燕山大学课程设计说明书题目：金刚石砂轮成型模具的设计学院（系）：材料科学与工程学院年级专业：10级超硬学号：学生姓名：指导教师：教师职称：教授设计日期：2013.10.28-11.10燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：材料科学与工程学院基层教学单位：10级超硬学号学生姓名专业（班级）10级超硬设计题目金刚石砂轮成型模具的设计（杯型砂轮）设计技术参数 1.金刚石砂轮成型模具选用合金工具钢作为模套、定位套、下压环以及上压环的材料。

许用应力［σ］= 5000Kg/ cm ²，波桑系数=0.3。

2．设计杯型砂轮的尺寸为：150×25×10×30。

工作层的厚度为6mm，基体的直径为150mm，工作高度为25mm，凹面高度10mm。

砂轮内径为30mm。

3.结合剂选用金属基结合剂（铁基结合剂），相对密度θ为0.8~0.87，选取θ=0.8，侧压系数=0.38。

4.金属基结合剂单位面积需要压力为4000Kg/cm2,经过计算，压机需要提供的压力大概为176t.正式压制时，压力可以适当取大一些。

设计要求学生必须在规定的期限内完成下述任务：1）规划设计：熟悉设计步骤，确定结构方案。

2) 设计计算：选择所用材料及确定材料的力学性能，根据材料性能及设备功能的要求设计结构尺寸，确定金刚石砂轮模具的生产效率。

3) 绘图：计算机上利用inventer软件4) 编写设计说明书本说明书主要在于设计一套砂轮模具用以大批量生产，结构为杯型砂轮，采用金属基结合剂，模具主要将工作层压制成型，然后经过后处理将工作层焊接于基体上。

工作量技术熟练型员工平均日产500件。

一套模具至少可以正常生产十万件而不出现较大的尺寸误差。

工作计划任务时间安排设计内容规划设计1.5天1．1、布置设计任务书；2、熟悉设计步骤；3、确定结构方案；设计计算2.5天1．选择设备材料；2．确定所需设计设备的基本结构，计算结构尺寸；3．设备能力校验计算；4．使用操作方法说明。

绘图3天1．绘制草图；2．绘制总图；3．绘制零件图。

写说明书2天说明书应使用统一格式的16开纸书写（或B5纸打印），并附有封皮，装订成册。

考核1天面试考核参考资料1.万隆，陈石林，刘小磐主编《超硬材料与工具》北京化学工业出版社出版2.吕智，郑超，莫时雄，章兼植合编《超硬材料工具设计与制造》冶金工业出版社出版3.韩晓娟编《机械设计课程设计指导手册》中国标准出版社4.刘鸿文编《简明材料力学》高等教育出版社出版指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2013年 11月 5 日目录一、原始数据及资料二、对设计课题的分析三、设计设备的简图四、设计计算五、设计小结六、参考文献设计说明书《超硬材料设备》课程设计是无机非金属材料与工程专业超硬材料专业方向的一门专业方向必修课。

是学生在完成基础课、技术基础课和大部分专业课学习后的一个教学环节，是培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程问题的一次训练，并为毕业设计奠定基础。

在设计过程中，了解和掌握超硬材料设备的设计思想、设计原则和设计方法，即能掌握设计要领，又具有一定的设计能力。

通过设计使学生们对超硬材料设备以及所学过的相关课程进行必要的复习，并在实践中检验学生综合掌握，灵活运用的程度和效果。

通过设计使培养学生熟练运用手册和参考资料的能力，过程中需要涉及电脑中软件的使用，更能培养同学思考以及动手的能力。

一、原始数据及资料选用合金工具钢作为模套、定位套、下压板、上压板以及支撑块和脱模所需的压环的材料。

许用应力［σ］cm，波桑系数=0.3。

=5000Kg/2设计杯型砂轮的尺寸为：150×10×25×6（mm），基体为一个杯型，外径为150mm，工作高度为25mm，凹面厚度为10mm，砂轮内径为30mm。

压制成型后的金刚石层通过焊接的方法焊到基体上，结合剂选用金属基结合剂（铁基结合剂），相对密度θ为0.8~0.85，选取θ=0.8，侧压系数=0.38。

二、设计分析1、零件作用：模具主要由模套，阴模，上下压环，定位块，以及脱模时所需要的支撑块和定位套组成。

各个零件的结构形状和数量则根据砂轮的类型和压制方法确定，各个零件的作用如下：（1）模套：是模具的外套，是关键零件，直接影响砂轮的压制质量。

其厚度受材料自身强度的限制，根据不同材料的许用应力，通过强度计算或经验推算确定。

壁太厚浪费材料，又不便搬运。

模套高度根据砂轮高度和粉末松装密度等因素确定。

材料选用耐热合金钢或球墨铸铁，本模具采用的是合金工具钢。

（2）上压环：是本次杯型砂轮设计中的压制零件，直接承受和传递压力，要求有高的抗压强度、硬度，和适当的韧性传递压力至压腔，提供结合剂压制成型所需的高压强。

（3）下压环：下压环与阴模、定位块构成容纳粉末的压制腔体，，要求有高的耐磨性。

下压环底部支撑模具，起到限位的作用，使压制时在这个位置停下来。

（4）定位套：起固定基体，确定砂轮工作层的厚度。

但是本模具中因为没有基体，所以上下定位套整合成一个，主要目的就是起固定工作层的作用。

（5）支撑块以及定位环：脱模时起支撑作用，是压环及定位套全部脱出，可以直接将制品脱出。

2、模具结构的设计模具结构要根据砂轮的用途和形状以及不同的基体和生产工艺方法来进行设计，其区别于普通磨料磨具的是：（a）所得产品为金刚石砂轮，系超硬工具；（b）结合剂采用的是金属基，即铁粉，不同于普通的陶瓷基砂轮。

因此模具结构和压制操作过程相对复杂。

而且烧结温度比较高，一般达到750-850摄氏度，由于压力以及温度比较高，所以需要基体和金刚石层分开烧结，对材料的耐热和耐磨性都有严格的要求，下面说一下模具零件的设计：A、模套设计：模套从材料力学考虑，实际上它是一个厚壁圆筒，也就是其壁厚至少大于平均直径的十分之一。

因此，按壁厚圆筒的应力计算方法，根据所选材料的许用应力、泊桑比和弹性模量以及砂轮的外径，即可求得模框的外径尺寸。

a 模套外径尺寸的确定:模具在压制过程中，对粉末胚体施加垂直压力，粉末压缩沿着圆周向外膨胀，把压力传递给模框内壁，这叫“侧压力”。

由于受到粉末之间的摩擦力和与内壁之间摩擦力的影响，侧压力总是小于施加的垂直压力。

而侧压力对模框形成径向应力和切向应力，径向应力是压应力，越接近壁厚内径压应力越大；切向应力是拉应力，越接近壁厚内径表面，其值越大。

具体计算过程见下。

b 模套高度的确定:模套高度H由装粉高度h0，上下模冲定位高度h1，h2两部分组成。

装粉高度h0与粉末的松装密度有关，松装密度越小，装粉高度越高。

提高粉末的松装密度可以降低模框的高度，不但节省材料，还可以减少密度梯度，有利操作。

h0一般取胎体厚度的2.5到3.5倍,本设计用3倍。

本模具所压砂轮工作层厚度为6mm，所以h0=18mm,根据需求h1，h2都取8mm，所以H=h0+h1=18+8*2=34mm.c 模套材质的选择:本设计采用合金工具钢。

合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。

它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。

合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。

其中碳含量高的钢（碳质量分数大于0.080%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；碳含量中等的钢（碳质量分数0.35%~0.70%）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为HRC50~55,但韧性良好。

B、压环设计：cm，压环采用合金工具钢，许用应力为［σ］=5000Kg/2因为压环的外直径就是成型砂轮的外径尺寸，压环的内径为砂轮基体的外径，为150mm,为130mm，上压环高度为14mm，下压环为14mm.C、定位套的设计：定位套主要起固定砂轮基体，限制工作层压缩高度的作用，但是因为不需要基体，所以上下定位套做成一个，其高度根据需求设计为34mm，直径为130mm。

D、脱模所需的支撑块以及定位套：脱模时，需要将上下压模以及阴模和模套分开，这就需要一个定位套放在阴模上方，一个支撑块放在下压膜下，使脱模时阴模脱掉就停止运动。

支撑块高34mm，定位套可以稍微高一点，防止脱模时压到制品，高35mm。

3、模具的使用过程：先将下模、阴模、以及定位套组合到一起，其中下模与其他两个应该有一定的接触长度，然后装料，放上上压模之后放入压机中，开始加压后注意上下压头与模具，当接触时停止加压。

卸模时，将专门的定位环放在阴模上，支撑块放在下模下，接下来继续加压当支撑块全部进入阴模中后停止加压，因为压制层在脱模后，会有一定的膨胀率，所以可以直接从中心定位棒上取下。

三、设计设备的简图四、设计计算：套筒的计算：一、径向计算砂轮直径为150 ㎜，砂轮凹面基体厚度为10 mm，孔为30㎜，套筒内径尺寸为150㎜.求侧向压力以及m值：（1）已知压件材料致密状态下的侧压系数为ε=0.38，相对密度为0.8~0.85，取θ=0.8，压机作用在金刚石层的压力为4000kg／cm²。

根据公式P侧=εθP,可以求得P侧=1216kg／cm²。

单层筒时所需要的m值：m≥﹛[σ]＋P侧（1－μ）﹜½÷﹛[σ]－P侧﹙1＋μ﹚½对于钢模，其波桑系数=0.3，代入可得m≥1.31，取m=1.4 （2）求K1：P187公式6-22 P58表2-36 P202表6-19P188公式6-28AP202表6-18将m=1.4代入K1=1—［2m²（m—1）］/［（3m+1）（m²+1）］,K1=0.90（3）求m组以及模套半径、阴模半径：m组＝m≥﹛[σ]＋P侧（kⅠ－μ）﹜½÷﹛[σ]－P 侧﹙kⅠ＋μ﹚½，可以求得m组=1.27，为了接下来满足强度以及应力要求，取m=1.6砂轮d=150，r=75模套半径R=mr＝75*1.6=120mm阴模与模套配合半径r中=（√m）r=√1.6*75=95mm （4）求预紧力：P预=[m﹙m－1﹚÷﹙3m﹢1﹚﹙m＋1﹚] P侧代入可得P预=77.5kg／cm²（5）求过盈量Δr中=2P预r中³／E[﹙m²－1﹚÷﹙﹙m²＋1﹚r 中²－2R²]求得：Δr中=0.03mm直径过盈量为2Δr中=0.06mm（6）求热装所需温度α为模套材料的线膨胀系数，对于钢材，其值为12.5~13.5*10＾（-6），取α=13*10＾（-6），t＝﹙Δr中＋0.1﹚÷αr中=106℃P192公式6-48A P193公式6-49A P192公式6-47BP193公式6-50AP193公式6-51A五设计小结两周的课程设计已经结束，这两周可以说是收获颇丰，我从一开始的连题目都不懂，到最后的可以设计出一个砂轮模具，中间多亏了老师的耐心讲解以及各位好心同学的帮助，我克服了一个又一个困难。