机械蓄能式高速压制设备的温高速压制试验研究

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第 49卷第 18期20 l 3 年 9 月机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGV_o1．49Sep.

NO．182 0 1 3DoI： 1O．3901，JM E．2013．18．046机械蓄能式高速压制设备的温高速压制试验研究木邵 明 关航健 肖志瑜(华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)摘要：高速压制技术和温压技术是现代粉末冶金技术的两项重要技术革新。高速压制技术利用重锤高速打击粉末并将机械能瞬间注入粉体，具有流程短、致密度高的优点；温压成形技术将粉末和模具加热至一定温度可有效提高粉末的压制性能。温高速压制成形技术有机结合这两种新技术，在高速压制成形技术中引入粉末和模具加热环节，融合两种技术特有的粉末致密机理，有望进一步提高压坯密度水平。运用 自行研制的机械蓄能式粉末高速压制成形试验机作为试验装置对水雾化铁粉进行机械蓄能式温高速压制正交试验，验证机械蓄能式高速压制的可行性，对温高速压制的成形规律进行研究，重点分析压制速度、粉末温度和冲击锤质量因素对压坯密度的影响。实践证明，机械蓄能式粉末高速压制成形试验机可以满足高速压制工艺要求，温高速压制试样的最大压坯密度可达到 7．84 g／cm ，理论相对密度达到 99．7％，接近全致密。研究表明，温高速压制影响压坯密度的最重要因素是压制速度，其次为粉末加热温度和冲击锤质量。

关键词：粉末冶金 高速压制 正交试验中图分类号：TH122Experimental Study on W arm Powder High Velocity CompactionConducted with M echanical Energy Stored Type HighVelocity Compaction MachineSHAO Ming GUAN Hangjian XIAO Zhiyu(School ofAutomotive and Mechanical Engineering，South China University of Technology,Guangzhou 5 1 0640)Abstract：High velocity compaction(HVC)and warfl compaction(WC)are both new powder metallurgy technologies．HVCdensities powder by high speed hammering，has advantages of low cost，short flow process an d high density．WC heats the powderand model to some extent helps enhance the powder compact property．Warm high velocity compaction(WHVC)is a technologywhich merges both HVC an d WC advantages，introducing the powder and mold heating into HVC procedure，hopefuly furtherincrease the compact density．By using mechanical energy stored type HVC machine，WHVC orthogonal experiment of wateratomized pure iron powder is carried on．The feasibility of mechanical energy stored type HVC is testifed．WHVC forming Lawsspecifcaly the compact velocity,powder temperature and hammer weight afection on green density is studied．Practices prove thatthe mechanical energy stored type HVC machine Can fulfill the HVC procedure．Max green density of WHVC compacts Call reach7．84 g，cm3
，relative density reaches 99．7％，which is close to ful density．The research reveals that the compact velocity plays themost important role on afecting green density in WHVC，aRer that is the powder temperature and hammer weight.

Key words：Powder metallurgy High velocity compaction Orthogonal test0 前言高速压制(High velocity compaction，HVC)技术利用重达 5～l 200 kg的重锤以2～30 m／s的高速度冲击粉末压模，并通过压模将冲击能量注入粉末，使其在 0．02 S之内密实成形，配合间隔 2 ms的多个国家自然科学基金资助项I~(50874051，51274103)。20121218收到初稿，20130722收到修改稿冲击波，压坯密度得到进一步提升L1 J。目前的研究普遍认为，HVC的致密化机理在于瞬间产生的冲击力高于传统模压的静压，能量注入的时间极短使粉末颗粒间产生的剧烈摩擦导致局部高温降低了粉末颗粒加工硬化程度。高速压制成形的压坯密度可以比传统压制提高 0-3 cm 以上LZJ，具有流程短、成本 低 和致 密 度 高 等优 点 J。温 压成 形 (Warmcompaction，we)技术采用特制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统实现粉末的加热和装填。其致密邵 明等：机械蓄能式高速压制设备的温高速压制试验研究 47化机理在丁 一定的加热温度可以降低粉末的屈服强度和加工硬化程度，粉末颗粒的塑性变形阻力和致密化 阻力降低，有利于提高粉末颗粒的塑性变形[4-5]。

温高速压制(Warm high velocity compaction，wHvc)技术是一种融合了上述两种技术致密机理的新型粉末压制工艺。具体而言，温高速压制技术在高速压制的基础上引入粉末和模具加热这一温压技术的关键环节，在粉末压制前改善粉末的压制性能从而进一步提高压坯密度。

现有各种高速压制设备和试验装置虽形式多样但本质相同，即利用储能来驱动重锤到高速度，冲击粉末实现动压成形。按照储能方式分类，高速压制设备及试验装置可划分为液压蓄能式、气压蓄能式、化学蓄能式、重力蓄能式等不同类型 J。其中，工业生产使用的瑞典 Hydropulsor AB公司系列高速压制设备利用液压蓄能器驱动冲击锤属于液压蓄能式 HVC设备 J。中南大学和华南理工大学分别研制的落锤试验机利用了重力势能使落锤加速 ?¨，属于重力蓄能式 HVC试验装置。肖志瑜等 卜¨ 运用重力蓄能式高速压制试验装置对不同金属粉末进行了HVC和 WHVC对比试验，结果表明后者所得生坯密度明显高于前者。

通过对现有高速压制设备和试验装置的结构原理的分析，研制了一种利用机械弹簧形变储能作为蓄能方式的机械蓄能式粉末高速压制成形试验机【J刮(以下简称试验机)。该试验机基于四柱液压机设计，具有结构简单、成本低廉和操作方便等特点，已经取得国家授权发明专利一项【I引。运用该试验机对加温纯铁粉进行高速压制正交试验，验证机械蓄能式高速压制成形的可行性，并着重分析压制速度、粉末温度和冲击锤质量因素对压坯密度的影响，为温高速压制成形规律研究提供依据。

1 试验装置和测试方法1．1 试验机简介试验机主要结构为三梁四柱形式，包括蓄能系统、成形系统等部分。蓄能系统主要由冲击锤、弹簧及法兰盘等组成。弹簧参数如下：自由高度 600mm，簧丝料径 32 mm，中径 140 mm，总圈数 11圈，有效圈数 9圈，簧丝材料 60Si2Mn。弹簧实测平均刚度为 358 N／ram，在变形量 110 mm时理论计算储能达到 2 166 J。成形系统主要由液压机、模架、模具和粉末压模组成。在液压机的活动横梁侧面装有锁紧液压缸用于锁止冲击锤，工作台两侧安装导杆为冲击锤运动提供导向。整机主要性能参数见表l，主要结构见图 1，实物照片见图2。

表 1 试验机主要性能参数参数名称 数债最大压制能量，J最大压制速度／(m／s)冲击锤质量／kg整机尺寸旦 m m m m m m 工作台面积(左右柱内×前~)／mm20008633 250~l 800~l 000330x450F= ]曲lJ-r 1 。

{ _￡ 垂l][I
] 卜＼』}}／1 ]图 1 试验机主要结构1．主液压缸 2．上梁 3．活动横梁 4．弹簧 5．法兰盘 6．冲击锤7．下梁 8．底座 9．锁紧液压缸 10．导杆 11．模架及模其2 试验机实物照 片1．2 试验机工作原理1．2．1 压制能量和速度的调节原理蓄能系统的冲击锤由锤头和锤杆组成。法兰盘通过螺纹安装在冲击锤的锤杆上。旋转法兰盘改变其在锤杆上的位置高度即可控制弹簧变形量，从而2 3 4 5 6 7 8 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 18期实现冲击锤冲击能量和速度的无级调节。其原理如图3所示，弹簧压紧长度在法兰盘调节前为 ／o，法兰盘上升△，距离后弹簧压紧长度为，l，则弹簧变形量增加了△，。

(a)调节前 (b)调节后图3 弹簧变形量调节原理冲击锤冲击能量和速度可以方便地由弹簧变形量控制。根据非轻质弹簧振子系统能量守恒原理，推导得到冲击锤冲击动能 Ek(~P压制能量)和速度v(即压制速度)分别和弹簧变形量 存在关系如式(1)和式(2)所示= 式中，mh为冲击锤质量，mh=86．3 kg；量，m =28．8 kg；k为弹簧平均刚度，1．2．2 工艺流程(a) (b)图41．主液压缸活塞杆4．弹簧(c) (d) (e)工艺流程示意图2．活动横粱 3．锁紧液压缸活塞杆5．冲击锤 6．粉末压模图5 测速装置(2) 1．4 粉末加热装置粉末装入模具后使用可控温的电磁加热装置，l 为弹簧质 共同加热(图 6)，并用数显温度计进行复核。粉末及k=358 N／mm。 模具加热到指定温度后再搬迁至试验机模架上。

试验机的工艺流程如图4所示，图4中箭头指明主液压缸和锁紧液压缸活塞杆移动方向。

(1)试验机初始状态如图4a所示。按需调整弹簧变形量后，控制主液压缸令活动横梁下行挤压弹簧使之变形储能(图4b)。

(2)锁紧液压缸活塞杆伸出插入冲击锤锤杆槽孔，锁止冲击锤(图4c)。

(3)主液压缸回程提升冲击锤(图4d)。

(4)锁紧液压缸活塞杆回程从槽孔中拔出，冲击锤受弹簧驱动至高速度打击粉末压模(图4e)。

1．3 试验机测试方法为了准确测量冲击锤速度，笔者研发了测速装置(图5)和数据处理软件。冲击锤运动时，测速装置可感应到冲击锤上贴片的运动信号并通过数据采集卡上传计算机，通过数据处理软件计算出冲击锤瞬间速度。

图 6 粉末加热及温控装置2 试验方案及结果分析2．1 试验方案试验材料使用水雾化铁粉 ，理论密度 7．86g／cIl3。粉末中不添加润滑剂，模壁润滑剂采用 1％浓度的硬脂酸锂无水乙醇悬浮液，均匀涂覆在上模冲表面和模腔内壁上。试验采用阴模内径20 mil，装粉量为 l0 g。

2 3 4 5 6 2013年9月 邵 明等：机械蓄能式高速压制设备的温高速压制试验研究 49根据已有经验l 】，确定铁粉温高速压制正交试验的工艺因素为压制速度、压制温度、冲击锤质量。由式(2)可知，压制速度和弹簧的变形量之间存在线性关系，故实际操作时采用弹簧变形量表征压制速度记为因素 A。粉末和模具加热温度记为因素B。通过安装附加质量块的方法调节冲击锤的质量记为因素 C。正交试验按照表 2所示的L~8(6x3 )混合水平正交表进行试验。采用排水法测量试样的生坯密度。

表 2 因素水平表2．2 试验数据温高速压制的试验方案及结果如表 3所示，其中压制速度的预测值根据式(2)得出。表 3中压制速度试验值和预测值的相对误差不大于 6％，平均相对误差低于 2％，证明式(2)可以较好地描述压制速度和弹簧变形量之间的关系，利用弹簧变形量控制压制速度的方法是可行并且准确的。这为下一步的极差分析中用弹簧变形量表征压制速度提供 了依据。

表 3 试验数据表2-3 结果分析对正交试验所得试样的压坯密度进行极差分析，评价压坯密度对各工艺因素的敏感性。根据极差的大小可直观判断因素的影响程度。极差越大，表示这个因素对试验结果的影响越大。所以极差最大的那一列，即为影响压坯密度的最主要因素。各因素的极差R用式(3)计算R=max 『)一min{k~) (3)式中，f为因素的水平数，．，为因素数， 为因素
．，在 f水平下的各试验结果之和的平均值，ko=Ko．／n，硒 为因素．，在 f水平下的各试验结果之和，n为因素 ，在 f水平下的试验次数。

正交试验极差分析的结果见表 4。由表 4可知，弹簧变形量即压制速度因素的极差值最大为0．470；粉末温度因素的极差值次之为 0．042；冲击锤质量因素极差最小为 0．029。该结果表明压制速度对压坯密度的影响程度最大，在本文正交试验的粉末加热温度和冲击锤质量因素变化范围内压坯密度变化较小。压坯密度各因素影响灵敏度程度从大N4,Jl~序为压制速度、粉末温度、冲击锤质量。

表 4 正交试验极差分析根据表4中各因素水平下试验结果之和的均值作为纵坐标，以各因素水平作为横坐标画出趋势图，得到的各因素与压坯密度关系如图7所示。

图 7a示出了压坯密度和弹簧变形量之间的增量关系。由于弹簧变形和压制速度间的线性关系，图 7a也可以理解为压坯密度与压制速度之间的关系。试验表明，压坯密度随压制速度的增加而增大，当弹簧变形量从 50 mln仅增加 10 ITUTI时，压坯密度均值就由7．36 g／c 迅速增至 7．69 crnj，增幅达到 0．33 c 。此后，弹簧变形再增加 40 lln达到100 min，压坯密度仅提高 0．15 cIlj。该现象表明，适度提高压制速度对压坯密度的提升具有显著效果，但当压坯密度达到一定值后，继续增加压制速度对压坯密度影响不大。该结论与目前普遍认识的机 械 工 程 学 报 第 49卷第 18期高速压制成形规律完全一致。图7b表示了粉末温度对压坯密度的影响。由图 7b可知，压坯密度随粉末温度的升高而增加，温度由90℃至 150℃时，压坯密度增加了0．042 crnj，这说明外部加热对降低粉末颗粒屈服强度和降低加工硬化程度可以提供一定的帮助，但在本试验的温度变化范围内其对压坯密度的提升效果不如增加压制速度明显。图7c表明压坯密度随冲击锤质量的增加而增加，主要原因是增加冲击锤质量可以提高冲击锤动量，从而提高冲击锤打击粉末的瞬间压制力。在本文设置的冲击锤质量因素水平改变范围内其对压坯密度的影响程度弱于粉末温度因素。然而，陈进lJ 在利用落锤高速温度。该结论与本文有所不同，其主要原因是试验条件和因素水平设置存在差异。落锤式高速压制试皇bD梅；_EU＼ ＼ 黼暑∞ 稍压制试验装置研究纯铁粉末的温高速压制时曾指出，落锤质量对压坯密度的影响程度强于粉末验装置可以方便地更换落锤，落锤质量的因素水平相对覆盖范围更大；本文采用的机械蓄能式高速压制设备受到冲击锤外形和工作台空间影响，附加质量块体积受到限制导致冲击锤质量因素水平的变化范围有限。关于冲击锤质量因素对压坯密度的影响程度问题有待进一步的试验研究。

在弹簧变形量 100 mm、粉末温度 120℃、冲击锤质量 86_3 时，试验机可提供的压制速度达到6．18 m／s，实际单次压制能量达到 1 648 J，铁粉生坯密度达到 7．84 eCcm3，相对密度达到 99．7％，接近全致密。因此，本文提出的机械蓄能式粉末高速压制成形具备可行性，成功研制的试验机可以满足高速压制工艺要求，拥有较好的加工能力。另外，就单一高速压制工艺而言，王建忠等 使用工业高速压制设备制备铁粉试样，在单次压制能量 6 5lO J时生坯密度为 7．336 g／cm ，相对密度为 97％；就单一 温压工艺而言，李明怡等 副通过试验研究得到国产铁粉最高压制密度为7．30 g／crnj，国外铁粉为 7．34c 。若不考虑装粉量因素，本文的温高速压制的最大压坯密度高于单一高速压制和单一温压工艺。

兰 ln ?一 3 结论 (a)弹簧变形量与压坯密度关系 一 。一(b)粉末温度与压坯密度关系冲击锤质量 ／kg(c)冲击锤重量与压坯密度关系图 7 各因素与压坯密度的关系图(1)研制成功机械蓄能式粉末高速压制成形试验机，经过温高速压制试验研究证明可以满足高速压制工艺的需要。

(2)在机械蓄能式粉末高速压制成形试验机上进行的温高速压制成形试验研究表明，在影响压坯密度的三个工艺因素中，压制速度是最重要因素，其次为粉末的压制温度和冲击锤质量。

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作者简介：邵明，男，1951年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为齿轮制造技术、成型装备设计与制造。

E-mail：shaoming###scut．edu．ca关航健(通信作者)，男，1981年出生，博士。主要研究方向为机器人设计理论与工程应用。

E-mail：guanhangian###scut．edu．cn肖志瑜，男，1965年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为高性能粉末冶金材料制备及其成形新技术。

E-mail：zhyxiao###scut．edu．cn