在金属合金粉末成型中，刚性模具的主要功能是作为明确的物理约束，防止在压缩阶段发生横向位移。通过将粉末严格限制在固定体积内，模具迫使颗粒在高压下重新排列和相互啮合，而不是向外扩散，从而建立零件的基本结构。
刚性模具作为原材料和精密几何形状之间的界面。通过限制横向运动，它确保施加的压力完全转化为内部致密化和颗粒结合，直接决定最终组件的尺寸精度。
约束和致密化的力学原理
限制横向位移
刚性模具最关键的作用是作为提供高刚性物理约束的主要容器。
当施加垂直压力（通常为几百兆帕）时，松散粉末的自然趋势是向侧面扩散。模具壁完全阻止了这种运动。
强制颗粒重排
由于粉末无法横向逸出，压缩的能量必须去往某处。
这种物理限制迫使粉末颗粒相互移动并填充空隙。这个位移和重排的过程是将松散的粉末转化为粘结的固体。
促进均匀压力
理想情况下，模具确保压缩力均匀地传递到整个粉末体中。
这种均匀性对于创建一致的内部结构至关重要。在泡沫前驱体等应用中，这种均匀密度是后续膨胀阶段控制孔隙分布的基础。
定义几何形状和精度
确定初始形状
刚性模具不仅仅是容纳粉末；它定义了零件的身份。
模具为零件提供了定义的几何空间。无论是简单的圆柱体还是复杂的齿轮，零件实际上都成为了模具空腔的铸件。
确保尺寸精度
成型零件的质量与模具的质量密不可分。
内壁的精度直接决定了成型零件的尺寸精度。模具表面的任何不完美或偏差都会反映在致密粉末的物理基础上。
理解权衡
壁面摩擦和密度梯度
虽然模具限制了横向运动，但粉末与内壁之间的相互作用会产生摩擦。
这种摩擦可能导致密度不均匀，即边缘（接触壁面）的粉末与中心的粉末致密化程度不同。这是刚性模具压实的一个物理限制，通常需要润滑策略来缓解。
刚性与弹性
模具必须比被压缩的粉末更坚硬、更刚性。
如果模具在高压下发生即使是微小的弹性变形（拉伸），最终零件的尺寸精度也会受到影响。“刚性”的名称是一个功能性要求，而不仅仅是一个名称。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高刚性模具设置的有效性，请根据您的具体制造目标来调整您的重点：
- 如果您的主要重点是尺寸精度：优先考虑模具内壁的表面光洁度和加工公差，因为这些会直接转移到成型零件上。
- 如果您的主要重点是密度均匀性：评估模具的长径比和摩擦系数，确保压力能够深入且均匀地传递到粉末体中。
最终，刚性模具提供了必要的边界条件，使松散的金属粉末能够成为精密工程组件。
总结表：
| 特性 | 刚性模具的功能 | 对最终组件的影响 |
|---|---|---|
| 横向约束 | 防止粉末在压力下扩散 | 建立结构完整性 |
| 几何定义 | 提供固定的内部体积 | 决定尺寸精度和形状 |
| 颗粒控制 | 强制重排和相互啮合 | 实现高内部密度 |
| 压力界面 | 将垂直力转化为致密化 | 确保一致的材料基础 |
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参考文献
- Raphael Basílio Pires Nonato, Thomaz Augusto Guisard Restivo. HYBRID UNCERTAINTY QUANTIFICATION IN METAL ALLOY POWDER COMPACTION. DOI: 10.29327/xxiiconemi.572539
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
