李達(dá)++楊麗++鐘飛++鄔治平

摘 要：粉末冶金成形技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)受到了高度關(guān)注，對(duì)其的研究也越來(lái)越多。把粉末顆粒離散化，使用有限元的方法對(duì)粉體壓制流動(dòng)性進(jìn)行了模擬仿真，考察了不同模壁摩擦系數(shù)下顆粒典型位置的應(yīng)變及其差異，不同區(qū)域的孔隙率變化和壓坯初始高徑比對(duì)粉末壓制成形相對(duì)密度的影響。結(jié)果表明，在等靜壓力的作用下，模壁摩擦使粉末產(chǎn)生了從上表面邊緣到下表面中心方向的斜向流動(dòng)，對(duì)顆粒的應(yīng)變和壓制相對(duì)密度均勻性有顯著的影響。

關(guān)鍵詞：粉末顆粒；細(xì)觀模擬；模壁摩擦；密度均勻性

中圖分類號(hào)：TF306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.078

粉末冶金技術(shù)是加工機(jī)械零件的重要工藝之一，具有材料利用率高、制造成本低、綜合性能好和近凈成形等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步探究模壁摩擦對(duì)粉末成形的影響，可以采用有限元的方法建立壓制模型分析壓制過(guò)程中的粉末密度變化和分布規(guī)律。

1 有限元模型建立

采用單向的粉末壓制方式，利用均勻圓形生坯建立離散模型，采用六節(jié)點(diǎn)的三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，圓形直徑為0.6 mm，初始松裝高度為19.2 mm，模型如圖1所示。

模擬材料參數(shù)定義，各向同性彈塑性材料的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

設(shè)模壁界面摩擦系數(shù)分別為f1=0.05、f2=0.1、f3=0.15、f4=0.2，顆粒間的摩擦系數(shù)f5為0.1；壓制力設(shè)為700 MPa，壓制時(shí)間設(shè)定為5 s。

2 模擬結(jié)果及分析

模擬得到的結(jié)果如圖3所示。為了分析壓制過(guò)程中粉末的變形和流動(dòng)規(guī)律，將粉末顆粒模型進(jìn)行矩陣編號(hào)，例如A[2，3]表示第二行第三列的顆粒，以此類推。

2.1 不同摩擦系數(shù)下顆粒應(yīng)變分析

選取圖3中的A[1，1]和A[32，1]顆粒查看其在不同模壁摩擦系數(shù)下的顆粒變形情況，分別如圖4、圖5所示。從結(jié)果中可以看出，靠近壓制端面，模壁摩擦越大，顆粒的變形就越明顯。當(dāng)顆粒遠(yuǎn)離壓制端面時(shí)，顆粒的應(yīng)變程度下降。這是因?yàn)閴褐屏κ亲陨隙聜鬟f的。鑒于摩擦的原因，使得壓制力在軸線方向衰減。隨著摩擦系數(shù)的增大，壓坯與模壁之間的摩擦力增加，導(dǎo)致壓制力在軸線方向的衰減越大。顆粒在軸線方向出現(xiàn)大的應(yīng)變差異與連續(xù)體有限元分析結(jié)果相同。

對(duì)比圖6、圖7可知，當(dāng)摩擦系數(shù)不變時(shí)，模壁附近孔隙從上到下逐漸變大。隨著摩擦系數(shù)的增加，靠近上模沖的顆粒間孔隙減小，下部孔隙增大，導(dǎo)致顆粒的密度均勻性變差。由此可見(jiàn)，模壁摩擦是產(chǎn)生密度不均勻性的主要原因。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以使用添加潤(rùn)滑劑提高模具光潔度和硬度，從而增強(qiáng)

產(chǎn)品的性能。

2.3 相同摩擦系數(shù)下高徑比對(duì)成形影響

選取初始松裝高徑比為3/5，5/5，10/5，15/5，20/5，25/5，30/5，35/5，壓力設(shè)為500 MPa進(jìn)行壓制。圖8給出了壓制后相對(duì)密度的變化——隨著高徑比增加，粉末相對(duì)密度在逐漸降低。上下表層的相對(duì)密度變化如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)高徑比超過(guò)5時(shí)，平均相對(duì)密度逐漸趨近0.85，而下層粉末的相對(duì)密度逐漸低于0.8，無(wú)法滿足工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)零件成形的要求。從壓制云圖（圖10）中可以看出，當(dāng)初始高徑比增加到5時(shí)，粉末下部形成“潰散”，已經(jīng)無(wú)法滿足成形的要求。

3 結(jié)論

當(dāng)界面摩擦系數(shù)不變時(shí)，靠近壓制面的變形大，沿著軸線向下粉末顆粒的變形逐漸變小。摩擦系數(shù)越大，應(yīng)變差異越明顯。

隨著高徑比增加，粉末密度均勻性變差，導(dǎo)致零件的成形性能變差。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該采用小的高徑比或者潤(rùn)滑的方式改善粉末成形性能。

采用基于離散體的有限元法可以更好地考查粉末壓制過(guò)程中的成形規(guī)律。

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〔編輯：白潔〕