一 设计任务
欲利用粉末成型工艺生产一批方管圆孔零件初压模,零件材质为铜,原料为电解铜粉,已知压坯密度为6.0g/cm3,原料粉末的松装密度为4.0g/cm3,手动压制。初压模为截面尺寸为40x40mm,内含直径为20mm的圆孔,长为40mm的方管。如图所示为初压模压坯示意图:
二 压坯设计
1、产品零件分析
该产品采用电解铜粉压制坯体,其压坯成型是密度较高,因此在压制成型时需要采用较高的单位压力(一般在400MPa)。
压制该压坯采用芯杆浮动,阴模不动模具进行压制成型。
芯杆浮动,阴模不动压模示意图
2、松装密度,压坯密度和单重的确定
已知压坯密度为6.0g/cm3,电解铜粉的松装密度为4.0g/cm3。
压坯的高度为40mm,计算可得到粉体松装高度。
H=h×k=40×1.5=60mm
压坯单重W=ρ× V ,由成品图给数据计算其压坯体V=h×S,算得:
V=40×(40×40-3.14×10×10)=51433.63mm3
W=6.0 g/cm3×51433.63mm3=308.6g。
所以,压制用粉体的质量为308.6g,粉体松装高度为60mm。
3 、粉末冶金工艺流程
制粉→混合→筛分→制粒→鉴定→压制成型→烧结→检验→整形→后处理→成品
本报告主要讨论压制成型中使用的模具的设计。
三 装粉方式的选择
该产品压坯高度一致,粉料组元之间密度差别不大,模腔形状简单不易产生成分偏析,粉末易于填充,因此采用落下式方法正常装粉,
装粉时装至与阴模平齐。
四.压模主要零件的结构设计、尺寸计算和加工
1.结构设计
各零件结构设计详见附录中零件结构图。
2.尺寸计算
根据压制成型后坯体尺寸的要求,由上文中计算得到:
3.阴模
(1) 阴模高度
阴模高度应满足装粉和模冲定位需要。因此,阴模高度包括松装粉末的高度、下模冲定位高度和上模冲压缩粉末前进入阴模深度,即
H阴 = H粉 +h 下 +h上
选取下模冲定位高度为h下=15mm,上模冲定位高度为h上=0mm,所以计算H阴=60+15=75mm。
(2) 阴模内径
阴模内径应根据压坯外型要求确定,此处要求得到的压坯为方形圆孔管,所以阴模内径直接可由压坯外型确定,而不用考虑扫街过程中坯体的回弹,另外,所选用的铜粉当压坯密度为6.0时,压制后几乎没有回弹量。
(3)阴模外径
按照第一强度理论的强度条件,阴模外径:
按照第二强度理论的强度条件:
[σ] ———阴模材料的许用应力 ,对于脆性材料来说
[σ] =σb/nb
σb———阴模材料的抗拉强度,可查有关手册;
nb———安全系数,一般取2.5-2.7;
ν———泊松比, 对于钢模来说,ν≈0.3
在本例中,压制压力取400Mpa,压坯密度为6.0g/cm3 ,相对密度d=6.0/8.94≈0.67,单位压制压力为p=400/9.8=40.82kgf/mm2(1 kgf/mm2=9.8Mpa),侧压系数取0.37,则
侧压力:
p侧 =ξp=ξ0p=0.37×0.67×40.82=10.12kgf/mm2
阴模材料选用GCr15,其σb≈100 kgf/mm2, nb取2.7,许用应力[σ]内=σb/nb=100/2.7=37(kgf/mm2)
按第一强度理论:R外>=26.48mm
按第二强度理论:R外>=27.19mm
为方便切削及压制,这里可将阴模外径定为35mm。
4.模冲
(1)模冲高度
确定模冲的高度时,应根据压模的具体结构综合考虑模冲安装、定位、装粉高度的调节余地、压坯的高度要求以及脱模移动的距离等。上模冲在此模具中只起到压制粉体的作用,因此其高度的主要考察标准是粉体的压制距离,由上文中可知粉体有60mm的松装高度压制到坯体的40mm高度,又由于脱模方式的限制,所以本模具上模冲高度选择为20mm。下模冲高度要高于托杆伸出支撑板高度,所以确定为15mm。
(2)模冲内、外径
模冲的内、外径是按照与之配合的芯杆外径和阴模内径来确定的 。 具体来讲,模冲内孔直径(内径) 的基本尺寸应与芯杆外径的基本尺寸一样, 而模冲外径的基本尺寸则应与阴模内径的基本尺寸一样。根据粉体成形压模的特殊要求,选择模冲与阴模、芯杆之间的配合间隙时,既要保证压坯精度,又要便于模冲滑动,还要防止粉末嵌入间隙,造成模具的剧烈磨损、引起压坯毛刺等。为此,需要根据压模零件的尺寸大小、压坯的精度要求、粉末的粒度等合理选择配合间隙。 一般情况下,上述配合间隙可取0.01—0.03mm,也可按标准将模冲与阴模之间的配合间隙按H8/f7或H7/g6的配合公差来选取,而将模冲与芯杆之间的配合间隙按G7/h6、F8/h6。
5.芯杆
(1)芯杆长度
芯杆的长度应不超过阴模上端面或略短一点 ,以便于自动送粉, 但不宜过低,以免引起夹粉,磨损芯杆。芯杆也不宜过长,以免给芯杆的加工带来麻烦。特别是细长杆件在热处理时容易变形,加工精度也难保证,本例中芯杆为方便脱模,下部用托杆支撑,而托杆与弹簧连接,因而得到芯杆的最终长度为68mm。
6.弹簧
弹簧需支撑起芯杆重量,满足一定的长度和行程需求,当弹簧的长径比较长时需设计导杆定位,根据设计需要,初选丝径d=2.4mm,D=24mm,H0=80mm,其旋绕比为C=24/2.4=10,k=W/x≈2.4N/mm,又根据k=,G为弹簧切变模量,C为旋绕比,n为圈数,弹簧选用65Mn时,G=80000MPa,计算得n=10.
7 .其他零件尺寸与材料选取
其他零件主要起连接与定位的作用,其在保证强度的情况下选取常用材料,尺寸与材料详情参见附录中的零件图装配图。
五 压模零件加工
1.零件材料选择
粉末冶金模具主要零件的材料,要求硬度达到HRC55以上。这些材料常用的有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢和硬质合金,这些材料的硬度和强度均能满足使用要求。
阴模选用GCr 15,其耐磨性好,热处理硬度HRC在63以上,可以满足使用要求。
上、下模冲要求耐冲击性好,有一定的耐磨性,综合考虑成本,可选用低合金工具钢,如CrWMn等。
芯杆要求有十分好的耐磨性,综合成本考虑,可选用高速钢,如W 18Cr4V,或者高合金工具钢,如GCr 15等。
底座、支撑板、支撑杆、脱模座等选用45钢,T8。
压垫由于不受摩擦作用,故只需要求一定的硬度,可选用T10、Cr12、9CrSi。
2.压模零件热处理
模具热处理是模具加工的重要环节,是保证模具质量和提高模具寿命的关键序,因此必须根据所选定的材料制定合理的热处理工艺。
1.)阴模加工工艺流程:
坯料→锻造→退火→车削等→热处理→与模套压配→磨两平面→电加工内型面→研磨內型面→退磁→检验→编号入库
2.)芯棒加工工艺流程:
坯料→车削等→热处理→与接杆配合(钎焊、压配等)→磨削基准面→磨削外型面→研磨外型面→退磁→检验→编号入库
3.)模冲加工工艺流程
坯料→锻造→退火→车削等→热处理→磨削两端面→磨削外圆→电加工内腔→磨削外型面→研磨内外型面→退磁→检验→编号入库
4.)热处理工艺
①锻造工艺:始锻温度1050~1100℃ 终锻温度 850~880℃
②退火工艺:790~810℃保温2~6h,以20~30℃/h,冷却到550℃后炉冷或空冷,退火态硬度170~207HB
③淬火工艺:缓慢预热至600℃,快速加热至830℃,油冷
④回火工艺:150~400℃ 硬度59~64HRC
六 模具零件的技术要求
1.阴模要求
①阴模高度应能容纳压制所需的松散粉末,并使上、下模冲有良好的定位和导向;
②能保证压坯外形的几何形状和尺寸精度;
③工作面的粗糙度Ra≤0.8um;
④工作表面要有高的硬度和良好的耐磨性;
⑤在工作压力下应具有足够的强度和刚性;
⑥根据产品的批量和复杂程度,选择合适的阴模材料;
⑦结构上应便于制造和维修,使用安全,操作方便;
⑧能使压坯完好的脱出;
⑨平磨后需退磁。
2.芯棒要求
①保证压坯内腔的几何形状和尺寸精度;
②工作面的粗糙度Ra≤0.8um;
③与上下模冲应有良好的配合、定位和导向;
④工作段应有高的硬度;
⑤平磨后需退磁。
3.模冲要求
①工作表面要有足够高的硬度和良好的耐磨性,材料的选择与处理应考虑有 适当的韧性;
②上、下模冲对阴模和芯棒应有良好的配合、定位和导向,并有合理的配合 间隙,复合的模冲(即有压套时)应能脱出压坯;
③上下模冲的工作面和配合面的粗糙度Ra≤0.8um,非工作段的外径可适当 缩小,内径可适当放大,减少精加工量和阴模、芯棒之间的摩擦;
④有关部位应能保证垂直度、平行度和同轴度等技术要求;
⑤平磨后需退磁。
七 压制与脱模
1.压制过程
装填粉体后,放置上模冲并在上模冲上放置压垫块,将模具置于压力机下,匀速缓慢向下压,当压垫与阴模接触时停止下压,保持静载一段时间后卸载。
2.脱模过程
压制完成后,将阴模从支撑板上取下,此时上模冲、下模冲、压胚,还有芯杆一起包含在阴模内随之一起被取下。然后放置在脱模座1上用脱模顶杆1将上模冲、下模冲、压胚,还有芯杆顶出。得到的是上下模冲夹着压胚,中间都包含着芯杆。接下来将之放置在脱模座2上,用脱模顶杆2将芯杆顶出,取下上模冲,取出压胚,实现脱模。最后复原模具。
参考:
[1].粉体材料成形设备与模具设计.熊春林 汤中华 李松林 编著
[2].粉末冶金模具设计手册.印红羽 张华诚著
[3].中国模具工程大典第六卷粉末冶金零件模具设计
[4].粉末冶金机械零件实用技术.周作平 申小平著
[5].机械零件设计手册.吴宗泽著
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给出的是大的范围,可以细致到这个范围的某一个产品,也可以针对这一类型的某个产品。
设计报告书格式要求
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课程名称、课题名称、系别,专业,学号,姓名,指导老师。
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1 拟定项目,制定计划………………………………… ……………………页码
1.1 课题研究背景 …………………………………………………………页码
1.2 设计进程计划 ……………………………………… ………………… 2 设计调查,寻找问题……………………………………………………
2.1 消费者因素调查 ………………………………………………………
2.1.1 消费者需求调查 …………………………………………………
2.1.2 消费者审美倾向调查………………………………………………
2.1.3 消费者认知与操作习惯调查………………………………………
2.2 现有产品调查 …………………………………………………………
2.1.1 产品市场分布及占有率调查 ………………………………………
2.1.2 现有产品语义差异调查………………………………………
2.1.3 产品结构调查………………………………………
2.1.4 产品相关技术调查………………………………………
2.3 社会因素调查………………………………………
2.3.1 社会经济水平及消费情况调查………………………………………
2.3.2 地域特点、区域文化对设计的影响因素………………………… 3 分析问题,提出概念……………………………………
3.1 目标消费群体定位……………………………………
3.2 典型使用场景定位……………………………………
3.3 设计风格定位……………………………………
3.4 产品功能定位……………………………………
4 设计构思,解决问题……………………………………
5.1 色彩设计与分析……………………………………
5.2 产品材料及质感表达……………………………………
5.3 产品细节结构展示……………………………………
5.4 人机工程设计与分析……………………………………
5.5 使用方式分析……………………………………
设计展开方案……………………………………
6 未来趋势分析……………………………………
7 方案优化…
8综合评价……………………………………
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? 封底
要求:
1. 一级标题13号加粗,其他标题12号加粗,正文部分12号;封面及封底设计不限,
最大字体不超过48号字。
2. 幅面要求:A4
3. 格式:JPG格式
4. 所有内容图文并茂(注意图片分辨率吧,文字图片排版的实用协调性,底板设计的
美观性等)
5. 最总要求装订成册,每册张数在30-40张。硬壳封面封底。
6. 5-7人为一小组,以“人数-姓名”方式命名文件夹,统一提交。
7. 19周前提交。
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