса мощности, равный 1,5.

5.Высота матрицы (Н, см) рассчитывается по формуле:

Н = ρ_к / ρ_нас·(h+L)

где h - высота спрессованного изделия с учетом допуска на размер, припуска на дополнительную обработку, упругого расширения и усадки по высоте, см;

L = 1,5-2,0 см - высота заходной части матрицы под верхний и нижний пуансоны ( l_в + l_н).

Рис.7.4. Зависимость величины относительной плотности спрессованных брикетов от давления прессования.

Высоту спрессованного изделия h (мм) рекомендуется принимать наибольшей:

h_max = h_н + Ah/2+ε +λ - δ

где hн - номинальный размер изделия по высоте, мм;

А_h - допуск на размер,h, мм;

ε – припуск на дополнительную обработку, мм;

ε = 0,2 - 0,5 мм (при h_н < 50 мм ε = 0,2, при h_н > 50 мм ε = 0,5)

λ -изменение размеров при спекании по высоте изделия;(+) -при уменьшении размера, (-) - при увеличении размера, мм. На практике рост брикетов в процессе спекания происходит при использовании порошков меди, никеля, хрома, некоторых сталей и сплавов.

Величину усадки при спекании обычно определяют опытным путем с учетом химического состава материала, физических и технологических свойств порошка, давления прессования, атмосферы, режима спекания и т.д. Величина усадки при спекании обычно принимает значения λ = +0,1-0,2 мм.

Упругое последствие (δ, мм) - явление увеличения объема спрессованных брикетов под действием внутренних напряжений после снятия давления. Увеличение размеров брикета наблюдается как по высоте, так и в радиальном направлении. Основная доля упругого расширение реализуется непосредственно после выпрессовки брикета из матрицы, однако некоторое увеличение размеров может происходить в течении нескольких часов и даже дней после выпрессовки.

Величина упругого последействия зависит от свойств прессуемого порошка ( размера, формы, состояния поверхности частиц, содержание окислов, механических свойств материала частиц порошка), давление прессования, наличия и вида смазок и др. факторов (табл.7.2).

Таблица 7.2

Упругое последействие для меди и железа

6. Размер рабочей полости матрицы (мм) учитывает упругое последействие, усадку и припуск на дополнительную обработку:

D = Dн + A_d/2 – δ +λ + ε

где D -внутренний диаметр или поперечный размер полости матрицы, мм;

Dн - номинальный наружный размер,мм;

Аd - допуск на размер Dн, мм;

δ -упругое последействие по размеру Dн, мм;

λ - изменение диаметра Dн при спекании: (+) - при уменьшении размера, (-) - при увеличении размера, мм;

ε - припуск на дополнительную обработку по размеру Dн, мм.

7. Диаметр пуансона (стержня), формующего внутреннее отверстие в изделии dcт (мм), определяется:

d_cт = d_н + A_d/2 – δ +λ - ε

где d_н - размер отверстия в детали, мм.

8. Высота верхнего пуансона (мм) определяется:

h_n1 = Н+h,

где Н - высота матрицы, мм;

h - высота части пуансона, предназначенной для крепления его в пуансонодержателе, мм (составляет 5 - 10 мм, если пуансон не устанавливается в пуансонодержателе).

9. Высота нижнего пуансона, h_n2 (мм),соответствует высоте нижней заходной части матрицы и составляет 10-15мм.

10 Наружный диаметр цилиндрической матрицы (мм) определяется по формуле: D2 = D1 \/ ([σ]+ρ· ν)/ ([σ] - ρ· ν ), мм

где D1 - диаметр прессуемого изделия, мм;

[σ ] - допускаемое напряжение на растяжение материала матрицы, МПа;

ρ - максимальное давление прессования, МПа;

ν - коэффициент Пуанссона.

На практике часто используют эмпирическую зависимость:

D2 > 3D1 и D3 > D1

где D1 - диаметр внутренней полости матрицы, мм;

D2 - наружный диаметр матрицы, мм;

D3 - наружный диаметр обоймы, мм

Пресс-формы, изготовленные из указанных материалов (табл.3) в зависимости от условий прессования и состава порошковой шихты позволяют прессовать 20-60 тыс. деталей. Сопрягаемые детали пресс-форм, служащие непосредственно для уплотнения порошка и контактирующие с ним, изготавливаются по 7-8-му квалитетам точности. Для уменьшения усилия выталкивания на рабочем участке внутренней полости матрицы может быть задана конусность в пределах допуска на размер (табл. 4.) В верхней части матрицы с целью предотвращение трещин при выпрессовки брикета делается конусность, причем, D – d = 0,2 мм (рис.7.5).

Таблица 7.3

Материалы для деталей пресс-форм

Коэффициент Пуансона ν=0,3.

Допускаемое напряжение [σ]=350 МПа.

Длину конусного участка L можно приближенно определить по формуле: L = ( h₃ - h ) / 2, мм

где h - высота прессуемой детали,мм;

h_з - высота засыпки порошка, мм.

Таблица 4

Рис.7.5. Схема конусной части матрицы

Высота засыпки порошка hз определяется из следующих соотношений:

а)навеска порошка

m = V· ρ_k·υ· k₁· k₂ ,

где m - масса навески порошка, г;

V - объем готового изделия, см³;

ρ_k - плотность компактного материала, г/см³;

υ - относительная плотность детали;

k₁ - коэффициент, учитывающий потери порошка при прессовании в зависимости от точности изготовления деталей пресс-форм, составляет 1,005-1,01;

k₂ - коэффициент, учитывающий потери массы детали при спекании в результате выгорания примесей и восстановления окислов, составляет 1,01-1,03;

б) V_н (см³) = m/ ρн , где ρ_н – из табл.1;

в) h_з (высота засыпки) = V_н/ S , где S – площадь поперечного сечения детали.

Рис. 7.6. Схемы конструирования: а) матрицы; б) стержня.

4.3. Прочность прессовок определяется

1. механическим зацеп­лением и переплетением поверхностных выступов и неровностей частиц порошка,

2. действием межатомных сил сцепления, степень проявления которых возрастает с увеличением контакт­ной площади.

3. Всем перечисленным выше

5.1. Причины низкой проч­ности прессовок:

1. использование гладких, плоских или сфероидизированных частиц, заметное окисление и наклеп частиц, введение смазки или пластификатора в поро­шок в количестве, превышающем опти­мальное.

2. высокие давления прессования.

3. плохое качество смешивания или использование химически неодно­родного материала.

6.2. Причины образования расслойных трещин при прессовании.

1. использование гладких плоских или сфероидизированных частиц, заметное окисление и наклеп частиц, введение смазки или пластификатора в поро­шок в количестве, превышающем опти­мальное

2. высокие давления прессования

3. плохое качество смешивания или использование химически неодно­родного материала.

7.3. Причины неравномерного распределения в объеме прессовки примесей или компо­нентов сложной порошковой смеси

1. использование гладких плоских или сфероидизированных частиц, заметное окисление и наклеп частиц, введение смазки или пластификатора в поро­шок в количестве, превышающем опти­мальное

2. Высокие давления прессования

3. плохим качеством смешивания или использованием химически неодно­родного материала.

8.1. Причины образования неравномерной плотности в отдельных местах прес­совки или недопрессовка:

1. неравномерное распреде­ление порошка по объему засыпной полости матрицы пресс-формы, низкое давление прессования или зани­женная величина навески порошка.

2. непра­вильная конструкция или размеры пресс-формы, неточность дозирования порошка или нарушение режима прессования.

3. плохая обработка рабочей поверхности пуансонов или выработ­ка их торцовых кромок.

9.2. Причины неправильных размеров прессовки:

1. неравномерное распреде­ление порошка по объему засыпной полости матрицы пресс-формы, низкое давление прессования или зани­женная величина навески порошка.

2. непра­вильная . их торцовых кромок.

10.3. Причины появления на поверхно­сти прессовки рисок:

1. неравномерное распреде­ление порошка по объему засыпной полости матрицы пресс-формы, низкое давление прессования или зани­женная величина навески порошка.

2. непра­вильная конструкция или размеры пресс-формы, неточность дозирования порошка или нарушение режима прессования.

3. плохая обработка рабочей поверхности пуансонов или выработ­ка их торцовых кромок.