Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования: расчет и конструирование пресс-форм для формообразования порошков

№ 1898

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра машин и агрегатов металлургических предприятий

Т.А. Дудко
И.А. Шур
Н.А. Чиченев

Расчет и проектирование
механизмов и систем
технологического
оборудования

Расчет и конструирование прессформ
для формообразования порошков

Учебное пособие

Допущено учебнометодическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению Металлургия

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 621.742.073.001.24 
 
Д81 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. С.П. Галкин 

Дудко Т.А., Шур И.А., Чиченев Н.А.  
Д81  
Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования: Расчет и конструирование пресс-форм 
для формообразования порошков: Учеб. пособие. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2009. – 57 с. 
 
 
ISBN 978-5-87623-247-2 

Приведена классификация пресс-форм, даны современные методики расчета элементов пресс-форм на прочность и жесткость. Рассмотрены примеры 
расчетов стальной и твердосплавной матриц и пуансона. 
Приведены необходимые для расчетов справочные сведения по свойствам 
порошков для прессуемых деталей и конструкционных материалов. Даны рекомендации по выполнению сборочного чертежа и рабочих чертежей деталей. 
Предназначено для студентов специальностей 150404 «Металлургические 
машины и оборудование» и 150108 «Композиционные и порошковые материалы, покрытия», изучающих курс «Расчет и проектирование механизмов и 
систем технологического оборудования». 
 
УДК 621.742.073.001.24 

ISBN 978-5-87623-247-2 
© Государственный технологический 

университет «Московский институт
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Общие сведения и классификация пресс-форм.................................4 
2. Расчет размеров пресс-форм..............................................................14 
2.1. Определение размеров рабочей полости матрицы...................14 
2.2. Определение размеров стержня .................................................16 
2.3. Определение высоты загрузочной камеры матрицы................17 
2.4. Определение массы навески порошка.......................................20 
2.5. Пример расчета пресс-формы ....................................................20 
3. Расчет основных элементов пресс-формы на прочность 
и жесткость..............................................................................................23 
3.1. Расчет однослойных матриц.......................................................23 
3.2. Расчет составных матриц............................................................25 
3.3. Расчет матриц из твердых сплавов ............................................26 
3.4. Пример расчета матрицы на прочность и жесткость ...............28 
3.4.1. Расчет однослойной матрицы ..........................................28 
3.4.2. Расчет стальной составной матрицы ...............................29 
3.4.3. Расчет матрицы из твердого сплава.................................29 
3.5. Расчет пуансонов.........................................................................31 
4. Материалы для изготовления пресс-форм .......................................33 
5. Особенности технологии изготовления пресс-форм.......................36 
5.1. Технологические требования к изготовлению пресс-форм.....36 
5.2. Конструкция матриц и их изготовление....................................38 
5.3. Конструкция пуансонов и их изготовление..............................40 
5.4. Конструкция стержней и их изготовление................................42 
6. Требования к рабочим чертежам ......................................................44 
6.1. Задание размеров.........................................................................45 
6.2. Условные обозначения отклонений формы 
и расположения поверхностей деталей на чертежах.......................48 
6.3. Шероховатость поверхностей ....................................................52 
Библиографический список...................................................................56 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕСС-ФОРМ 

Формообразование заготовок из порошка осуществляется с помощью 
инструмента, в рабочем пространстве которого масса порошка под действием давления трансформируется в прессованную деталь (прессовку). 
Форма и размеры прессовки соответствуют готовой детали с припусками 
на последующую обработку (спекание, калибрование и др.). Одновременно 
с формообразованием происходит изменение физико-механических 
свойств порошковой заготовки: плотности, прочности, электро- и теплопроводности и других свойств, которые необходимы для выполнения последующих технологических операций и для готовой детали. Калибрование спеченных заготовок выполняют для обеспечения требуемой точности 
размеров и величины допусков на отклонение формы и взаимного расположения поверхностей прессованной детали. Допрессование выполняют в 
основном для увеличения плотности спеченных заготовок. 
Основными видами формообразующего инструмента в порошковой 
металлургии являются закрытые пресс-формы, имеющие замкнутую со 
всех сторон формующую полость. На рис. 1.1 показана широко используемая конструкция пресс-формы для прессования деталей с отверстием, основными формующими элементами которой являются: 
• матрица 6, обеспечивающая формирование боковой поверхности прессовки и служащая для размещения навески порошка; 
• нижний пуансон 4, формирующий нижнюю поверхность прессовки   и   предотвращающий   высыпание   порошка  из пресс-формы; 
• верхний пуансон 10, формирующий верхнюю поверхность 
прессовки и служащий для передачи давления на порошок; 
• стержень 11, формирующий внутреннюю полость (отверстие) в 
прессовке. 
В пресс-формах также используются подкладочные плиты, держатели, толкатели, пружины, направляющие колонки, упоры и другие детали, которые служат для фиксации формующих элементов и 
обеспечения их соосности, достижения точности размеров прессовки, возможности её удаления из пресс-формы и т.д.  
В процессе прессования порошок, находящийся в полости прессформы, стремится к «растеканию» в стороны, но при этом удерживается 
боковыми стенками матрицы. Возникает боковое давление порошка на 
стенки матрицы, которое в результате внутреннего трения частиц порошка оказывается несколько меньше, чем прилагаемое давление прес

сования. Вместе с тем из-за перемещения порошка в направлении действия усилия прессования между ним и стенками матрицы возникают 
силы трения, которые препятствуют получению равномерной плотности прессовки. 

 

Рис.  1.1.  Конструкция преесформы для прессования детали с 
отверстием: а – конечная стадия прессования, б – выталкивание 
прессованной заготовки; 1 – нижняя подштамповая плита, 
2 – нижняя подкладочная плита, 3 – матрицедержатель, 
4 – нижний пуансон, 5 – прессованная деталь, 6 – матрица, 
7 – держатель верхнего пуансона, 8 – верхняя подштамповая плита, 
9 – верхняя подкладочная плита, 10 – верхний пуансон, 
11 – стержень 12 – пружина, 13 –толкатель 

Прессование в закрытых пресс-формах в зависимости от схемы приложения давления может быть односторонним и двусторонним. При од

ностороннем прессовании наибольшая плотность наблюдается у стенки 
матрицы под прессующим пуансоном, наименьшая – у стенки матрицы 
возле неподвижного пуансона. При двустороннем прессовании наименьшая плотность получается в среднем сечении высоты прессовки. 
После снятия давления прессования прессовка в результате действия 
упругих напряжений плотно сцепляется с матрицей (и стержнем при 
формовании отверстия) и для ее извлечения следует приложить усилие 
выталкивания, которое может составлять 20...50 % от усилия прессования. Обычно извлечение прессовки производится либо пуансоном, связанным с выталкивателем пресса, либо стягиванием с нее матрицы. 
После извлечения прессовки из формующей полости матрицы происходит некоторое увеличение ее размеров по высоте и диаметру вследствие освобождения упругих сил, возникающих во время процесса 
прессования. Это явление называется упругим последействием и должно учитываться при расчете формующей полости пресс-формы. 
Одностороннее прессование применяется при изготовлении простых деталей типа пластин или дисков с отношением высоты к диаметру h/d < 1, а также гладких втулок с отношением высоты к минимальному значению толщины стенки h/Smin < 3. Схема такого прессования приведена на рис. 1.2. При этом высота полученной прессовки определяется по формуле 

 
в.п
,
h
H
h
h
=
−
+ Δ
 
(1.1) 

где Н – высота засыпанного слоя порошка; 
 
hв.п – ход верхнего пуансона при прессовании порошка; 
 
Δh – величина упругого последействия по высоте прессовки.  

Двустороннее прессование обычно применяется при изготовлении 
деталей, имеющих следующее отношение высоты к диаметру или 
минимальной толщине стенки:  

1< h/d < 5 или 3 < h/Smin < 20. 

Схема одного из вариантов двустороннего прессования, при котором прессование производится двумя подвижными пуансонами при 
неподвижной матрице, приведена на рис. 1.3. Движение пуансонов 
может быть как одновременным, так и поочередным. Высота прессовки при таком прессовании определяется по формуле 

 
в.п
н.п
,
h
H
h
h
h
=
−
−
+ Δ
 
(1.2) 

где hн.п – ход нижнего пуансона при прессовании. 

Рис. 1.2. Схема одностороннего прессования:  
а – заполнение пресс-формы, б – прессование, в – выталкивание; 
1 – порошок, 2 – верхний пуансон, 3 – прессовка 4 – матрица, 
5 – выталкиватель 

 

Рис. 1.3. Схема двустороннего прессования с неподвижной матрицей: 
а – заполнение прессформы, б – прессование, в – выталкивание; 
1 – порошок, 2 – верхний пуансон, 3 – прессовка, 4 – матрица, 
5 – нижний пуансон-выталкиватель 

Конструкция пресс-формы зависит от сложности конфигурации 
прессуемой детали, соотношения ее размеров и выбранной схемы 
прессования. По сложности конфигурации все виды прессуемых из 
порошка деталей принято разделять на семь групп (рис. 1.4). 

 

Рис. 1.4. Примеры порошковых деталей различных групп сложности 

I группа – детали без отверстия с неизменным сечением по высоте, ограниченные двумя плоскостями, которые перпендикулярны направлению прессования, и имеющие отношение высоты к минимальному поперечному размеру меньше 3 (а, б); 
II группа – детали с неизменными сечениями по высоте, ограниченные двумя параллельными плоскостями, с одним или несколькими отверстиями в направлении прессования, и имеющие отношение 
высоты детали к минимальной толщине стенки меньше 8 (в, г); 
III группа – детали, относящиеся ко II группе, но с отношением 
высоты детали к минимальной толщине стенки больше 8 (д); 
IV группа – детали с наружным или внутренним буртом, имеющие отношение высоты детали к минимальной толщине стенки 
меньше 6 (е, ж); 
V 
группа – детали, относящиеся к IV группе, но с отношением 
высоты детали к минимальной толщине стенки больше 6 (з, и); 
VI группа – детали без отверстий, имеющие несколько переходов в направлении прессования (к, л); 

VII группа – детали с отверстиями, имеющие несколько наружных или внутренних переходов в направлении прессования, а также 
детали, ограниченные непараллельными основанию или криволинейными поверхностями (м–п). 
Схема прессования определяется количеством подвижных элементов пресс-формы, соотношением скоростей их движения и последовательностью приложения нагрузки к различным участкам поверхности прессуемой детали. Главным критерием выбора схемы 
прессования является обеспечение наиболее равномерного распределения плотности в прессуемой детали, так как от этого зависит идентичность свойств во всех ее частях, в частности прочность и твердость. Неравномерная плотность вызывает большие внутренние напряжения во время дальнейшей обработки прессованной детали, 
особенно при спекании, когда могут появиться неравномерные усадки различных ее элементов, возникнуть коробления и даже трещины. 
Неравномерность распределения плотности в основном обусловлена следующими двумя факторами: 
• внешним трением порошка о стенки матрицы, поверхности 
стержня и пуансонов; 
• наличием внутренних и внешних ступенчатых переходов в направлении прессования, а также криволинейных или непараллельных 
основанию поверхностей. 
Для деталей I, II и III групп сложности наибольшее влияние на равномерность распределения плотности оказывает внешнее трение порошка по поверхности инструмента: чем больше отношение высоты 
детали к толщине ее стенки, тем заметнее неравномерность в распределении плотности. Ее выравнивание достигается увеличением количества подвижных элементов пресс-формы, контактирующих с порошком, 
перемещение которых в процессе прессования способствует дополнительному перераспределению материала в объеме детали. 
Наиболее благоприятной схемой прессования деталей I и II групп 
сложности является двустороннее прессование. Гораздо труднее добиться равномерной плотности в высоких тонкостенных деталях III группы 
сложности. В этом случае приходится применять схемы прессования с 
относительным перемещением матрицы и стержня. В пресс-форме, работающей по этому принципу (рис. 1.5, а), стержень перемещается вместе с верхним пуансоном относительно неподвижной матрицы. При этом 
внешнее трение между движущейся боковой поверхностью стержня и 
частицами порошка увлекает их и перемещает вдоль полости прессформы, выравнивания распределение плотности по высоте детали. Данную схему следует применять, если отношение наружного диаметра к 
внутреннему диаметру меньше трех; в противном случае следует использовать двустороннее прессование (рис. 1.5, б). 

Рис. 1.5. Схемы прессования деталей III группы сложности: 
а – одностороннее прессование с одновременным 
перемещением стержня и верхнего пуансона, 
б – двустороннее прессование с одновременным 
перемещением матрицы и верхнего и нижнего пуансонов 

Прессование деталей IV и V групп сложности вызывает трудности 
в связи с тем, что эти детали имеют переходы по своему вертикальному сечению, которые препятствуют получению равномерного распределения плотности, как по высоте прессовки, так и в ее выступающих частях (буртах). В связи с этим для выравнивания распределения плотности применяют либо составные пуансоны с независимо 
перемещающимися элементами (рис. 1.6), либо производят формование буртов деталей в матрице (рис. 1.7). 
Основным условием получения равномерной плотности во всех 
сечениях детали является пропорциональность между высотой засыпанных слоев порошка в полостях пресс-формы и высотами соответствующих сечений детали. Например, для втулки с наружным буртом (см. рис. 1.6) необходимо, чтобы выполнялось соотношение 

 
1
2
н

1
2

,
h
h
H
H

γ
=
= γ
 
(1.3) 

где Н1 и Н2 – соответственно высоты насыпок для участков прессовки с высотами h1 и h2, 
 
γн и γ 
– плотность насыпки и средняя плотность прессовки соответственно. 

Рис. 1.6. Схема двустороннего 
прессования детали IV группы 
сложности с неподвижным нижним 
пуансоном для бурта 

Рис. 1.7. Схема одностороннего 
прессования детали V группы 
сложности с формованием 
бурта в матрице 

Эффективным средством выравнивания плотностей различных 
участков в деталях с буртами является обеспечение равенства скорости их уплотнения. В этом случае деталь уплотняется равномерно, 
практически без «перетекания» порошка между полостями. Для осуществления такого процесса необходимо использование пресс-форм 
и прессового оборудования, допускающих автономно регулируемое 
одновременное движение пуансонов или других формообразующих 
элементов пресс-формы. В частности, для детали, изображенной на 
рис. 1.6, соотношение скоростей верхнего υв и нижнего υн пуансонов 
при выполнении данного условия должно удовлетворять уравнению 

 
1
н
в
2

1 .
h
h
⎛
⎞
υ = υ
−
⎜
⎟
⎝
⎠
 
(1.4) 

При одностороннем прессовании деталей V группы сложности 
для выравнивания плотности конструкция пресс-формы должна 
обеспечивать возможность перемещения наружной матрицы и внутреннего стержня. Обычно это достигается подпружиниванием матрицы и стержня, как показано на рис. 1.7. Подпружинивание матрицы обеспечивает соблюдение пропорциональности высот различных