机械式粉末冶金压机结构设计与仿真研究

摘要：随着我国经济的高速发展，我国各行各业也呈现出良好的发展趋势。粉末冶金压机作为粉末冶金生产工艺中压制成型的关键设备，市场需求量大，已成为国内外高校、科研院所和生产企业研究的热点。通过分析国内外机械式粉末冶金压机的产品结构和技术研究现状，并以此为基础，对机械式粉末冶金压机整机结构、压力传动“曲柄-摆杆-滑块”机构、脱模位置恒定机构、机械手工艺动作和智能控制系统进行了设计和仿真研究。

关键词：机械式；粉末冶金压机；结构设计；仿真 引言

粉末成型压机是专门为压制粉末制品而设计制造的专用设备，广泛运用于粉末冶金、硬质合金、磁性材料、精细陶瓷、电碳等粉末制品行业的压制成型。在以粉末压机压制的制品中粉末冶金机械零件为数最多，这部分粉末冶金机械零件中，铁基粉末冶金机械零件运用最广。

1粉末冶金压机的国内研究现状

中国粉末冶金技术研究起步较晚，目前，国内许多粉末冶金制品生产企业还采用冲床进行简单零件生产，生产效率低，生产环境较差。近10余年来，随着中国汽摩工业的飞速发展，对粉末冶金汽摩零部件的需求日益增大，部分压机生产企业通过引进国外模架生产技术，对原有设备进行了改造，基本满足中低档粉末冶金制品的生产要求。部分科研院所、高校和企业通过自主创新，在压机机械结构设计、自动化和智能化方面进行了研究和实践，成果显著。（1）华南理工大学设计制造了一套与粉末冶金精密成型压机相匹配、用于成型带上2台面和下3台面复杂粉末冶金零件的集成油缸驱动多层模板粉末压制成型模架，可以通过光栅尺采集各模板的位置信息，并采用液压系统闭环精确控制压制过程中各模冲的位移，但结构复杂，体积较大，设备成本较高。（2）萍乡九州精密压机有限公司设计生产了TPA系列、JZ系列、XY系列全自动机械式粉末成型机和液压机两大系列数10个品种。JZ系列机械式数控刀片压机采取曲柄-摆杆-滑块机构，合模、开模速度缓慢，并形成一个准保压区间，有利于粉末的成型，压制产品的质量好。采用脱模位置恒定机构，脱模梁板与承压板固联在中心杆上，右脱模杠杆上的压块下压的最低位置恒定，中心杆在脱模位置时，其下拉的位置相对机身不变。采用智能控制系统，可根据不同应用领域配备不同轴数的取料机械手，重复定位精度0.02mm，称重精度0.02g，可以根据工艺需要分别对产品单重范围、称重检测周期等主要技术参数在控制器上快速设定，还可以根据不同产品及料盘进行选择和排版，并可以在显示屏上动态显示排版，内部程序可以记录每班次的生产有效件数及报警问题记录，便于生产管理和问题处理，实现了粉末成型生产自动化，提高了生产效率。（3）扬州锻压机床股份有限公司生产的FSP高效精密粉末成型压力机是一种机械曲柄连杆式，气压油压辅助的粉末成型压机，采用中模浮动式模架，模架可以独立拆卸，模架有上1下1、上1下2、上2下3、上3下4等种类，具有中模和芯棒台阶成型能力，可以实时压力监控，成型速度由变频器控制，可实现无极调速，各调整部位均设有显数器及微调功能，触摸屏界面控制方便。该压机操作方便，安全性高，压制品精度较高，但自动化和智能化相对较低。（4）南通锻压机床厂与华中理工大学、一汽散热器公司合作研制的全自动智能型粉末冶金液压机采用PLC控制，自动化程度高，主要用于复杂的，精度要求高的多台面粉末冶金零件。（5）金坛市苏特机械科技有限公司生产制造的YST系列25-1500t的12种粉末冶金油压机，可一模多片，工作部分和液压系统部分可分别控制，同时可以双向压制，产品压制上下密度一致性好，所有动

作由微电脑PLC控制，连续自动。总之，中国设计生产的压机在中低端市场能满足使用要求，由于压机智能化程度低、精度低、适应性较差等原因，高端市场基本被国外压机企业垄断。中国已成为国际粉末冶金材料和制品的需求大国，国内高端粉末冶金压机的缺乏严重影响了粉末冶金行业的快速发展。

2机械式粉末成型压机结构设计与仿真研究 2.1曲柄-摆杆-滑块”机构设计、仿真与动作原理

压机主要动作由偏心轮、主轴、连杆、摆杆、拉杆等组成的“曲柄-摆杆-滑块”机构实现。目前，国内常见的机械式粉末成型压机的动作是由“曲柄-滑块”机构实现。“曲柄-摆杆-滑块”机构设计由于存在“保压区”，使得压机运动更加平稳，压机振动减少，能较好地保证压机的精度。主要原因是上滑块运动到下死点附近时，其下降和上升速度非常缓慢，形成一个保压区间，更加有利于粉末的成型。上滑块上下运动的成因是当主轴和紧固在主轴上的偏心轮一起逆时针转动时，通过连杆使摆杆以其左端为支点作上下摆动（曲柄摆杆机构）。压机上端的上摆杆和上摆杆轴及内上摆杆固连成一体，总称为上摆体，其可以在机床轴套内来回转动。拉杆的下端与摆杆的右端孔铰接，拉杆的上端与上摆杆左侧孔铰接。摆杆向下摆动时通过拉杆使上摆体逆时针转动，上连杆将上摆体的转动传递给上滑座，由于压机上的左右道轨镶条的约束，使上滑体向下运动，上滑体运动至下死点位置时摆杆已摆至最下的位置；当摆杆从最下位置向上摆回时，通过拉杆，使上摆体顺时针转动，导致上滑体向上运动，上滑体至其上死点位置时，上摆体、上连杆、上滑体及机身组成了一个摆杆滑块机构，通过拉杆将上下两个机构联合为一个机构，就将主轴的转动变为上滑体的上下运动。 2.2脱模位置恒定机构设计

本文设计完成的机械式粉末成型压机脱模位置恒定机构由脱模摆杆轴、主轴、复位凸轮等组成。脱模凸轮与复位凸轮安装在主轴上，同主轴一起逆时针旋转，迫使脱模杠杆绕脱模杠杆轴摆动，脱模杠杆的前端连着两个脱模压块。脱模时杠杆顺时针摆动，脱模压块压着脱模梁上的承压板使中心杆下拉完成脱模动作。当脱模完成后，脱模凸轮与杠杆上的滚轮脱开，此时复位凸轮又迫使脱模杠杆逆时针回转，导致杠杆上的压块与脱模梁上的承压板脱开，中心杆在复位气缸的作用下，升至装料位置，拉簧的作用是保证始终有一个力矩作用在脱模杠杆上，使其上的两个滚轮中间的一个一直贴压在凸轮上。此设计的优点在于：（1）通过主轴驱动便可单独推动设备脱模梁实现脱模动作，这样在压制不同产品时，便无需重新调整脱模行程，操作便捷；（2）由于脱模梁板与承压板始终固联在中心杆上成为一体，脱模杠杆上的压块下压的最低位置是恒定的，可使中心杆在脱模位置时其下拉的位置相对于机身而言也是不变的，无论产品装粉多高，脱模位置恒定不变，压制产品精度高；（3）整个脱模机构结构紧凑合理，零部件少，整体简洁，且各部件运行可靠。 结语

制约粉末冶金工业发展的两个主要因素是粉末材料和粉末冶金的专用设备。近年来，由于高精度、高强度、复杂形状零件产量在粉末冶金零件中所占比重增加，并将逐渐占主导地位，对粉末冶金压力机的压制精度和性能提出了更高的要求。粉末冶金压力机应具备更高的功能，完成更复杂的动作。 参考文献：

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[3]张华诚．粉末冶金实用工艺学［M］．北京：冶金工业出版社，2019．