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粉末冶金壓制方法范文1
關鍵詞： 轉向管柱； 粉末冶金； 移動架； 模具設計； 工藝； 材料
中圖分類號： TF 124.32文獻標志碼： A
The Development of Powder Metallurgy Movable Frame
of Automotive Steering Column
PENG Jingguang， CHEN Di
（Shanghai Automotive Powder Metallurgy Co.， Ltd.， Shanghai 200072， China）
Abstract： The movable frame is one of the critical parts of automotive steering column.This paper dealt with the structure，performance，material selection and production process of it.It was complicated in shape with high precision.It hence always failed if it was produced with traditional machining method.In order to achieve massive production，powder metallurgy was used to produce parts of automotive steering column，which could improve the production efficiency and reduce the costs.Therefore，powder metallurgy movable frame with high precision，high strength complicated shape and in accordance with actual conditions could be developed by working out rational technology.
Keywords： steering column； powder metallurgy； movable frame； mold design； technology； material
粉末冶金是一門制造金屬與非金屬粉末和以其為原料，經過壓制、燒結及各種后續處理工藝制取金屬材料和制品的科學技術，是一項以較低的成本制造高性能鐵基粉末冶金制品的技術[1-2].近年來，隨著汽車行業飛速發展，為了降低汽車的生產成本，越來越多的零部件用粉末冶金方法來制備.
轉向管柱是車輛轉向系統中的重要部件.其主要作用是通過接收駕駛員作用在方向盤上的扭矩，將其傳遞到轉向器，從而使方向盤的轉動轉化成齒條的移動，控制車輪按照預期方向運動[3].轉向管柱中的粉末冶金移動架（如圖1所示）是轉向管柱實現前后上下4個方向調整的核心零件，分別和另外2個粉末冶金齒條相配合，實現方向盤的調節功能.同時，轉向管柱的移動架是汽車中的安全件，對密度和性能有一定的要求，且需要熱處理.該產品若采用傳統機加工的方式，幾乎不能加工，形狀非常復雜，且精度要求較高.因此，為了實現大批量生產，使用粉末冶金的方法來制造該零件，解決了目前生產效率低、制造成本高的問題.
1零件的結構和性能特點
粉末冶金移動架，其形狀復雜，在整個轉向柱中起承上啟下的關聯作用，分別與軸向架、徑向架的齒部咬合，使轉向管柱具有多方向的調節作用（如圖2所示）.包括平齒面A、斜齒面B、限位凹面C、帶鍵槽的內孔D，以及限位柱E.尺寸精度方面，其中齒形輪廓度要求0.05 mm，齒面高度差≤0.15 mm，限位柱和限位凹面輪廓度0.1 mm.
2材料和壓機的選擇
2.1材料的選擇
鑒于產品的結構特點、性能以及材料要求（材料牌號：Sint D11，w碳>0.75%，w銅為1%～5%），基礎鐵粉選擇霧化鐵粉，選用硬脂酸鋅為劑.硬脂酸鋅熔點低，稍加熱就能使其熔化成液相來減少粉末的內外摩擦，使其容易成形.
2.2壓機的選擇
根據產品的截面積和密度要求，測算出產品大概需要50 t的壓制壓力來制備.壓制壓力F可按下式計算[4]：
F=kps（1）
式中：p為單位壓力；s為受壓橫截面積；k為安全系數，k=1.15～1.50，取1.20.
根據式（1）計算壓制壓力，則F=1.2×5×8.4=50.4 t.
同時需要上一下三的模具結構，考慮形狀和結構特別復雜，所以選擇使用160 t機械式壓力成形機和上二下三的標準模架.
3工藝流程設計
3.1工藝的制定
根據產品要求，工藝制定如下：混料、壓制、燒結、振動去毛刺、滲碳淬火、清洗和包裝.由于產品精度要求高，在試驗過程中需嚴格控制磕碰傷.
3.2粉末的混合
采用雙錐型自動混料設備，其優點在于無死角、效率高、易清理，非常適合大批量生產[4].混料后粉末泊松比為2.8～3.2，壓縮性大于7.0.由于產品具有很高的硬度要求，為保證成分的穩定性，采用全自動秤料系統.
3.3壓制工藝
圖3為轉向管柱粉末冶金移動架壓制成形過程，分為粉末充填、粉末傳輸、壓制和脫模4個階段.
由于采用上一下三的成形結構，產品每部分充填值都要非常精確，才能保證壓制時每段密度是均勻的.為保證產品上下段密度均勻，成形過程中采用陰模和芯棒同時浮動.脫模時，采用保壓拉下式脫模，并以內下模為基準點，把產品完全從模具中脫出.壓制壓力50 t，壓制效率6件/min，產品高度直接達到成品要求.
3.4燒結工藝
燒結是粉末冶金生產過程中最基本的工序之一.所謂燒結，就是將粉末壓坯在低于其主要成分熔點的溫度下進行加熱，從而提高壓坯強度和各種力學性能的一種過程[2].FeCCu三元體系的燒結為有限多元系固相燒結類[2].采用連續式普通網帶燒結爐進行燒結，燒結溫度為1 120 ℃，燒結時間30 min，采用氨分解和氮氣的還原性保護氣氛，露點為-40 ℃，防止產品氧化并去除表面氧化顆粒.冷卻段采用常規水冷.
3.5振動去毛刺
鑒于產品的使用工況，產品外觀不允許有毛刺和飛邊.移動架形狀又較為復雜，采用盤刷或者噴砂的方式都不可行，所以選用鋼球振動的方式去毛刺，其效率高、去毛刺效果好.去毛刺介質選用鋼球，振動時間為10 min.
3.6熱處理工藝
熱處理采用鐵基粉末冶金通用的整體滲碳淬火[5]，即在分解氨氣氛下，將燒結的零件加熱到860 ℃，保溫30 min，然后在860 ℃下將零件淬于50 ℃溫油中.最后在150 ℃下回火5 min，達到硬度要求.
3.7清洗包裝
由于零件用于汽車轉向管柱系統，所以對產品清潔度有一定要求.采用高壓油清洗工藝可以符合要求，也具有一定的效率.產品清洗后，采用散裝的方式進行包裝.
4模具的設計
4.1成形模具主要零件的尺寸計算
4.1.1陰模高度
陰模高度應滿足粉末充填和定位的需要.因此，陰模高度一般包括粉末充填的高度、下模沖的定位高度和上模沖壓縮粉末前進入陰模的深度[6]，即
H陰=H粉+h上+h下（2）
下模沖的定位高度h下是根據下模沖與陰模之間的裝配需要而選定的.總的來說，以能滿足下模沖在陰模的定位需要為原則，一般取10～30 mm，本文中取20 mm.上模沖的定位高度h上取0.綜上，陰模高度為：
H陰=65+20+0=85 mm
4.1.2陰模和模沖尺寸確定
由于移動架形狀特別復雜，所以每個模沖的尺寸需要同比例縮放，由材料試驗結果得到，壓制彈性后效為0.15%，燒結變形量為0.25%.根據模具尺寸計算公式如下[6]：
D=D產（1-t-s）（3）
式中：D為模具尺寸；t為壓坯的徑向彈性后效；s為壓坯的徑向燒結收縮率；D產為產品外徑.通過該公式可計算出每個模沖的尺寸.
4.1.3模沖高度的計算
由于采用上一下三的成形結構，上模高度只需采用閉合高度的最小值，通常取100 mm.
外下模計算如下[6-9]：
H外下模=H陰+H法蘭+H脫模（4）
式中：H外下模為外下模高度；H陰為陰模高度；H法蘭為安裝用法蘭高度，通常取15 mm；H脫模為脫模所需要高度，通常取10～20 mm.
根據式（4），H外下模=85+15+10=110 mm.
中下模計算如下[6-9]：
H中下模=H外下模+H法蘭+H脫模+H墊塊（5）
式中：H中下模為中下模高度；H墊塊為外下模墊塊高度.
根據式（5），H中下模=110+15+10+50=185 mm.
內下模計算如下[6-9]：
H內下模=H中下模+H法蘭+H脫模+H墊塊
式中：H內下模為中下模高度.
根據式（5），H內下模=185+15+10+40=250 mm.
4.2模具設計中的注意事項
移動架較為復雜，產品臺階數多，設計過程特別需要注意模具的分型區域.同時，單個模沖的成形面積特別小，模沖又特別長，熱處理硬度需要控制在特別緊的范圍內.在試驗過程中，模具壽命是難點，需要在脫模、圓角過渡等方面特別注意.
通過大量的理論計算和實際生產的細節討論，制定了轉向管柱移動架生產的模具樣式和具體的試驗工藝.通過混料、壓制、燒結和熱處理等一系列工序設計，對移動架的開發進行了詳細的說明.在所有的工作中，模具設計是重點.經過對移動架的設計，可以制造該零件為生產所需.目前該產品已經實現批量生產，取得了較好的經濟效益，解決了機加工高成本和低效率的問題.
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粉末冶金壓制方法范文2
關鍵詞：高強度，鐵基粉末冶金材料，應用
在模具設計前，必須進行粉末冶金制品的形狀設計。制品壓坯的形狀設計是保證產品使用要求的情況下，從壓制過程(裝粉、壓制、脫模)、模具壽命、壓坯質量等方面來考慮，并對制品圖線形狀作適當的修正。本文是將電動工具中原有的鋼制齒輪(材料為40Cr)用粉末冶金材料代替，并針對以下內容進行了二次設計：(1) 在原有鋼制齒輪齒形的基礎上對粉末冶金齒輪的齒形齒廓進行二次設計；(2) 對實際嚙合的粉末冶金燒結齒輪的尺寸修正；(3) 粉末冶金齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度的理論校核。
1.齒形齒廓的選擇和計算
選擇齒輪材料應考慮如下要求：齒面應有足夠的硬度，保證齒面抗點蝕、抗磨損、抗咬合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應有足夠的強度和韌性，保證齒根抗彎曲能力。此外，還應具有良好的機械加工、熱處理工藝性和經濟性等要求。在齒輪傳動機構的研究、設計和生產中，一般要滿足以下兩個基本要求：
1.傳動平穩—在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動和噪音盡量小。
2.承載能力大—在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強度高、耐磨性好及壽命長。
由于螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪相比，在使用上有如下優點：
1）增大了重迭系數。由于弧齒錐齒輪的齒線是曲線，在傳動過程中至少有兩個或兩個以上的齒同時接觸，重迭交替接觸結果，減少了沖擊，使傳動平穩，降低了噪音；
2）由于螺旋角的關系，重迭系數增大，因而負荷比壓降低，磨損較均勻，相應的增大了齒輪的負荷能力，增長了使用壽命；
3）可以實現大的傳動比，小輪的齒數可以少至五齒；
4）可以調整刀盤半徑，利用齒線曲率修正接觸區；
5）可以進行齒面的研磨，以降低噪音、改善接觸區和提高齒面光潔度；
6）在傳動中產生的軸向推力較大，所以對軸承要求較高，在傳動機構中需選用適當的軸承。
由于上述特點，所以螺旋齒錐齒輪常用于圓周速度較高，傳動平穩和噪音較小的傳動中。
通過和直齒錐齒輪的比較，本設計采用螺旋錐齒輪。計算采用的是等高齒錐齒輪，即從齒的大端到齒的小端齒高是一樣的，這種齒輪的面角、根角和節角均相等。這樣設計不僅減少了大部分的計算，而且對于模具的設計和壓制來說更為有利。螺旋錐齒輪齒形參數直接影響齒輪的承載能力、輪齒剛度和傳動的動態特性，各參數相互影響、相互制約，其選擇的原則是：由各參數確定的齒形，應保證輪齒有較高的彎曲強度和接觸強度，最好符合等強度的設計原則。輪齒在嚙合時，要求傳動平穩，無齒形干涉現象。齒形形狀要力求簡單以便于制造。
1.主、從動錐齒輪傘齒輪齒數的選擇在選擇齒數時，應盡量使相嚙合的齒輪的齒數之間沒有公約數，以便使齒輪在使用過程中各齒之間都能互相嚙合，起到自動磨合的作用。同時，為了得到理想的齒面重疊系數，大小齒輪的齒數和應不小于40。
2.齒面寬F 的選擇對于等高齒錐齒輪來說：在“奧利康”制等高齒錐齒輪上，由于其延伸外擺線的曲率變化比弧齒錐齒輪的圓弧齒線大，因此，齒面寬不宜過大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 為節錐距。
3.螺旋角β 的選擇汽車主減速器錐齒輪的螺旋角多在βm=35~40°范圍內。為了保證有較大的mF 使運轉平穩、噪音低。依據經驗選βm2=36°。
4.法向壓力角α 的選擇大壓力角可以增加輪齒強度，減少齒輪不產生根切的最少齒數，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角使齒頂變尖及刀尖寬度過小，所以在輕負荷工作的齒輪中一般采用小壓力角，可使齒輪運轉平穩，噪音低。對于本設計中的“奧”制齒輪采用的齒面平均壓力角α=17.5°。論文參考網。
5.齒頂高系數及頂隙系數齒頂高系數取ha*=1；頂隙系數C*=0.25。
2.實際嚙合的粉末冶金燒結齒輪齒形的修正及校核
壓坯密度對于提高和穩定燒結制品的強度與尺寸精度十分重要。為使壓坯密度均勻，順利脫模，結合齒輪設計的特點，對齒形以下幾部分進行了改進：
a.為了增高齒的強度和降低噪聲，同時考慮到實際當中齒形模沖加工的特點，對齒輪的齒頂和齒根的齒形進行了修正。
b.一般壓制成形都是沿著壓坯的軸向進行的。而制品中徑向(橫向)的孔、槽、健、螺紋和倒錐，通常是不能壓制成形的，需要在燒結后用切削加工來完成的。論文參考網。但本齒輪的鍵槽是軸向的，并不影響壓坯的脫模。
c.從節省原料和不影響安裝的角度考慮，把原來的三個定位凹坑改成花鍵式，而且不影響脫模，且能節省原材料。
通過對改進后的齒形進行載荷計算和齒面接觸強度的理論校核，結果說明所設計的齒形參數能夠滿足服役要求。
3.齒輪模擬臺架試驗
將上述材料的大齒輪，分別在100℃、200℃和250℃回火，硬度分別為HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后裝機進行實驗，對磨件為40Cr鋼，硬度HRC48。臺架試驗記錄結果：
第一套齒輪(硬度HRC43~45)：經裝機試驗當試驗到1.5h時，出現聲音異常，拆機檢查，小齒輪打崩二個齒，但大齒輪完好；換上鋼制的小齒輪，淬火硬度HRC42~43，經測試10h，機器正常，拆機檢查，磨損正常，即進行第二個項目測試 (空載實驗) 55h，拆機檢查，一切磨損正常，(其中換了一個轉子，碳刷3副)；之后進行模擬實驗，運轉到10.5h時，機器冒煙，燒機，停止測試，拆機檢查發現，前軸承爆裂，定轉子燒毀，大齒輪打崩一個齒，小齒輪磨損比大齒輪嚴重。經分析原因：大齒輪打崩是因為前軸承爆裂，而造成轉子亂跳而產生的，是意外發生的現象，并非齒輪強度問題所造成的，所以其材料可以繼續試驗。
第二套齒輪(大齒輪硬度HRC38，小齒輪HRC42(材料 40Cr)：進行模擬試驗運轉16h時轉子燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常，換轉子繼續進行，運轉26.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續進行，運轉7.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。再換電機繼續進行運轉12h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續進行，運轉17h時電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。論文參考網。再換電機繼續進行，運轉15h電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。停止試驗。
第三套齒輪(硬度HRC30~32，小齒輪HRC35，大小齒輪均為粉末冶金材料)：經裝機試驗，通過工況測試，磨損正常；第二個項目測試 (空載實驗) 30h時，大齒輪小齒輪磨損嚴重，停止測試。結論：硬度太低而造成磨損。在本測試條件下，滲碳燒結齒輪材料耐磨性優于意大利和40Cr材料；在本測試條件下，改進后齒形傳動平穩，降低噪音；由此可以認為，本課題研制的新材料和完成的齒輪齒形設計能滿足電動工具的使用要求。
【參考文獻】
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粉末冶金壓制方法范文3
風雨求學，毅然回國
黃培云，1917年8月23日生于北京市，祖籍福建省閩侯縣（今福州市）。其父在海關工作，經常易地任職，全家隨行。因此，黃培云小學讀于北京，初中讀于煙臺，高中讀于蘇州。但這并沒有影響他的學業，反而使他開闊了眼界，增長了不少見識。
由于勤奮好學，1934年，他以優異的成績考入了清華大學化學系。1935年，為了挽救民族危亡，他毅然參加“一二?九”運動。1937年，日本侵略軍進占北平，清華大學遷至長沙，與北京大學、南開大學組成西南臨時大學，不久又西遷昆明成立西南聯合大學。1938年2月，黃培云參加由聞一多等教授率領的步行團，并擔任學生小組長，風雨兼程，歷時兩個多月，從長沙步行到昆明。這次步行對黃培云一生影響極大。在憶及這段往事時，他說：“它不但鍛煉了我的身心，更重要的是深入窮鄉僻壤，了解到不少民間實際情況與疾苦，使我進一步向進步與革命靠攏?！蓖?月，黃培云大學畢業，在清華大學金屬學研究所任助教。
1940年，黃培云考取清華大學第五屆公費留美生，在麻省理工學院研究生院攻讀博士學位。1945年獲科學博士學位后，他繼續在該院從事博士后科學研究工作。
為了中華民族的振興，黃培云毅然偕同已入美國籍的夫人于1946年底回到了祖國，以圖科學救國。1947年春，他受聘到武漢大學礦冶系任教授和系主任。
建校不是做好桌子板凳就行
1952年，國家對高等學校進行教學改革與院系調整，決定將武漢大學、湖南大學、廣西大學、南昌大學的礦冶系，中山大學的地質系，以及北京工業學院的選礦系進行調整合并，成立獨立的中南礦冶學院。該學院定位為以培養有色金屬工業需要的人才為主，時任武漢大學礦冶系主任的黃培云參與了籌建工作。
校址最后選定在湖南長沙。“建校時最困難的是沒有人，我們就在長沙即將畢業的學生中找幾個能干的?！秉S培云生前回憶道。他們先對學校的桌椅板凳、實驗臺需要多少木頭進行估算，再去買木頭，并且總能買到最好的木頭。之后，他們又買了馬達和鋸片，自己裝了鋸木頭的機器。很快木工廠建起來了?！罢f是木工廠，實際上除了那臺鋸以外，什么都沒有。但學生們就是用它制作了一大批小板凳?！秉S培云生前回憶起建校情景時娓娓地說道。
然而，建校不是把桌子板凳做好就行了。幾所學校的師生加起來有好幾百人，加上當時交通不便，從四面八方趕到長沙來這個過程就不簡單。修整校舍時實在買不到瓦，他們就自己動手做瓦；建房子需要大量的磚，他們就自己建窯壓胚燒磚，還因為用水的問題，他們辦了一個小型自來水廠，甚至為了開出一條運輸路，他們用鋤頭一點點地把羊腸小道鏟平、開通。
面臨6所學校所用教材差別很大的問題時，他們把6個學校的教材擺在一塊兒，強中選優，最后確定以武大、湖大、北京工業學院的教材為主。
他們秉著革命的精神為建校出謀獻力，終于學校在1952年11月如期開學，黃培云被任命為副院長。
黃培云倡導的“三嚴”作風――嚴肅對待教學工作、嚴密組織教學過程、嚴格要求學生在建校后起了很大作用?！拔覀円环矫娌粩喔纳平虒W物質條件，一方面大力培養師資。學院成立時只有兩萬多平方米，實驗室、教室、宿舍等都非常缺乏。”黃培云生前接受記者采訪時說，用了大概3年時間，教學樓、實驗樓相繼建立，實驗室設備不斷補充，教學質量也有了提高。
從1954年開始，學院在蘇聯專家的指導下，改組了院務會議，調整教研組，修訂教學計劃及教學大綱，對教學法展開研究。1956年，中南礦冶學院培養出第一批畢業生，較強的專業能力和綜合素質使這些畢業生受到用人單位的歡迎。
填補我國粉末冶金學科空白
不僅是奠基粉末冶金學科、培養學科人才，黃培云更是見證了它的發展。
粉末冶金是一門制取金屬、非金屬和化合物粉末及其材料的高新科學技術，它能滿足航空、航天、核能、兵器、電子、電氣等高新技術領域各種特殊環境中使用的特殊材料的要求。一些發達國家早在20世紀初就開始了該領域的研究，而中國在1950年代還是一片空白。
當冶金部把設立粉末冶金專業的任務下達給中南礦冶學院時，誰都不知道粉末冶金是怎么一回事。黃培云說他在麻省理工學院學過一門30學時的粉末冶金選修課，有點概念，但當時并不太重視這門課程。從那以后，黃培云在學術和專業方面由一般有色金屬冶金研究轉向集中研究粉末冶金與粉末材料。
“回想起來，我們那時候什么都沒有，真是從零開始。學生、講課教師、教材、實驗室都還沒有。我們首先在冶金系里成立了粉末冶金教研室，我兼任教研室主任，成員有冶金系主任何福煦、助教曹明德。”黃培云說。上世紀60年代他培養了第一批粉末冶金專業的研究生，到80年代，培養了這個專業的第一批博士生。至今他已培養碩士生、博士生80余人，其中很多人已經成長為我國粉末冶金領域的骨干力量。在培養人才之外，黃培云領導的粉末冶金專業還接受完成國防部門下達的任務。
粉末冶金壓制方法范文4
關鍵詞：卓越工程師；粉末冶金學；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0093-03
引言：
“卓越工程師教育培養計劃”是為貫徹落實黨的十七大提出的走中國特色新型工業化道路、建設創新型國家、建設人力資源強國等戰略部署、貫徹落實“國家中長期人才發展規劃綱要（2010―2020年）”和“國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）”而提出的高等教育重大改革計劃。“卓越計劃”旨在培養卓越工程師后備人才；高等學校實施“卓越計劃”將為培養學生成為卓越工程師打下堅實的基礎和完成卓越工程師需要的基本訓練[1]。
2011年年初教育部出臺了《教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見》（教高[2011]1號文），進一步明確了“卓越計劃”的主要目標、指導思想、實施領域和基本原則[2]?！白吭接媱潯睂嵤┮詠?，各參與高校在培養觀念、培養模式、學校企業聯合培養等方面都取得了很大進展。
“粉末冶金學”課程是新材料科學中最具發展活力的重要分支，也是冶金和材料科學的分支學科，備受工業界重視，相關材料和制品已被廣泛應用于交通、機械、電子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工業等領域[3]。粉末冶金學課程與實際的生產實踐緊密相關，屬于工程實踐性比較強的課程，在理論學習的基礎上能夠有效地培養學生的工程能力和創新能力，與“卓越計劃”的培養目標一致，為了配合“卓越計劃”的實施，對這門課程的培養目標和培養觀念、教學改革與創新的思路、課程建設與新型教學模式、課程改革的質量保障等方面進行了思考和探索。
一、確立正確的培養觀念和培養目標
“卓越計劃”的宗旨是培養和造就一大批能夠適應社會經濟發展需要、創新能力強的優秀工程技術人才，為國家實施人才強國戰略、走新型工業化道路和建設創新型國家服務。從“卓越工程師教育培養計劃”的三個特點出發，樹立課程的培養觀念：一是強調課程內對學生創新以及工程能力的培養；二是注重學校和企業相結合，加大企業參與培養高級工程技術人才的深度；三是加強對國家戰略需求、行業和企業的需求的認識，課程進行有目標的、主動的培養。
新形勢下，面向“卓越工程師教育培養計劃”的“粉末冶金學”課程從培養目標上必須對原有的課程體系與教學內容進行調整，使之更具有全面性；加大課程工程實踐能力的培養，使之更具有實用性。確立理論學習與實踐操作相結合、全面發展的人才培養目標，重視培養大學生的科學探索精神、工程創新意識和工程實踐能力。
二、教學改革與創新的思路
1.課程特點及教學現狀?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”的基本要求是學生在學習并具備課程理論基礎知識的基礎上，能夠有效地利用學習到的課程基礎知識解決實際工程問題。粉末冶金技術是一個復雜、影響因素諸多的材料成型過程，從制粉、成形、燒結到后處理每一道工序都會影響粉末冶金成品的質量。能夠完全掌握并靈活運用粉末冶金技術，即要有扎實的理論知識儲備和豐富的工程實踐經驗。筆者通過長期的粉末冶金教學發現，傳統的課程教學方式有一定的局限性，主要體現在：教師以教材為中心，教學方法比較單一，以灌輸式的教學方法為主，學生缺乏積極有效的參與，不利于學生工程能力的培養；教學內容陳舊、更新緩慢，在課時、學制的影響下，無法兼顧新興的粉末冶金技術；課內實驗一方面是簡單的驗證性基礎實驗，學生興趣不濃，另一方面由于設備少人數多等條件的限制，學生參與的程度不夠，難以培養學生的創新能力；課程仍以書面考試的形式評定，考試內容大多以基礎知識的考察為主，這種簡單的評定方式不能滿足“卓越計劃”對創新能力和工程能力培養的要求，不利于優秀工程人才的培養。
2.探索多元化的培養模式。面向“卓越計劃”高級工程人才培養的方向為：服務于企業需求和國家發展戰略，加大學校和行業、企業合作培養的力度，強調學生理論基礎和工程實踐能力并重的培養，重視高級工程技術人才培養的國際化。因此，面向“卓越計劃”的課程改革要以教師為導向；以學生為主體；以項目為依托；以企業為載體。以教師為導向，教師做好引導作用，通過豐富多樣的教學方法培養學生的興趣，激發學生的潛能，加強師生互動，教學相長；以學生為主體，構建“專業性強、知識面寬”的課程學習體系，扎實學生理論知識的學習和實踐能力、綜合能力的鍛煉，培養學生積極思考、大膽創新的科學作風；以項目為依托，讓學生積極參與到粉末冶金類的科研項目中，實施本科生提前進入畢業設計、科研平臺或課題組制度，培養學生學以致用，學中用、用中學的學習方法；以企業為載體，學校要加強同行業、企業聯系與合作，讓學生參與到企業中去，建設校企優質資源共享平臺，建立學校與企業聯合培養的長效機制。
三、課程建設與新型教學模式探討
1.課程教學內容改革。從“卓越計劃”的培養目標與要求出發，根據工程實際，“粉末冶金學”課程組進行了廣泛調研，在多次討論和修改的基礎上，制訂了新的課程教學大綱，明確了教學體系和教學內容。根據這門課程的特點，為了能夠讓學生在很好的學習粉末冶金理論基礎知識的基礎上，開拓思路、學以致用，按照課程體系對課程內容進行了模板化設計，把課程內容分為不同板塊。比如：掌握粉末制取及其性能測定；壓坯成形規律；粉末冶金材料的燒結原理；粉末冶金材料制備的質量控制；了解粉末冶金材料及其研究的新進展等等。
2.課程教學方法和教學手段改革。在教學方法上，圍繞“以教師為導向，以學生為主體”的教學方針，遵循“課內與課外相結合”、“理論與實踐相結合”、“課堂教育與創新思維相結合”的原則，通過實物法、啟發法、課堂討論等教學方法。如在講粉末的成形時，可以向學生展示一套粉末成形的模具，讓學生了解成形時基本概況，讓學生在學習粉末成形時可以獲得最大的感官認識；在講粉末制備工藝時，根據制備粉末的特點以啟發和誘導的方式讓學生了解粉末制備工藝，以及為什么要選擇這種制備方式；在講壓力與粉末成形樣品密度之間的關系時，可以展開課堂討論，充分調動學生學習的熱情、主動性和創造性，提高教學的實效性和教學質量。
在教學手段上，要擺脫傳統的板書或者照著ppt宣讀等學生積極性不夠強的手段，采取多元化的教學方法和手段。多媒體集成、動畫模擬仿真和豐富的圖像信息擴展了學生認知的深度與廣度，也使教師擺脫了時間和空間對講授內容的束縛，清楚地顯示某些復雜的過程，有利于激發學生的觀察力、發現力、想象力、邏輯聯想力，有利于認知思維的深化與發展，有利于增強工程設計能力，提高教學效率和教學質量[4]。通過搜集課程知識點相關的圖片和制作簡單直觀的動畫，豐富課程的課件，提高學生的興趣和理解。比如，在講等靜壓成形時，向學生展示等靜壓機的原理示意圖，可以讓學生充分直觀地了解等靜壓的工作原理；在講機械合金化法制備粉末時，可以通過Flas的方式，讓學生可以清晰地看到機械制備的過程和原理；在講粉末冶金工藝時，可以結合網絡上企業的現場視頻，讓學生能夠輕易地接受粉末冶金工藝方面的知識，同時獲得工程實踐中的一些直觀信息。
3.課內實驗的改革與工程實踐能力的拓展。在課內實驗方面，改善了原有的簡單的驗證性的實驗，豐富了課內實驗的內容。具體的實驗包括：球磨法制粉；粉末粒度和表面性質的測定；金屬粉末的壓制成形；粉末冶金樣的燒結；燒結樣抗彎強度的測試；粉末冶金樣品的密度測定等等。通過這些課內實驗培養學生具有合理選擇使用粉末冶金材料和初步設計、制備粉末冶金材料的能力，激發學生的創新意識，提高工程能力。對課內實驗的改革，可有效地激發學生的學習興趣，提高動手和思考能力，為學生的工程實踐能力的提高和創新能力的培養打下了很好的基礎。
面向“卓越計劃”的課程改革，重點是培養學生的工程實踐能力，要圍繞“以項目為依托，以企業為載體”的方針。為了強化學生的工程實踐能力，應該注重從以下幾個方面進行培養：一是對校內資源進行整合，建立校內課程實習、實訓基地。利用學校已有的材料產業化中心、工程訓練中心、新能源材料研究中心等研究實踐單位，建立“粉末冶金學”課程的實踐基地，讓學生可以在校內盡可能地進行工程基礎實踐能力的鍛煉。二是以企業為載體，校企合作，吸納企業資源。培養工程師是“卓越計劃”的目標，而企業環境是工程師培養的搖籃。除了進行實踐教學環節改革，更重要的是讓學生進入企業、融入企業，學習和了解企業的技術，感受企業的環境和文化。培養方案應該把適合在企業開展的相關教學環節和實踐活動（專業課程、課程設計和畢業設計等）盡可能放到企業去。三是以項目為依托，開展大學生創新性實驗計劃。高校的教師在進行本科教學的同時，進行廣泛的科研項目的研究。在校內的有關粉末冶金類的科研項目可以和粉末冶金課程建立聯系，讓本科生在進行課程學習的同時，進入科研團隊，參與到科學研究中去，了解學科的發展狀況和學科前沿。在科研項目的帶動和熏陶下提高學生學習的積極性和工程能力。四是通過學科科技競賽來提高學生的綜合素質。開展以學科為基礎的各類科技競賽，擴大學生受益面；鼓勵學生在學習課程理論基礎的同時，積極參加省級、全國級別的相關科技競賽，培養學生的學習興趣、創新能力和綜合能力；課內課外營造科技創新氛圍，對于學生積極參加科技競賽和科技競賽獲獎給予獎勵或者在學科考評中加分。
4.建立全新的考核評價制度。粉末冶金學傳統的考核方式是以書面閉卷的方式進行，考查的都是學生對基礎理論知識的學習情況，缺乏對工程實踐技能的考核。傳統的學生學習效果的考核評價機制在面向“卓越計劃”的課程體系中就不再適宜。在教學中應該采用全新的考核評價機制，除了對學生理論部分的考核之外，要把學生整個學習過程中的工程實踐能力、創新能力和自主學習能力納入到考核體系中。結合卓越工程師的培養工程性和全面性的特點，采用多部分考評相結合的考核方式?？己朔譃槔碚摬糠值墓P試考核、理論與實踐相結合的課內實驗考核、工程實踐能力考核、科技創新活動考核等幾個部分，其中參與科研項目、參加科技競賽等屬于科技創新活動部分。筆試考試、實驗考核、工程實踐能力考核、科技活動考核等幾個模塊各部分的比例可根據課程開展和改革的具體情況，課程組的成員討論協商決定。這種考核評價機制充分體現公平、合理，學生也努力爭先、爭取獲得各類獎勵使自己的努力獲得承認。
四、課程改革的質量保障
1.師資保障?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”要取得成功，其標志在于培養造就出一大批卓越工程師后備人才，而關鍵在于建設一支勝任這一使命的工科教師隊伍[5]。卓越工程師培養的質量很大程度上取決于參與到“卓越計劃”的教師的整體素質。所以，面向“卓越計劃”的課程改革，在師資上要進行調整和改革，以保證面向“卓越計劃”的課程改革順利進行。
根據“卓越計劃”的培養目標和特點，參與“卓越計劃”的教師需要具備扎實的專業基礎知識、豐富的工程實踐經驗、優秀的教育教學水平和崇高的職業道德和敬業精神等等。同時，教師也必須具備相應工程科學研究、工程設計開發、工程技術創新和工程實踐能力。
當然，不論通過何種渠道招聘的教師，在理論教育教學、工程實踐、科學研究、設計開發、技術創新這五個方面都可能存在某項或幾項能力的不足或缺失，都需要高校加強對教師的培養力度，將理論知識豐富的教師送進企業進行工程培養，將企業的工程師送進高校進行專業的全面和深入學習，通過這些培養方式，打造一支既具備專業基礎知識又有工程實踐技術能力的高水平師資隊伍，適應“卓越計劃”在高校的順利開展。
2.經費保障。從上述的課程教學改革措施來看，面向“卓越工程師教育培養計劃”的優秀工程技術人才的培養在經費上相較傳統的培養模式要高出很多，所以高校在工程人才培養計劃中應當保障有足夠的經費來支撐“卓越計劃”的實施，建立一套完整、長效的資金機制。高校在經費方面可以采用的辦法[6]有：一是提高人均教育財政撥款標準，具體的撥款數額與學校實際實施“卓越工程師教育培養計劃”的在校學生數掛勾；二是為了確?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”的培養需要，學校經費投入向卓越工程師培養方面傾斜；三是采取定向的辦法，學校和企業聯合培養工程技術人才，企業補貼學生的學習費用，學生畢業后到企業定向工作；四是爭取社會各界包括企業及校友的資助。
五、結語
本文就面向“卓越工程師教育培養計劃”的“粉末冶金學”課程改革與建設，從培養目標和培養觀念、教學改革與創新的思路、課程建設與新型教學模式、課程改革的質量保障等方面進行了思考和探索。通過課程的改革和建設的措施，將有效地提高學生的理論水平，提高創新能力和工程實踐能力，為卓越工程師人才的培養奠定基礎。
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粉末冶金壓制方法范文5
Abstract： One important direction of current materials research work is how to apply microwave sintering technology to the preparation of metal materials. The history， basic theories， characteristics， current situation of microwave sintering in the preparation of metal materials were simply introduced in this paper. Problems that may arise during microwave sintering metal materials were analyzed. And the trend of microwave sintering in the preparation of metal materials was estimated.
關鍵詞： 微波燒結；技術原理；金屬材料；應用前景
Key words： microwave sintering；basic theories；metal materials；trend
中圖分類號：TB331 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）36-0015-03
0 引言
20世紀60年代中期，Tinga.W.R[1]最早提出微波燒結技術。早期微波燒結技術主要應用于陶瓷材料的制備及處理的各個過程。20世紀70年代中期，法國的Badot和 Berteand開始對燒結技術進行系統研究[2]。20世紀80年代，微波燒結技術逐漸受到重視并引入到材料科學領域[3]，開始用于燒結制備各種高性能的陶瓷。進入九十年代，微波燒結材料的種類不斷擴展，逐漸被引入到硬質合金、納米材料、復合材料等材料的燒結制備過程中。但是微波燒結技術一直沒有涉及到金屬材料，這是由于人們普遍認為金屬材料是良導體，對微波是反射的，不能吸收微波。1999年，美國賓夕法尼亞大學材料研究實驗室的科學家突破傳統的觀點[4，5]，成功利用微波燒結金屬粉末制備了金屬材料，接著便掀起了研究微波燒結制備金屬材料的。美國、中國、日本、印度、西班牙、德國、新加坡等國先后對微波燒結技術應用于金屬材料進行了研究，并且都在實驗基礎上制備了高性能，高質量的合金產品，預示了微波燒結技術應用于金屬材料的制備有著廣闊的應用前景。
1 微波燒結制備金屬粉末的原理
微波燒結技術基于的原理是材料內部的基本細微結構與特殊波段的微波耦合，通過材料的介質損耗轉化為熱量，使材料整體加熱而實現燒結致密化。但是微波在金屬煤質中行進時，穿透深度有限，引入穿透深度
δ=■（1）
表示微波場量的值衰減至表面處值的1/e=0.368的深度。經計算得出一些常見金屬的穿透深度，見表1。
可見，金屬表面只有極薄的一層對微波具有吸收作用，其內部與微波的作用很小。
同時塊體金屬材料在電磁場中具有趨膚效應，內部的自由電荷在電磁場的作用下，會迅速向導體表面聚集。自由電荷響應電磁場的速度非?？?，弛豫時間遠小于電磁振蕩的周期。因此，在電磁振蕩每周期開始的時候，自由電荷已經聚齊于塊體金屬導體表面，其內部的自由電荷密度ρ=0，不存在自由電荷，不具備能量吸收和轉化的媒介，無法通過微波與塊體金屬材料進行耦合作用。因而微波燒結技術不能應用于塊體金屬材料。
但是，金屬粉末的幾何尺寸為微米級甚至納米級，與微波對金屬的穿透深度相當，所以與電磁波的相互作用行為發生了顯著變化[7]。微波所及體積占了金屬合金粉末體積的極高比例，該部分體積所吸收轉化的微波能量足以使金屬粉末的溫度發生顯著變化。并且金屬粉末壓坯顆粒表面積大，活性高的表面原子比例大，表面存在大量的孔隙、空位等缺陷，表面化學性質活性，微波具有更大的穿透深度，與塊體金屬相比，壓坯的反射率降低，吸收的能量增加。因此，金屬粉末具有較強的吸波能力[4]，能被加熱到很高的溫度，能夠利用微波進行燒結。
2 微波燒結制備金屬粉末的研究進展
微波燒結技術具有整體加熱、選擇性加熱、升溫速度快、燒結時間短、易于控制、環境友好等特點，易得到均勻致密的細晶結構，提高了產品的物理、力學性能。因而自1999年美國賓夕法尼亞大學的科學家發現微波也能用于燒結制備金屬材料以來，這項新的研究領域激起了國內外很多研究者的廣泛關注。十幾年來微波燒結制備金屬材料得到了一定的發展和應用。
2.1 微波燒結制備鐵基合金
鐵基合金主要有Fe-Ni合金和Fe-Cu合金，具有廣泛的用途，可用來制作齒輪、轉子、襯套等結構零件。1999年，Roy教授等率先利用微波燒結制備了Fe-Ni和Fe-Cu合金[4]。隨后長沙隆泰科技有限公司的黃加伍等[8]、中南大學的羅春峰等[9]、中南大學的彭元東等[10]先后研究了微波高溫燒結粉末冶金鐵基材料的工藝特點及性能。結果表明，在不同燒結溫度和保溫時間下，微波燒結樣品的顯微結構、強度、硬度、抗拉強度、抗彎強度、致密度等參數與常規燒結相比，均表現出明顯的性能提高。同時微波燒結溫度低、燒結速度快、燒結周期短，降低了生產成本和能源浪費，減少了環境污染。中南大學的陳麗芳等[11]通過微波燒結制備了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金鋼，和常規燒結相比，合金鋼不僅縮短了燒結時間，而且提高了力學性能。
2.2 微波燒結制備高密度合金
高密度合金廣泛應用于石油鉆井、機械制造、航空航天、鐘表擺錘制造等領域。傳統燒結很難制備出組織均勻、致密度高以及性能優異的高密度合金。由于微波燒結可以有效抑制晶粒長大，細化合金組織，減少孔隙分布，均勻顯微組織，提高鎢基高密度合金的密度和組織均勻性，因此微波燒結技術被廣泛的用于鎢基高密度合金的燒結。從2007年開始，中南大學的易健宏等[12]就開始對微波燒結W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分別探討了壓制壓力、燒結溫度、燒結時間，W粉粒度、升溫速度對微波燒結W-Ni-Fe高密度合金性能的影響。同時中南大學的馬運柱等[13]研究了真空熱處理對微波燒結93W-Ni-Fe合金顯微組織及力學性能的影響。中南大學周承商[14]又在微波燒結制備W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素對微波燒結W-Mo-Ni-Fe合金進行了研究。2011年印度國家熱電有限責任公司Avijit Mondal[15]等研究了加熱模式和燒結溫度對90W-7Ni-3Fe合金的影響。劉瑞英等[16]通過控制燒結溫度、燒結時間等主要影響W-Ni-Cu致密化因素，利用微波燒結制備了95W-3Ni-2Cu。并通過研究發現，在保證燒結溫度和燒結時間的情況下，升溫速度對產品微觀組織的致密化影響不大。
2.3 微波燒結制備鎢銅合金
鎢銅合金由于金屬銅和鎢熔點差別大，不互溶，因此不能采用熔鑄法進行生產。中南大學易健宏等[17]通過微波燒結制備了W-Cu合金。與常規燒結相比，促進了W-Cu合金的致密化和組織的均勻化。1250℃，保溫10分鐘的情況下，W-25Cu合金可以實現接近理論密度。當加入Fe元素作為燒結助劑的時候，W-Cu材料的致密化行為得到顯著改善。同時易健宏[18]等還研究了微波熔滲法制備W-Cu合金。并與鉬絲管式爐中燒結進行對比，發現兩種方法制得的W-Cu合金電導率相似，但是微波法制備的產品硬度更好。
2.4 微波燒結各種金屬單質粉末
微波對于金屬粉末的燒結機理不同于塊體金屬，微波對金屬塊體的趨膚深度大約在微米級，遠小于塊體金屬的尺寸，粉末態松散結構生坯的初始趨膚深度與塊體金屬的初始趨膚深度存在很大差異。中南大學的朱鳳霞等[19]研究了微波燒結金屬純銅壓坯時發現，生坯趨膚深度約為0.05m；與樣品尺寸處于同一數量級，更遠遠大于單個粉末顆粒尺寸，最終樣品得以升至1000℃高溫保溫，并實現良好致密化。印度科學家K·Rajkumar等[20]研究了銅-石墨粉末的燒結。發現微波能夠成功地燒結沒有任何裂痕的銅-石墨復合材料并且具有更加細小的顯微結構，產品的孔隙是小的、圓形的。這些都加強了產品的機械性能。印度的G·Prabhu[21]等通過微波燒結鎢粉。與常規燒結對比發現，微波燒結高溫球磨后的鎢粉能達到相對致密度93%高于一般鎢粉的85%，維氏硬度達到303高于普通鎢粉的265，且高溫球磨后的鎢粉微波燒結后的顯微組織更加均勻致密。日本科學家K·Saitou[22]利用微波燒結制備鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉，并且將微波燒結與傳統燒結鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉就行了對比。通過對比發現微波燒結能促進壓坯更大的收縮，從而獲得高致密度的產品，具有優良的物理和機械性能。
2.5 微波燒結其它金屬粉末
微波燒結還運用于鋁粉、Al/Ti合金、Cu-12Sn合金、儲氫合金、形狀記憶合金、功能梯度材料、金屬間化合物Mg2Si等多種金屬及其合金的制備，且都取得了較好的致密度和機械性能。
3 微波燒結金屬合金粉末存在的問題及前景展望
微波燒結金屬粉末從1999年發展至今才剛剛過去十幾個年頭，雖然科學家們在這方面的研究有所進展，但目前還處于微波燒結金屬粉末的起步階段，存在許多急需解決的問題：
首先，燒結機制的問題。微波燒結金屬粉末的機制還不是很清楚，這樣限制了微波燒結金屬粉末制備金屬材料的種類，減少了其應用范圍。
其次，微波加熱過程中的溫度通常采用紅外測溫儀，紅外測溫儀是通過測定表面的紅外線和特定的表面發射率ε來確定表面溫度，在實驗中所燒結的材料在特定溫度下，其發射率將有顯著變化，因而燒結溫度無法進行準確測量。
再者，微波燒結的設備一直是限制微波燒結金屬粉末的重要問題。目前微波燒結設備的最高溫度只能達1700℃，同時國家規定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz，隨著微波燒結金屬粉末種類的不斷擴大，微波燒結設備的模塊化設計也應該引起人們的重視。
此外，獲取一個較大區域的均勻微波燒結場區也是一個需要解決的問題。
微波燒結金屬合金粉末還處于一個起步階段，雖然目前距離工業化還有一段距離，但是由于微波燒結表現出無可比擬的優越性以及金屬材料無比重要的用途，將來必將引發一場微波燒結制備金屬材料的。
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粉末冶金壓制方法范文6
1多臺階零件結構分解
對于多模沖壓制的不等高制品，當滿足通過控制各模沖的壓制速度保證“間隔面”處的粉體不發生平移的條件時［2］，可以將各個臺階拆分開，對各部分進行單獨的受力分析，此時可否再將各不同截面部分轉換成簡單圓柱體，通過分析各簡單圓柱體了解整體的受力情況，如圖1所示，將借助以下理論進行分析。
1．1壓制壓力的分解
壓制壓力作用到粉體上之后分為兩部分，一部分是用來使粉末產生位移、變形和克服粉末的內摩擦的力，稱為凈壓力，用P1表示，另一部分，是用來克服粉末顆粒與模壁之間摩擦的力，稱為壓力損失，用P2表示［3］；凈壓力P1用粉末的壓縮剛度曲線的來表示，所謂壓縮剛度曲線是指從金屬粉末受力變形的觀點，描述壓坯在壓制過程中所受壓力與壓坯高度的變化關系的曲線［4］；壓力損失P2用摩擦系數與側壓力的關系來表示。因此截面形狀轉換前后要保證P1和P2相同。
1．2截面形狀的轉換
對于不同截面的制品來說，在相同條件下，只要它們的C值和Sk值相等則壓縮剛度曲線必然完全相等［4］。C＝WS（1）W—粉末質量，g；S—等高制品徑向截面積，cm2；C—單位面積上的裝粉質量，g／cm2；Sk＝S側／S（2）S側———壓坯的側壓面積，cm2；Sk———等高制品的側壓面積與正壓面積的比值。對于兩種不同截面的制品，在使用的粉末性能和條件及模具材質和光潔度、配合公差完全相同時，根據（1）、（2）兩式，同時滿足C1＝C2和Sk1＝Sk2時，則兩種制品的壓縮剛度曲線相同（C1、C2分別為第一種和第二種制品的C值；Sk1、Sk2分別為第一種和第二種制品的Sk值）。所有長方形截面制品（長x、寬y）、正六邊形截面制品（內切圓直徑d）、圓環形截面制品（圓環內外半徑R內和R外）分別與圓形截面制品（半徑r）的截面尺寸關系為［4］：xyx＋y＝r（3）d／2＝r（4）R外－R內＝r（5）由（3）（4）（5）式可知，以上三種截面形狀的制品，可以找到與其等高且Sk值相等的圓形截面制品，代替其等Sk值的截面制品，從而保證了P1在轉換前后相同。如下圖2所示圖例圖2模型轉化圖例在截面形狀轉化之后，同時也要保證壓力損失P2相同。因為當任意兩等高制品滿足SK1＝SK2即有關系式［1］S側1S1＝S側2S2（6）在試驗條件下，對于兩種不同橫截面的等高制品來說，由于高度和壓制壓力均相等，由總的摩擦力與壓制載荷的比值關系式可知：FfP總＝μεp正S側p正S＝μεS側S（7）ε—側壓系數；μ—摩擦系數；Ff—總的摩擦力，N；P正—沿高度分成的單元薄層上受到的正壓力，MPa；P總—壓制過程中受到的總載荷，N。當兩種制品的Sk值相等時，則有Ff1P總1＝Ff2P總2（8）Ff1、Ff2—分別為兩種制品在壓制過程中模壁產生的總摩擦力，N；P總1、P總2—分別為兩種制品在壓制過程中受到的壓制載荷，N。SK1＝SK2實際上是限制了不同截面的兩種制品轉換前后在壓制過程中模壁的壓力損失P2相等。綜上所述，可以將多臺階的零件轉換成多個簡單的圓柱體進行受力分析。由此可以通過分析圓形截面實體在壓制過程中的摩擦系數變化曲線和壓縮剛度曲線來了解零件的受力情況。
2摩擦系數和壓縮剛度曲線實驗
測試數據采集系統由傳感器（輪輻式壓力傳感器，拉壓式傳感器，數字式位移傳感器（精度0．01mm））、動態應變測試系統（XSB5系列稱重顯示控制儀）和計算機三部分組成，利用VB語言編寫數據采樣程序［5］，在實驗過程中數據采樣間隔為0．1s，程序界面如圖3：實驗材料選擇生產中常用的純鐵粉＋1％石墨＋0．8％硬質酸鋅，同時在實驗中用石墨作為輔助的模壁材料，其它實驗器材數據如下表1。圖3數據采集系統程序界面表1各實驗器材的數據信息實驗材料尺寸／mm材料表面硬度／（HRC）粗糙度（Ra）／μm陰模內孔直徑20外圓直徑80高度60GCr15 57～60 0．10芯棒直徑20高度100Cr12 57～60 0．15壓制滑臺長度160寬度80厚度3040Cr 50～55 0．08 實驗模具原理如圖4所示。
2．1摩擦系數實驗
目的是測出粉末與滑臺間的豎直方向載荷N和摩擦力f1，然后計算出摩擦系數。此處用粉末與滑臺間的豎直方向壓力和摩擦力近似的模擬粉末壓制時粉體與模壁的側壓力與摩擦力的關系。實驗公式：圖4實驗模具原理圖1－底座；2－聚四氟乙烯復合板；3－壓制滑臺μ＝FfN＝f1N＝f－f2N＝fN－f2N（9）f—總摩擦力，由拉壓傳感器測得的力，N；f1—粉末與滑臺的摩擦力，N；f2—滑板與聚四氟乙烯復合板間的摩擦力，N；N—壓制載荷，Na）在常溫下進行實驗，首先測出f2的影響，方法：使用兩塊聚四氟乙烯復合板，分別置于壓制滑臺的上下兩面，施加載荷N分別為1t，2t，3t，4t，5t，6t，7t，8t，10t，12t，14t，15t，滑臺的位移速度為2mm／s，測出滑臺在移動時的載荷N與摩擦系數情況，并進行分析。在載荷N的作用下（換算為壓力），所得到的滑塊單面與底板的摩擦系數變化圖形，如圖5中的曲線2。b）對模壁進行清洗，在模腔內裝入4g鐵粉（高度約為4mm）。c）對粉末進行壓制，根據公式：ε＝p側p正（10）p側—單位側壓應力，MPa；p正—單位正壓應力，MPa。一般中等硬度或強度的粉末材料，其側壓系數的范圍為0．25～0．45［1］，因為p正最高值在700MPa左右（對于本次試驗最高壓制載荷為22．5t），所以在試驗中測量載荷分別為1t，2t，3t，4t，5t，6t，7t，8t，10t，12t，（14t，16t，18t，20t）時的摩擦系數（括號內為參考載荷），每個載荷測量三次，然后取平均值；在測量過程中當施加一定載荷后，保持載荷不變，推動壓制滑臺移動，從而測出摩擦力，滑臺移動速度控制在2mm／s。得到壓制載荷N（換算為壓力）與摩擦系數之間的關系圖5中的曲線3（其中包含了滑板底面與底板的摩擦系數）。根據實驗公式（9），通過計算得到側壓力與摩擦系數μ的關系，其關系曲線如圖5中的曲線1。利用MATLAB的非線性曲線擬合功能［6］，可得到曲線1對應的側壓力與摩擦系數的關系式：μp側＝2．985×10－36p側7－2．119×10－30p側6＋6．046×10－25p側5－8．767×10－20p側4＋6．688×10－15p側3－2．44×10－10p側2＋2．045×10－6p側＋0．2009由圖形曲線可以看出，隨著側壓力的增加，摩擦系數都是隨之逐漸減小。
2?。?剛度曲線實驗
通過本次實驗可以有效的得到直徑為20mm的圓柱體壓坯在壓制過程中，壓力與位移的關系。a）在常溫下進行實驗，首先，對陰模的內腔清潔干凈，并涂上石墨，以便盡量減小粉末與模壁的摩擦，根據已有的陰模尺寸，在陰模內裝入高度約為10mm、12mm、15mm、18mm、20mm的實驗鐵粉；b）用液壓機對粉末進行壓制，壓制速度控制在約1mm／s，最高壓制壓力范圍在600～700MPa，約20～22．5t的載荷；c）由位移傳感器測得壓坯的高度變化；通過數據采集系統得到壓力與位移的關系，并得到相應的數據曲線（壓縮剛度曲線），如圖6。圖6壓力與位移的關系曲線借助MATLAB非線性曲線擬合功能可得各曲線位移x與相應壓力pH（x）的擬合公式：p10（x）＝6．341e0．7543x－4．496e－0．323xp12（x）＝7．432e0．7244x－2．429e0．7244xp15（x）＝3．385e0．606x－0．1819e0．6064xp18（x）＝1．777e0．5974x＋0．05898e0．5974xp20（x）＝9．873e0．3359x＋0．005117e1．012x由曲線可以看出，在開始壓制時隨著壓力的增加，粉末的被壓縮量增加很快，但隨著壓制過程的進行，壓力與位移之間的關系趨于平緩，但是對于不同高度的粉末，其剛度曲線的變化趨勢基本相同。
3受力分析［7—10］
根據實驗所用陰模的尺寸，由圖7所示零件做受力分析。材料為實驗所用的材料，其松裝密度約為3．18g／cm3，在700MPa壓力下密度約為7．00g／cm3。圖7實例零件圖形
3．1零件結構
原零件是一個多臺階的零件，壓制過程中采用雙向壓制，需要一個上模沖三個下模沖，并且三個下模沖的速度比要滿足VH1∶VH2∶VH3＝H1∶H2∶H3［1］；零件分解為以下三個圓筒結構，由公式（5）將其轉換為等高的圓柱體結構，如下圖8。
3．2受力情況
a）凈壓力在常溫下采用上下模沖雙向壓制，最終壓制力為700MPa，A、B、C三部分在壓制過程中都受到凈壓力P1的作用，則各部分壓力與位移的變化情況將遵從于圖6所示的變化曲線；假設H1、H2、H3三個臺階處對應的粉末松裝高度分別為20mm、30mm、40mm，在雙向壓制過程中，根據中性軸線原理，其上模沖需施加一定的凈壓力PH上（x），其值可通過分析生產前的預壓模型選擇采用哪一臺階的剛度曲線公式，各下模沖所受凈壓力滿足關系式p10（x）、p15（x）、p20（x）。b）壓力損失分析A、C兩部分還包括壓力損失P2，A部分的壓力損失由粉末與陰模壁的摩擦造成，C部分的壓力損失主要由粉末與芯棒的摩擦造成，其摩擦系數的變化情況將遵從圖5所示的變化曲線1，選取一定的側壓系數ε，由公式（10）可求出側壓力，由此可方便的了解到摩擦力與正壓力隨位移的變化之間的關系：Ff＝p正εS側（x）μp側由此可得正壓力與位移的關系式：P正S＝pH（x）S＋p正εS側（x）μp側B、C兩部分在壓制過程中還會受到相鄰臺階處壓制模沖的摩擦力，因為模沖的運動方向與粉體的壓制方向相同，所以對于改進粉體的壓制密度有利，其摩擦力為有益的摩擦力，不將其作為壓力損失的一部分來考慮。綜上所述，上模沖及下模沖的H1、H2、H3臺階處隨著位移的變化需施加的正壓力為：P正上＝pH上（x）＋p正上εS側10（x）S10（x）μp側＋p正上εS側20（x）S20（x）μp側P正H1＝p10（x）＋p正H1εS側10（x）S10（x）μp側P正H2＝p15（x）P正H3＝p20（x）＋p正H3εS側20（x）S20（x）μp側由此，根據以上摩擦系數和壓縮剛度曲線實驗方法，得到相應的壓制數據，可了解到轉化后的簡單圓柱體結構壓制時的受力情況，從而得到整體零部件壓制過程中的受力情況。
