永磁铁氧体湿压瓦形模具用材及设计

作者：信息来源:模具 2006-5-26

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2 设计模具时用毛坯图设计模具时首先要确定毛坯尺寸，毛坯尺寸是在产品尺寸的基础上考虑到磨加工的磨削量及放尺系数确定的。放尺系数系指成形出的毛坯某一尺寸在烧结前与烧结后对应尺寸的比值，此外设计时还应考虑磨加工的磨削量。放尺系数是设计模具中各零件尺寸的依据。然后由坯件尺寸，结合压...

2 设计模具时用毛坯图
设计模具时首先要确定毛坯尺寸，毛坯尺寸

在产品尺寸的基础上考虑到磨加工的磨削量及放尺系数确定的。
放尺系数系指成形出的毛坯某一尺寸在烧结前与烧结后对应尺寸的比值，此外设计时还应考虑磨加工的磨削量。放尺系数是设计模具中各零件尺寸的依据。然后由坯件尺寸，结合压机的公称压力吨位数和工作台面的

、宽，便可确定模具的使用腔数。影响放尺系数的因素很多^[1]。对瓦形磁体来说，还与磁体尺寸及成形时是沿径向呈辐射状取向还是沿对称轴呈平行状取向有关。

    对沿径向呈辐射状取向，作为一例，其放尺系数如表1所示。
    磁体各部分代号如图1所示。
3 模具结构及成形原理
    目前湿压一般采用注射料浆、浮动压制、下拉脱模的成形方式。种成形的加压方式应为单面压。模具上模为一块整体，上模包一层滤布，覆盖于凹模上，凹模可含一个或数个型腔。成形时下模固定不动，当上模下降接触并压紧凹模模面、封闭凹模后，立即启动充磁磁场，并由注料泵将料浆由注料孔注入模具料池中，再经凹模进料槽进入型腔中，此时开始抽水，使料浆中水分经滤布上模面抽水孔排出。料浆注满型腔后，上模与凹模同步下降，封住注料槽口，多余的料回料池，使凹模内料粉成形，形成坯件。成形结束后退磁，凹模继续下降，露出坯件，上模回升，取走坯件，然后凹模复位，完成一个成形周期。图2示出浮动成形、下拉脱模模具示意简图。

由表1可见，该磁瓦烧后磨加工内径由内向外磨，约磨0.5mm，而外径由外向内磨，约磨0.8mm，而长度、宽度均不磨。内外径放尺系数为1.29，而内圆弧长放尺系数为1.150，外圆弧长放尺系数为1.183，即内圆弧长放尺系数小于外圆弧长放尺系数，从而在烧结时磁体内部会产生一定的应力。

4 零件设计要点
4.1 上模（兼作吸水板）
瓦形磁体有两种不同的取向方式^[2]。一种是沿径向呈辐射状取向，沿这种磁瓦内弧面测量时其磁通密度分布呈马鞍形。另一种沿轴向呈平行取向，若沿这种磁瓦内弧表面测量，其磁通密度分布呈正弦状。这两种磁体装成电机后，前者的磁能利用率比后者高约20%，但后者转子转动比较平稳，抖动较小。对永磁使用者来说，比较倾向于应用前者。成形这种磁体时，成形部位应在型腔上部（成形线圈在凹模周围）、靠近成形磁场线圈的上端面，以利用发散状磁场使磁粉定向。另外上模钻辐射状吸水孔，如图3所示。因料浆在磁场作用下，会沿磁力线方向排成链状，这种链状排列的料浆在辐射状吸水孔吸力作用下会呈辐射状排列。这种设计是将磁瓦外弧面朝上，以充分利用成形磁场，这样成形的磁瓦、内弧磁通密度比外弧磁通密度要高，这也符合使用要求。一般磁瓦厚度（h₁）并不大，因此可采用单面吸水，即在上模上设计真空吸水孔，这样既可避免磁瓦内弧面性能因吸水孔而破坏，又可保持表面光洁度在一定水平上，以减少磨加工时磨削量。

上模材料可用20号钢，该钢属低碳钢（含碳量小于0.25%），在钢的分类上又属优质碳素钢。该钢既保证化学成分，也保证机械强度，且导磁率较高。内上模材料常用45号钢。20号钢与45号钢成分与机械性能差异见表2和表3。

由表3可见，45号钢（GB）比20号钢（GB）机械强度要好，但由于含碳量高、矫顽力大，导磁性不及20号钢。20号钢含锰量在正常范围，常以热轧钢供应，此时HB≤156（而45号钢为241），因含锰量低，塑性，韧性，焊接性均好，冷变形性能优良。为了克服机械强度之不足，常作表面渗碳处理，渗碳层厚度可至1.5mm，渗碳后淬火，淬火温度800～830℃，再低温回火，HRc可至60～62，使上模表层硬度高，耐磨性加强。
4.2 下模
在设计下模时需考虑型腔内的磁场强度分布及料浆压缩比。为了形象地说明问题，现以图4所示为例，ABCD为上模端面在型腔中的初始位置，A′B′C′D′为成形终了的位置，A′B′C′D′D″C″B″A″所框面积为毛坯的断面。瓦形磁体（磁瓦）多应用于电机中的定子，要求内弧与外弧两个弧面为同心圆。A′B′C′D′弧面相当于磁瓦外弧面；A″B″C″D″相当于磁瓦内弧面，由下模端面决定，它将成为磁瓦工作面。瓦形模具下模端面由A″B″平台及B″C″圆弧构成，这样就导致了型腔中磁场强度分布的不均匀。图中不同部位的纵向尺寸不同，列于表4中，由此计算出各部位的压缩比（料浆初始高度与相应位置的毛坯高度之比）。

压缩比：AA′A″处25.5/7.5=3.4，BB′B″处30/12=2.5，CC′C″处27/9=3.0。
众所周知，型腔中的磁场强度与充磁线圈的安匝数成正比，与两极之间的气隙间距成反比，在充磁线圈的匝数与充磁电流不变的情况下，磁瓦模腔内的磁场强度与上下模端面的距离成反比。由表4可见，起始磁场强度在AA″处因距离最短，故磁场最强，CC″处其次，BB″处最弱。由于不同部位磁场强度不同，导致相应的取向度不同，因此收缩率不同，造成磁体烧结后产生应力，导致磨加工时出现微裂纹。解决办法就是用导磁率近于1的材料，即俗称不导磁材料替代高导磁材料，相当于增大了气隙，使高磁场削弱为低磁场，即“就低不就高”，但各部位均匀性提高了。如图5所示，在下模B″C″D″弧处镶不导磁材料，如0Cr18Ni9，从B″、D″两端至C″C″′逐渐增厚。依表4所列数据，C″C″′尺寸比B″，D″处高3（=30～27）mm，在A″B″处也镶不导磁材料如铝青铜，如图5所示。在B″处，压缩比较小，生坯密度比邻近处低，因此烧结后常易开裂，加之，此处又为圆弧面与平台的连接处，也易引进开裂，因此在设计模时，B″处常倒圆角，成圆弧面过渡，加以解决。

对于内圆角大，拱高高的起动电机磁瓦，烧结后开裂更为严重。为此在设计磁瓦时，可使外弧中心加工余量少些，外弧两侧加工余量多些，这在设计毛坯尺寸时，外圆圆心下移，并增大外径尺寸，如图6a所示；或内弧中心加工余量多些，内弧两侧加工余量少些，这在设计毛坯尺寸时，内弧圆心下移，如图6b所示。后一方法比前一方法使用得要多些，这样虽然降低了料的使用率，增大了磨加工量，但这样做使上下弧面向平板形过渡，提高了合格率，还是有利的。
图5内弧镶件可用0Cr18Ni9而不用1Cr18Ni9Ti，虽然两者均属18-8不锈钢，但前者含碳量较低，使导磁性也较低，1Cr18Ni9Ti的锭子料头处导磁性常较大，故不适宜作镶件及凹模。0Cr18Ni9由于含碳量低，具有良好的耐蚀性，并具有一定抗晶间腐蚀能力，焊接性能良好，焊后不需热处理，这对用焊接方法作镶件是有利的。同时由于不含Ti，每吨价格可便宜1500元左右，其塑性及低温韧性很好，并能抛光，耐蚀性与1Cr18Ni9Ti(YB)相同。0Cr18Ni9含C量为0.08%而1Cr18Ni9Ti含C 0.12%，其它含量两者大致相同，即Si≤1.00，Mn＜2.00，S≤0.030，P≤0.045，Cr 17.00～19.0，Ni 8.00～11.0，1Cr18Ni9Ti含Ti～0.8。两者机械强度也大致相同，即抗拉强度σ_b≥515MPa，屈服强度≥205MPa，伸长率δ≥40.0%，断面收缩率Ψ≥88%，硬度HB≤183，如作凹模，在电火花加工（EDM）后要消除应力，但需氮化，以提高硬度及耐磨性。

图5平台处镶件可用铝青铜，铝青铜含Fe，比锡青铜的σ_b及HB均高。铝青铜分为普通型及复杂型两类。复杂型系指加入Fe、Mn、Ni等元素，加入这些合金元素，使基体强化，部分形成新的含Fe组成物。铝青铜抗蚀性均很好。Fe能使铝青铜的组织细化，这可能是由于Al₃Fe小质点起了晶核作用，因而可以显著地提高强度和硬度，Fe在一定程度上防止具有脆性的共析体形成，铁又能形成均匀分布硬的FeAl₃小质点，提高合金的抗摩性，在铝青铜中加入Ni和Fe不仅能使合金在室温下具有高的机械强度，并且在高温下还能在很大程度上保持此种性能，同时合金又具有极高的抗摩性。
9-4型铝青铜具有优良的抗摩性及高的抗蚀性和机械强度，可以成功地代替锡青铜作为抗摩材料，它可以型砂铸造，也可以用金属铸造，铸件可大可小，表5列出三类铝青铜的机械特性，供考。

4.3 凹模
    注射湿压瓦形模具型腔中料浆是由图2中中心柱（11）入料池（5），再由注料槽槽口入凹模型腔内。注料槽是在凹模上加工形成的，注料槽口距凹模上端面距离设计与料浆进型腔速度及含水量等因素有关，一般取毛坯厚度1.5倍为宜，设计凹模时应有约2°脱模锥度（退拔）。
    凹模使用材料比较理想的有无磁硬质合金，用该材料制成的凹模，使用寿命长，成形毛坯光洁度高、合格率高，对于这种材料作模具的加工方法已作过报导^[3]。此外可作凹模材料的还有（1）18-8不锈钢，（2）高强度奥氏体无磁模具钢（7Mn15Cr2Al3V2WMo）,（3）高锰-钒无磁模具钢，（4）50Mn18Cr4VA无磁模具钢，（5）Ti合金模具钢，（6）GH36GX无磁模具钢。
    GH36GX系无磁耐蚀钢作凹模材料时成分、热处理、生产工艺及物理性能、力学性能如下。（1）成分设计及热处理。成分（%）为：C：0.50～0.65，Si：0.30～0.80，Mn：11.00～13.00，P≤0.060，S≤0.030，Cr：12.00～14.00，Ni：3.00～4.00，V：1.30～1.80。该钢以C，Mn，Ni使钢奥氏体化，以Cr、Ni获得耐蚀性，以VC做为时效硬化相，钢的热处理用固溶和时效，1150℃固溶可使大量碳化物溶入奥氏体，670℃时效可获得最佳尺寸的VC相，使钢得到高硬度。具体采用的热处理制度如下：1150℃×2h水淬＋670℃×16h空冷。选择VC做硬化相的重要原因是该相是FCC晶型的无磁性相。（2）生产工艺。用非真空感应炉或电弧炉均可冶炼本合金，出钢温度控制在1530℃±15℃，浇注温度1460℃±20℃，在砂型中浇注，该钢含C、Mn较高，流动性很好，适合铸造，但应注意补缩操作，否则铸件易产生缩孔。（3）钢的物理和力学性能。用强磁体对热处理后的钢做磁性检查，说明该钢无磁性（磁导率为1.00左右）。在pH≈10的介质中进行了890h耐蚀试验，性能优良。经固溶时效处理后，钢的硬度为HRC 42-45，此钢可作为凹模用无磁钢，但它的攻丝和加工性较差。
4.4 中心柱
    图2中中心柱（11）固定在模架（7）上，料浆由中心柱中的注料孔（12）注入到料池（5）中，下模（8）经连接板（9）固定在中心柱上。料池（5）与凹模（4）（内含型腔）通过拉杆（13）与下连接杆（14）连为整体。下模和连接板及中心柱在料池中作整体上（装料）下（成形）移动，若料浆体积既无压缩性，也无膨胀性，则下模（或型腔）各个截面积之总和应与中心柱截面积相等，这样下模进出料池的体积和中心柱出进料池的体积才会相等，由此才能保证料池中料浆受压始终处于平衡状态，否则在进行压制时均会产生“喷料”现象，即料由下模与型腔间隙中喷出。在实际加工时，中心柱与下模总面积的误差，可大至＋2%～3%，可小至－1.3%，但希望误差走上差，以造成成型时正压，这样可以提高毛坯密度。
    中心柱可用40Cr（YB）合金结构钢，其成分（%）为：C：0.37～0.45，Si：0.20～0.40，Mn：0.50～0.80，S≤0.040，P≤0.040，Cr：0.80～1.10，平均含C：0.40%，Cr：＜1.5%。该钢导磁性好，抗拉强度、屈服强度比相应的碳钢高20%，具有良好的淬透性，断面小于50mm时，油淬后有较高的抗疲劳强度。调质后有较好的综合机械性能，抗疲劳强度和表面耐磨性均好，热处理时变形也小。热处理制度为：800℃淬火，油中冷却；500℃回火，油、水中冷却。机械性能：抗拉强度σ_b=1000MPa，屈服强度σ_s=800MPa，延伸率δ_s=9%，断面收缩率Ψ=45%。该钢淬透性和机械性能比45号钢好，淬火变形和开裂倾向性小。在表面热处理后，硬度HRc可至40～45，消除应力、磨加工、留余量，镀0.005～0.008mm深硬铬，镀硬铬后，可提高表面坚硬耐磨度及抗压强度，延长使用寿命，镀硬铬也可作修复表面，镀铬层对酸碱和大气的腐蚀有良好的保护性能，表面呈银白色，经抛光后光亮美观。
    中心柱也可用20号钢，也可镀硬铬。
4.5 料池
    料池国内多用18-8不锈钢拼装而成。
    为了节省成本，减轻模具重量也可用LD30铸造合金铝。合金主要成分为1.5%Mg₂Si，成分（%）为：Si：0.40～0.80，Fe：0.7，Cu：0.15～0.40，Mn：0.15，Mg：0.80～1.20，Cr：0.04～0.35，Zn：0.25，Ti：0.15，其它元素0.15，余为Al。热处理为T6制，即固溶处理加

工时效。其机械性能为，抗拉强度σ_b≥290MPa，屈服强度σ_0.2≥241MPa，伸长率≥10%，剪切强度≥172MPa。除此之外，也用过ZAlCu4MgTi合金铝，其成分（%）为：Cu：4.2～5.0，Mg：0.15～0.35，Ti：0.05～0.30，余为Al，杂质含量Fe：≤0.35，Si：≤0.2，Mn：≤0.10，Zn：≤0.10，Ni：≤0.05，Sn：≤0.05，Pb：≤0.05，含Fe量为万分之几，即形成Al＋FeAl₃共晶体。热处理为T4制，即固溶处理为532℃±3℃，8～12h后在20～100℃水中淬火，在室内长时间时效。
浇铸坯件实际机械强度为：抗拉强度σ_b=33 kg/mm，延伸率δ=6%，合金成分（%）为：Cu：5.0，Fe：0.22，Ti：0.28，Mg：0.22，Si：0.20。浇铸坯件每吨约2.2万元。

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