1 绪论
1.1引言
钻孔是现代自动加工线或者加工中心上最常见的工序。在将来,越来越多的钻铣工具将得到使用。这类工具在使用过程中,由于承受的力较大,容易发热、磨损,尤其是其顶部程度更甚。为了延长钻头的使用寿命,人们使用了一系列的方法,最常见的是外部冷却工艺。但是在这种工艺下,因为加工过程中碎屑的不断排出,冷却剂难以到达顶端,达不到理想的冷却效果。随着加工深度的增加,这种冷却工艺所设想的效果越来越难以表现出来。近年来,国外出现的带内冷却螺旋孔的硬质合金钻头,可以提高深孔加工的效率,钻削难加工材料,满足自动加工线及加工中心的需要。在切削加工过程中,可以及时地除掉加工面上的金属碎屑,延长硬质合金工具的寿命,减少更换时间,可以大大提高加工速度。特别是瑞典的SANDVIK、德国的KENNAHERTEL、以及TITEXpLUS等先进硬质合金刀具制造商相继向市场推出了用于不锈钢等难加工材料的整体硬质合金钻头,该种钻头有两大技术特色,一是带内冷却的螺旋孔:二是钻头由复合材料构成,心部是韧性高的合金,而钻头表面是耐磨性能强的合金。因此,这类钻头在加工不锈钢时,具有更高的生产效率、更高的加工安全性和抵抗积屑瘤的性能。例如在含油5%的30bar的冷却液下,直径85mm的钻头进给速度可达337m耐min,刀具可钻孔18.sm。这种钻头直径可为国际市场上的整体硬质合金钻头毛坯价格平均在1000元瓜g以上,而我国尚不能生产,不得不依靠进口。图1-1描述了该钻头的形状。
1.2金属粉末注射成形技术
我们借鉴国外内螺旋孔的生产信息,研究相关注射成形和挤压工艺,试图设计一套模具,使之能够生产出具有内螺旋冷却孔的棒材,并且力图使其结构简单,生产成本低廉。进而,在模具的制造和试验的基础上,籍此对粉末挤压过程中的应力、应变分布,进行理论上的研究和实验验证,以渴望填补国内这一行业的空白。分析和研究目前国内外广泛应用的各种注射成形工艺的工艺特点,经综合的比较,提出了适用于本产品的加工工艺。第对粉体压制的模具设计进行研究,包括模具设计、模具材料、热处理和模具制造等。综合比较实验室所得出的实验结果和工厂所得出的实际结果,并分析研究生产上的工艺技术问题和可能的改进方案。第五章对于有限元网格再划分技术和体积成形过程仿真技术在本课题研究中的具体实施,进行了细致的研究。第六章是本课题结论部分,对于通过本课题的理论研究分析、计算和实验验证,得出的有关的几个结论,并对全文进行的总结和展望。
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2文献综述
2.1注射成型工艺的研究
金属注射成形(Metal Injeetion Molding,MIM)作为一种接近最终形状成形的技术,在西欧、北美、日本已经趋向成熟,并迅速走向产业化。由于MIM在制造精密机械零件方面具有突出的优势,国内多家科研机构和厂家也涉足这一领域。在欧洲,德国的BASF化工集团公司和CREMER热处理设备有限公司经过合作,发展了金属注射成形的成套生产技术,BASF公司开发的粘结剂体系及催化脱粘结剂技术,以其快速脱除的特点使MIM零件的大规模生产成为可能。CREMER公司所属Polyfour研究所经过长期研究并与BASF公司合作,针对BASF公司的原料设计开发出快速脱除粘结剂设备和烧结设备,使MIM的大规模工业化生产成为现实。
2.2内冷却孔的生产制备
由于以上工艺都存在着一定的不足,本研究在借鉴以上各工艺优点的基础上,研制了新的加工方法,核心是在模具中采用了芯杆。我们设想采用如图2-4所示的装置来实现带内冷却螺旋孔的钻头毛坯的挤压。图2-4模具设计示意图这里,首先描述带内冷却液螺旋孔形成的机理。在挤压缸内的料团,受到活塞所施加的压力进入挤压缸盖内,料团塑变流动进入固定的挤压嘴和螺旋孔芯杆的组件里,初步形成带双直内孔的毛坯条。这时毛坯条在挤压力的作用下,垂直下降速度为V。同时,芯杆在轴向压力的作用下以速度。转这时毛坯条就会在预定位置形成双内螺旋冷却孔。根据生产的不同需求,如果需要制造不同规格的螺旋孔,只需要改变旋压部位的螺距,即可以生产出不同螺距的螺旋孔和不同直径的棒材,达到生产的要求。工艺中挤压过程操作描述如下:根据挤压毛坯尺寸大小,装挤压缸、活塞及挤压模具;将冷态的挤压料团装入挤压缸内,活塞向前运动,使挤压料团充填挤压缸前端并致密化;在挤压缸密闭室内抽真空;在恒定的挤压力下,致密并挤出坯条,切割机按需要长度切割挤坯条。这样的设计,只需要施动力驱动芯杆旋转,即可以在坯条内部形成所需的内螺旋冷却孔,进行机械化生产。而且,本工艺的设备简单,成本低廉。
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3粉体注射成型模具的设计二……………40
3.1模具设计……………40
3.2模具零件设计……………45
3.4模具材料及热处理……………46..
4实验验证……………52
4.1实验目的材料及方法……………52
4.2实验室实验结果及分析……………52
4.3工厂实验结果及分析……………56
5金属粉末体成形过程仿真技术研究……………64
5.1体积成形问题概述……………64
5.2非稳态流动与稳态流动……………65
5.3金属粉末烧结体成形过程……………65
5金属粉末体成形过程仿真技术研究
5.3金属粉末烧结体成形过程
本课题所要设计的模具,要求实现的功能是,在进料端注入金属粉体混合物料,经过模具的加工过程后,在出料端生产出带内螺旋冷却孔的硬质合金坯体。模具所施加的作用,总体上既要促使金属粉体沿指定方位移动,又要实现内螺旋冷却孔的加工。显然,促使螺旋孔实现的力,必须能够确保与促使物料流动的力的同步施加,这样才能保证内螺旋孔的加工,具有规范的标准,防止螺距的不均匀现象产生。如果分别施加两个力,由于受到机械精密度的影响,两个力的施加时间的实现就很容易产生偏差,进而妨碍了实际的成功生产。经过研究可巧妙地将两种力归结到一起,即由一个动力源提供工艺加工所需要的两种力,以此实现两个力的同步施加。并使它们的作用方向恰巧是垂直相交的,即在空间上是垂直的。根据这种设计思想,可以通过转换力的方向这一方法来实现。即,将力源的总力分解为两个分力,其分力一是沿着物料流动的方向,其分力二是沿着促使物料产生内螺旋孔的方向。
模具的结构设计通常,注射挤压模的设计分为立式注射模,卧式注射模和角式注射模三种。我们所设计的属于立式注射模。先将金属混合粉料装填入模具型腔中,在一定的压力作用下,对金属粉体进行预挤压,使金属粉体先形成具有一定致密度的金属压坯:然后再在一定的压力下,从挤压嘴里挤压金属压坯,使成为所需要的棒材。为了便于锻造和热处理,便于加工和维修以及撤换磨损的部件。我们的设计采用镶并式结构,并利用定位销定位。整个阴模的高度应该包括旋压部分高度和装粉高度两部分组成。所以整套带内冷却孔硬质合金棒材注射成形模具的基本结构为两个主体部分,一个是挤压粉料下移的旋压体部分。
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结论
采用本研究所设计的模具和工艺,经实验室及工厂试验证明,基本上达到了挤压小10-15的带内螺旋冷却孔硬质合金棒材(YG)的要求。本设计方案在国内外首次采用了以转代压的设计思想,与国外挤压内冷却孔硬质合金棒材的模具及工艺相比,本方案更简单,经济和实用。4、经数力分析和计算机模拟得出的挤压带内螺旋冷却孔硬质合金(YG)棒材的优选工艺为:预压密度8.0-8.49/cm,,预压压强1.7;挤压压强0.03-0.65,挤压速度为3.5-4. min,与试验吻合较好。对挤压嘴附近金属粉体成形过程的精确模拟发现,挤压嘴周围金属粉末流动慢,而芯部金属粉末流动快。而在本实验条件下,采用挤压角600时,能够避免粉体与模具的过度摩擦,确保金属粉末的顺利挤压。局限于实验室条件和时间的限制,本挤压带内螺旋冷却孔硬质合金棒材的模具和工艺尚需在工厂高真空的条件下继续进行深入研究。
参考文献（略）