1 绪论
1.1引言
传统的机械加工是通过车床、铣床、钻床、磨床等设备对零件进行去除材料的加工方法，与传统的制造工艺相比，采用粉末冶金制造工艺方法可以得到图纸所要求的设计尺寸和外形形状的粉末冶金制品，达到少切削甚至无切削的制造要求，原材料的使用率高，加工制造的成本低廉，制造效率高，适用于制造产量大的企业，表 1.1 为粉末冶金工艺和传统机械零件制造工艺的原材料利用效率和制造能耗对比。粉末冶金零件是通过粉末冶金工艺技术制造的产品，在众多的粉末冶金材料和制品中，粉末冶金机械零件制造量大、品种最多、应用面最广，也是近几十年新工艺、新技术的不断发展和应用，是取得成效最为明显的制造技术[2]。尽管如此，粉末冶金传统的制造工艺仍然是制造这类零件的最为重要的加工方案，粉末冶金传统工艺的基础工序如图 1.1 所示。粉末冶金机械零件应用最为广泛的领域为汽车制造行业。另外，在摩托车、家庭电器、农用机器、建筑设备、电动交通工具等领域都有广泛应用[3]，典型的粉末冶金机械零件如图 1.2 所示。近几年来，中国的汽车制造行业正在飞速发展，2008 年汽车的生产数量超过 800 万辆。北美 70%、欧洲 60%、日本 85%的粉末冶金机械零件都广泛应用于汽车制造，中国近年来粉末冶金机械零件应用于汽车制造的仅在 27%上下。按照每一辆汽车在应用粉末冶金零件的重量来计算：北美为 19.5Kg、日本为 9.5Kg、欧洲为 14.6Kg、我国仅为 4.7Kg。从以上述数据分析，与欧美发达国家相比，中国的粉末冶金机械零件在汽车制造行业上的使用方面存在着非常大的发展空间，未来如果依照我国汽车制造工业每年 20%~30%速度增长，对粉末冶金零件的供需量巨大，这种巨大的供需量正是我国在粉末冶金行业高度发展的发动机[4]。
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1.2课题来源及研究内容
本课题研究对象是某型号粉末冶金汽车同步器齿毂模具。由于所要加工的粉末冶金汽车同步器齿毂的形状结构比较复杂，生产企业的工程师不得不将复杂的模具简化（如图 1.5 所示），并在后续的机械加工中保证零件设计尺寸精度的实现，这样不仅使加工工序繁琐、效率降低，而且还会因为模具的简化使得压坯密度分布的均匀性大幅度下降。为了更好的设计出所要研制的模具，本文首先对所要压制的粉末冶金汽车同步器齿毂零件的形状结构进行分析；现有模具方案分析：对现有设计方案的不足进行阐述，并提出新的设计观点；模具改进设计：设计一套新的粉末冶金汽车同步器齿毂模具，来解决现有模具设计方案在实际生产使用中存在的问题；模架的有限元分析：对所设计的模具进行有限元分析，来验证其结构设计的合理性；模具加工：对部分模具进行加工制造。
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2 粉末冶金压制原理
2.1 粉末压制成形过程
传统的粉末冶金压制工艺是将混合的金属粉料（金属粉末与非金属粉末的混合物）装填入阴模型腔中，通过模冲将压机施加的压力传递给粉末，使之成为所需要的具有一定形状和尺寸精度的压坯，卸压后，通过压机将成形的压坯脱出模具的工艺过程。那么，传统的粉末冶金压制流程可以分为装粉、压制、脱模三个步骤构成，压制过程示意如图2.1 所示。在传统的粉末冶金工艺流程中，粉末冶金压制成形过程的重要性仅次于烧结工序，其成形的尺寸形状精度关系到烧结的精度。 压制成形过程的重要性如下所述：
（1）合理的成形方法对其压制的顺利进行起着决定作用；
（2）直接影响着后序的工艺过程及产品的最终质量；
（3）影响着粉末冶金生产的生产效率、自动化和生产成本。
粉末冶金压制成形的第一步就是装粉，装粉是通过送粉机构将一定量混合好的粉料装填入阴模型腔的过程。粉料是通过基础铁粉和其它添加剂按照一定的比例混合而成的，这些添加剂包括铜粉、胶体石墨、AC 蜡、硫化锰等，当然不同的产品就要求不同的混料成分和混料比例以达到产品的最终使用性能，混料的质量不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量[26]。 在粉末冶金压制的开始阶段，粉末在阴模中是以自由松装状态存在的，各个粉末颗粒的表面粗糙度、尺寸和不规则的形状，会使其通过摩擦力互相咬合、互相搭接，这样就造成了比粉末颗粒大许多倍的孔隙，所以其松装体积较大。在粉末颗粒受到压机通过模冲施加的压力后，粉末颗粒之间相互搭接的情况会受到毁坏，粉末颗粒之间的孔隙会被各个颗粒彼此填充，接触增加，孔隙度会大幅度下降。粉末在实际受压过程中会受到更为复杂的位移变化，同时粉末还会在受到压力的时候，由于粉末颗粒之间的运动，相互受阻，相互挤压而产生变形，这种变形包括弹性变形、塑性变形和脆性变形。
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2.2 压制过程的分析
压制压力是为获得所要求的压坯密度和强度施加到粉末上的外加总压力，也是选择压机的重要工艺参数，压制压力主要消耗有以下两部分。由于粉末体在压模中压制时受到较大压力产生变形，所以总压制压力总F 是在设计粉末冶金模具和选择粉末冶金压机时的重要的数据。并且，压制压力的大小也直接影响着压坯在烧结后的密度大小，不同的压制力就有着不同的密度，所以总压制压力也是影响零件密度的重要因素。在传统的粉末冶金零件中，孔隙是粉末冶金制品本来就有的特性，简言之，粉末冶金制品各颗粒间都有一定的间隙。由于孔隙的存在，使得粉末冶金零件具有良好的透过性能以及容易压缩变形，质量轻，具有减震作用。在普通的铸造零件中，砂眼和气孔是比较常见的缺陷，这种问题以目前的制造技术还很难克服，而粉末冶金零件中的孔隙是可以有效控制的，在粉末冶金零件制造中还会通常利用这些孔隙来改善零件的使用性能，比如，为了使铁粉的压制能力更加优越，增加粉末制品密度分布的均匀性，降低粉末在阴模模腔中的磨损，使脱模更加顺利，设计者通常会在粉末中放入适量的硬脂酸锌作为润滑剂，这些适量的硬脂酸锌会在烧结过程中发生化学变化，从而分解、挥发，产生一定的孔隙度，而这些孔隙对提高含油轴承等多孔材料的开口孔隙率具有明显效果，当然，不同的产品对孔隙率的要求是不一样的，所以对孔隙率的选择应该根据产品的使用情况而定。
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3 粉末冶金模具设计..... 14
3.1 产品分析.......... 15
3.2 现有设计方案........ 16
3.3 模具改进设计........ 18
3.4 本章小结.......... 36
4 模架的三维建模与有限元分析 ......... 37
4.1 主要模具的三维模型 ........ 37
4.2 阴模组件静力分析...... 39
4.2.1 ANSYS 接触理论分析 ........ 39
4.2.2 阴模组件的分析 ..... 40
4.3 模冲的静力分析.... 41
4.4 模板的静力分析.... 44
4.5 模架的整体模态分析 ........ 46
4.6 碟簧的模态分析.... 48
4.7 本章小结.......... 49
5 结论........... 50
4 模架的三维建模与有限元分析
4.1 主要模具的三维模型
本文所涉及到的粉末冶金汽车同步器齿毂包括内渐开线花键和外渐开线花键两种渐开线花键，所以压制此粉末冶金制品的部分模具也需要渐开线花键，而三维软件 UG中，没有渐开线花键的设计模块，所以需要通过此软件中的“工具-表达式”命令，来编写渐开线表达式，从而生成渐开线图像，渐开线表达式见表 4.1。ANSYS 拥有强大的有限元分析能力，能进行从简单的线性静态分析到复杂的非线性瞬态分析[34]。据国内外有关文献报道，ANSYS 分析结果与实验结果的误差可以小于10%；因此，使用 ANSYS 可以大幅提高设计人员的设计能力。ANSYS Workbench 是ANSYS 公司于 2002 年开发的新一代产品，其既继承了 ANSYS 经典平台在有限元仿真分析上的所有功能，又融入了 UG、Pro/E 等 CAD 软件强大的几何建模功能和 ISIGHT、BOSS 等优化软件在优化设计方面的优势，真正实现了集产品设计、仿真和优化于一身，可以帮助技术人员在同一软件环境下完成产品研发过程中的所有工作，从而大大简化了产品开发流程，缩短了产品上市周期[37]。
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结论
本课题来源于兴城市粉末冶金有限公司的一项课题。公司要在现有压机（上二下三型模架）的基础上设计一套粉末冶金汽车同步器齿毂精密成形模具，实现无切削加工，并且能改善产品零件的密度分布，做到高效率、低能耗的优势。
（1）压制原理分析：介绍粉末冶金制品的压制原理，其中对粉末冶金压制压力、压制密度、多台阶压坯密度均匀分布所遵循的原则进行了分析说明，并阐述了粉末冶金制品在压制时容易产生的缺陷，缺陷产生的原因及其解决方案。
（2）模具设计分析：根据产品图纸设计要求，对粉末冶金同步器齿毂进行符合无机械切削加工的模具设计。粉末冶金模具设计分为不等高（轴向有台阶面）的压坯模具设计和等高（轴向无台阶面）的压坯模具设计。等高的压坯模具设计要比不等高的压坯模具设计简单，本文所要研究的粉末冶金汽车同步器齿毂为多台阶面的零件，在零件的上下部分别有三个台阶面，形状比较复杂。粉末冶金制品的成形是通过在压模内由模冲于高压下将金属粉末压缩，使之致密化达到的，压坯的形状受到一定的限制。因而，首先应对所要压制的零件产品进行分析，然后对压坯形状进行设计，保证用粉末冶金方法能够顺利压制。
（3）模架设计分析：对企业现有的“上二下三”模架进行改进设计。在现有的模架的基础上设计一个“移粉机构”，使上模冲在压制粉末时，将多余的粉末移除使其能符合无机械切削的粉末冶金加工工艺。因为本文所要研究的粉末冶金汽车同步器齿毂为上下三台阶面，需要三个上模冲和三个下模冲，每个模冲必须固定在一个模板上。而现有的模架只有两个上模板，所以要设计一个机构来代替一个上模板，并实现三个模板的运动动作和功能。“移粉机构”的作用就是在压制前，通过自由状态的碟簧将上二模冲弹出一段距离，使其处于移粉状态；在压制成形位置时，受到压制压力的碟簧处于压缩状态，使上二模冲处于成形状态，从而压制出压坯。
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参考文献（略）