陶瓷球坯模壓成形模具的優化設計

賈書波，李國斌，賈峻，王志偉，薛孝樂

（中國兵器工業第五二研究所煙臺分所，山東 煙臺 264003）

軸承作為機械基礎件，隨著陶瓷新材料技術的發展，陶瓷軸承以其耐磨、耐熱、抗腐蝕等優異特性，在航空航天、軍工和民用高精密裝備領域得到了越來越多的應用［1］。

陶瓷球、尤其優質陶瓷球是制造高檔陶瓷軸承的關鍵零件，陶瓷球制備環節多、工藝復雜、質量要求高，其中陶瓷球坯的成形是陶瓷球制備的基礎和首要環節，球坯的質量直接影響著后續修形、精研環節的工作量，進而決定了陶瓷球的質量、性能及成本。因此，優化陶瓷球坯制備工藝，壓制出質量好、品質優、球形精度高的球坯是制備高品質陶瓷球的關鍵［2］。

陶瓷球坯的成形主要有2種方式：一種是采用冷等靜壓設備應用軟質橡膠模具壓制成形，冷等靜壓成形的球坯質量好、力學性能指標高，但存在生產效率低、制備成本高、不易實現自動化生產的缺點，適合于對陶瓷球性能和質量要求較高、陶瓷球尺寸較大和小批量生產的場合；另一種是采用液壓或機械式壓機設備應用鋼質模具壓制成形，壓制的球坯質量不如用冷等靜壓成形好，但具有生產效率高、制備成本低、容易實現自動化生產的優點，適用于對陶瓷球質量要求不太高、陶瓷球尺寸較?。ā?0 mm）和大批量生產的場合。

關于模壓陶瓷球坯修形加工方面的研究較多［3-5］，而有關模壓制備工藝及模具設計方面的文獻不多。因此，針對實際生產中應用液壓或機械式壓機設備，采用模壓方式壓制小尺寸陶瓷球坯的工況，分析現有制備工藝存在的不足，對模壓制備工藝配套的壓制模具的優化設計進行探討。

1 模壓制備陶瓷球坯工藝現狀

目前，常采用模壓工藝壓制陶瓷球坯，壓制模具主要由上模沖、下模沖、上模沖固定板和下模沖固定板組成。在整個陶瓷球坯壓制過程中，脫模是關鍵環節，其中球坯從上模沖球窩中的脫模比較容易，難點是從下模沖球窩中脫模。

球坯壓制完成后，上模沖和上模沖固定板一起向上提起，由于球坯與陰模壁的摩擦阻力，阻止其跟隨上模沖一起向上移動，進而從上模沖球窩中脫離。當下模沖向上采用頂出脫模法將球坯從陰模中頂出后，球坯仍留在下模沖球窩內，因此，需要一定外力將其從下模沖球窩推出才能完成脫模。

傳統脫模大多采用側面推的方式將球坯從下模沖球窩中水平推出（圖1），球坯除受到推板的水平推力外，還受到球窩的反作用力和摩擦力。由圖1球脫模受力分析可知，下模沖球窩越接近半球形，球坯嵌入的深度越深，所受摩擦力越大，相應的反作用力也越大且越接近于水平方向，導致球坯更加難以從下模沖球窩內脫出，如果此時強制脫模推出，可能會造成球坯的劃痕，甚至破裂。

圖1 陶瓷球坯模壓及脫模受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of die pressing and demoulding force of ceramic ball blank

2 工藝分析

目前球坯模壓工藝中下模沖一般為一體結構，沒有將球坯頂出球窩的頂模機構，因此，為了便于脫模和提高成品率，只能降低球窩的深度，這樣壓制出的球坯在上、下模沖分界處會形成一段較長的圓柱環帶，只有通過手工和機械方式進行修形加工。環帶越寬，球形誤差越大，修磨量越大，不僅增加了制備成本，而且加大了造成缺陷和加工應力集中的幾率，最終影響成品陶瓷球的精度和性能。

模壓球坯存在環帶是由模壓制備工藝特點和壓制模具決定的。要想減小環帶長度，需要加大上、下模沖球窩的深度，使其更接近于半球形。而加深下模沖球窩的深度，將加大球坯從球窩中脫模的難度，引起缺陷增多、成品率降低。因此，保證下模沖球窩加深后球坯能順利從球窩中脫模，是優化模壓壓制模具和制備工藝的關鍵。

3 模具優化設計及工作原理

優化后的下模沖如圖2所示，為了方便脫模、提高成品率，在加大球窩深度、使之更接近于半球形的基礎上，設計了強制頂模機構。

圖2 改進后的下模沖剖面圖Fig.2 Sectional drawing of down strokingmould

下模沖由螺紋接頭、外殼、活塞、彈簧、頂模頂桿、頂?；顗K和球窩模頭組成。其中下模沖球窩由球窩模頭和頂?；顗K2部分組成，旋轉螺紋接頭通過推動活塞、頂模頂桿可以調整脫?；顗K的高度，使脫?；顗K與球窩模頭完好匹配構成球窩。

活塞、頂模頂桿、頂?；顗K和彈簧共同構成了將球坯頂出球窩的頂模機構，并可以用壓縮空氣及配套的氣動閥控制驅動?；钊晚斈ｍ敆U的密封環將外殼內腔分為高壓和低壓區，低壓氣腔通過通氣孔與外界接通。壓縮空氣通過螺紋接頭中心孔進入高壓氣腔，推動活塞進而驅動頂模機構向上頂出。頂模機構的復位通過彈簧完成。

為了防止陶瓷粉塵進入腔體造成堵塞，附帶設計了防塵功能。壓縮空氣通過頂模頂桿的2個徑向通孔進入環形氣腔，在頂模機構頂出球坯的同時，壓縮空氣從球窩模頭與頂?；顗K之間的縫隙排出，阻止了陶瓷粉塵的進入。

加大球窩深度是下模沖內部設計頂模機構的主要目的，理論上可以制作出理想的半球形球窩，壓制出沒有環帶的球坯，但實際生產中，球窩模頭頂部側壁需要有一定厚度和剛度，實際球窩設計深度不能達到理想的半球形深度。

球窩模頭部徑向厚度計算如圖3所示，圖中，R為要壓制球坯的半徑；H為球窩球心到球窩頂部上表面的垂直距離；R0為球窩頂部最窄處的徑向厚度。

圖3 球窩模頭部徑向厚度計算示意圖Fig.3 Calculation schematic diagram for radial thickness of mould cavity head

根據勾股定理得

整理后得

（3）式中R0的取值與實際生產中球窩模頭的材料性能和球窩頂部強度、剛度的要求有關，其反映了球坯徑向球形誤差的大小。H反映了球坯的環帶長度，當上模沖和下模沖的球窩設計相同時，球坯環帶的寬度值為2H。

4 實際應用驗證

為了驗證優化后陶瓷球坯制備和模具設計的可行性，進行了實際陶瓷球坯的壓制。陶瓷球坯材料為氮化硅，球坯直徑為12 mm。上、下模沖和壓制的陶瓷球坯效果如圖4所示。

圖4 優化后模具圖及壓制的陶瓷球坯效果圖Fig.4 Photo of improved mould and balls blanks

具體壓制過程為：

1）填粉。下模沖嵌入陰模內，達到裝粉位置，陶瓷粉料填充到模腔和下模沖球窩內。

2）成形。上模沖壓入陰模的芯腔，與下模沖一起壓制形成陶瓷球坯。

3）脫模。上模沖抬起，壓縮空氣接通進入高壓氣腔，驅動頂模機構頂出球坯；再由側面推板機構將球坯推出，完成陶瓷球坯的脫模。

4）復位。關閉壓縮空氣，高壓氣腔泄壓，頂模機構在彈簧作用下復位，脫?；顗K和球窩模頭貼合形成半球形模腔。

5）循環。重復上述步驟完成下一次的壓制。

5 問題探討

因沒有進行系統、大量的壓制加工試驗驗證，只能以上述驗證實例中壓制的氮化硅球坯為例，對模具改進前、后各方面指標和性能進行簡單的比較。作為個案數據，不能作為結論予以引用，只是為了討論問題將其列出。

環帶寬度方面，未改進前為3.2 mm，改進后為1.2 mm。球坯成品率方面，根據小批量生產的球坯粗略統計，改進后約為96%，略低于改進前。壓制效率方面，改進前后都為3個/min。由于沒有對改進前后加工效率進行系統性對比試驗，雖然頂模機構的頂出和復位可以與上模沖抬起和下模沖嵌入陰模的動作同步，但實際批量生產中為了安全起見，是否需要設定一定的延時有待進一步驗證。

球窩加深對球坯密度均勻性、應力集中影響方面，壓制球坯樣品中沒有發現分層裂紋現象。但球窩加深是否會引起坯球密度不均勻、球頂密度降低和應力集中，仍需進一步深入研究。

6 結束語

通過對球坯壓制模具的優化，加大了上、下模沖球窩的深度，優化了陶瓷球坯模壓制備工藝，減小了環帶寬度，得到了環帶更小的陶瓷球坯，減小了陶瓷球的修形研磨工作量。

通過實際壓制驗證了模具改進設計方案的可行性，但只是經過小批量試驗生產驗證，能否應用于陶瓷球生產企業，并經得起大批量、長時間的工業化生產的考驗，缺乏試驗數據支撐，還需要進一步驗證。