摘要 用粉末冶金法生产的金刚石精磨片是光学冷加工精磨的重要磨具。目前,随着我国光学行业的迅速发展,对金刚石精磨片的用量越来越大。本文结合具体生产实际问题,对金刚石精磨片多孔成型模具进行了详细的结构设计。
关键词 粉末冶金 精磨片 模具 设计
Abstract The diamond fine microsection produced with powder metallurgy is the important grinding tool of the optic cold-work.At present, with the quick development of optical fields in our country, the need of diamond find microsection is becoming more and more.This paper gives a detail structure design of the diamond find microsection Porous Formation Mold based on the pratical production.
Keywords Powder Metallurgy Fine-microsection Mold Design
1 引言
近年来,粉末冶金行业迅猛发展,粉末冶金学科的基础理论日趋完善,新工艺、新技术不断涌现,用粉末冶金法生产的金刚石精磨片是光学冷加工精磨的重要磨具。目前,随着我国光学行业的迅速发展,对金刚石精磨片的用量越来越大。成型是磨具制造的关键环节,成型时除需要正确的成型工艺和精心操作外,性能优异的设备和工模具是保证产品质量的关键。本文结合具体的实际生产,对金刚石精磨片多孔成型模具进行了详细的结构设计。
2 实际生产原始数据
(1)金刚石精磨片规格:ø8×5(单位:mm),铜基材料;
(2)年产量:500片×30天×10月 共计:15万片
(3)压力机最大工作压力:50吨(参考)
精磨片系列产品外观如图2.1。
3 结构设计
3.1 压制方式选择原则
从粉末在模具中成型的这个角度来说,该模具为成型模具,而根据粉末冶金模具的严格分类,仍属于压模的一种,在实际生产中,如何根据不同的产品要求来选择合适的压制方式,这是在成型前模具设计必须首先考虑的问题。
本次设计的压坯形状简单、尺寸较小,抛开配方、混料、称重等工序,对其技术要求不是太高,只要保证外形尺寸且达到相应的密度有和强度即可。根据2000年中国标准出版社出版的《金刚石烧结制品》一书27页内容所叙述的标准,由压坯的形状和技术要求等来进行分析,此处考虑采用单向压制方式成型。
3.2上模冲结构设计及尺寸确定
上模冲结构见图3.1。由于上模冲是在较高的压力下工作,模冲工作表面要经受严重的粉末摩擦,因此上模冲应具有高的强度、硬度、高的耐磨性和高的刚度,是模具中十分重要的关键零件。
为了减少摩擦面积,同时满足强度和刚度方面的要求,将上模冲设计成各部分直径不一致的多级形式。上模冲上段直径为φ9mm,端部为M9的外螺纹,以便与上模板进行连接和固定。中间段直径为φ7mm,是为了减少摩擦面积;上模冲下段工作部分的直径为φ8mm,满足配合要求即可。上模冲的长度一般是根据结构上的需要而确定的。其计算公式为:
L=H1+H2+H3+H (3-1)
式中:L—上模冲长度(mm)
H1—上模冲固定板高度(mm)
H2—卸模板高度(mm)
H3—导尺高度(mm)
H—附加高度(它包括修磨量、上模冲进入模套的深度、上模冲固定板与卸模板的安全距离等,一般取H15-20 mm)
对于该粉末冶金成型模具的上模冲而言,上模冲与上模板是分开式结构,所以与上模板连接的尺寸要额外加在上模冲高度的计算之内,根据上述公式结合这一情况,经计算后得出上模冲长度为75 mm。
3.3上模板的结构设计及尺寸确定
上模板结构见图3.2。上模板的功用主要是连接压力机模柄和安装上模冲和导柱,使它们形成一个整体,是一个较为重要的零件。因为压力机模柄部是用来安装模具的,其尺寸和结构已经标准化,并且根据压力机吨位大小的不同形成了系列,此处模具与压力机的安装联接部分的结构和尺寸查相关资料手册即可获得,不用单独进行设计和计算。为配合模套、下模板和卸模板共同协调地完成整个的压制、卸模、复位过程,上模板的外观结构设计成圆盘状,考虑到它要于压力机上工作表面进行配合和T形槽螺纹连接,其径向尺寸比模套等零件外径尺寸少大一些,这可以在后续模具零件的设计中得出。
上模板的厚度确定主要依据经验设计法,初步选取厚度为20 mm,进行强度和刚度的校核,若不能满足要求,对其尺寸调整后在进行验算。安装上模冲的8个螺纹孔应与模套上的8个工作型孔一样均布在上模板上,其分布的尺寸与模套尺寸相同,这可在模套结构尺寸设计后得出。8个尺寸相同且均布的螺纹孔直径为φ9mm,查《金属机械加工工艺人员手册》表13-41(精装配螺纹和螺钉用孔),取钻孔尺寸为φ7.8 mm。
3.4 模套的结构设计及各部分尺寸的确定
模套结构见图3.3,在粉末冶金模具中,模套的作用是保证压制产品的外圆尺寸,由压制产品的规格来确定,即不同直径的产品用不同的模套,该模具压制的金刚石精磨片规格为φ8×5 mm,故模套的8个均布孔的直径为φ8 mm。
3.4.1 模套壁厚的确定
在粉末冶金模具的设计中,决定模套壁厚的主要依据是在侧压力的作用下,模套所受到的径向应力和切向应力的大小,以及模套所选用的材料强度。模套所受的侧应力越大,要求模套壁越厚,模套的材料强度越大,模壁就可在满足使用要求的前提下适当减薄。
1、单位侧压力P侧
侧压力的产生是由于在压制压力的作用下,压坯产生径向应变,作用于模套内壁而引起的。作用在单位面积上的侧压力叫做单位侧压力。单位侧压力的大小,决定于坯体材料的侧压系数和压制压力[1]。则:
P侧=ξ0P (3-2)
式中:P侧—单位压制力
ξ0—致密材料的侧压系数。只取决于材料的波桑系数。一些常用材料的波桑系数μ和侧压系数ξ0间的关系见表1。
表1 不同材料的μ值和ξ0值 材料 铁 铜 铅 锡 铝 锌 金 钨 μ 0.28 0.35 0.44 0.33 0.36 0.27 0.42 0.17 ξ0 0.38 0.54 0.79 0.49 0.56 0.37 0.72 0.20 由上表结合金刚石精磨片基体材料可知:铜的U和ξ0值分别为0.35和0.54。
用粉末成型的金刚石精磨片坯体可以看成是单孔的,单孔坯体的侧压系数与致密度材料的侧压系数为如下关系:
ξ=θξ0 (3-3)