高長徑比粉末冶金零件成形過程的數值模擬

　　摘要:針對粉末冶金法生產高長徑比產品尺寸變形大和產品精度低等問題，提出分段成形控制工藝。通過ABAQUS進行數值分析，采用更新的Lagrange方式和大變形彈塑性理論從Mises應力、節點位移、徑向最遠端密度分布方面進行對比，結果表明，該方法可有效提高密度分布均勻性，顯著減小零件雙向成形腰部尺寸偏小問題。與現有高長徑比產品生產工藝進行對比，節省原材料并簡化后續加工工藝。

　　關鍵詞:粉末冶金;分段成形;數值分析;密度分布

　　1引言

　　粉末冶金是將原材料金屬或非金屬粉末與金屬粉末混合物通過成形和燒結制造金屬材料、復合材料及零部件的方法，具有綠色性、低成本和近凈成形的特點[1]，廣泛應用于航空航天、汽車、精密儀器、切削刀具和國防等行業。高長徑比零件加工是粉末冶金法生產的難點，長徑比越大，其摩擦積聚效應越明顯，造成產品密度分布不均勻，使零件尺寸精度降低，影響產品性能[2，3]。高長徑比產品應用廣泛，如合金棒材和合金排氣閥等[4，5]，多采用沿徑向而非軸向成形工藝，必須增加工藝臺等結構，造成材料浪費和后續工藝增加。本文提出一種沿軸向成形高長徑比產品的方法。

　　2分段成形方法

　　粉末冶金模壓成形中成形施壓方法有單向、雙向和浮動成形[1]三種。因粉末顆粒與模壁、顆粒之間存在摩擦作用，使軸向成形方向的成形壓力逐漸衰減。同零件高度下，單向成形的衰減大于雙向成形，長徑比越大粉末的密度均勻性越低[3，6]。成形密度差異是造成產品尺寸精度不高的主要原因，當產品長徑比較高時，其密度差可達0.5g/cm3。粉末冶金成形過程中，混合料的流動與流體成形類似但又有區別，雙向成形可顯著提高零件密度分布均勻性[7]。當零件長徑比增加超過3后，沿軸向的成形力降低，零件的成形性變差[8]。

　　研究表明，提高模壁表面粗糙度可以緩解摩擦效應時密度分布均勻性提高，但工業應用級粉末冶金模具已達到鏡面級，面臨進一步提高表面粗糙度成本較高的問題[9]。從運動控制的角度提出分段成形控制法。雙向成形其壓力降從端面到中間逐漸降低，在中間部位達到最低，產品表現為靠近端面鏡像尺寸大，中間部位尺寸小。分段成形將一次雙向成形分為多次成形，以兩段成形為例，第一步完成總重量對應體積一半的混合料，第二步上模沖完成預壓，此時頂部密度增加，第三步裝填剩余混合料，第四步進行同步雙向成形，此時兩端的密度增加，中間增加量最小，最后脫模。單段成形則僅進行第一、二、五步。

　　3數值模擬對比分析

　　粉末冶金模具成形是典型的材料非線性、粉末變形非線性、成形過程非線性過程，目前尚無較完善的解析方法，常見的有滑移線方法、上限法、均勻變形法等[10-13]。粉末成形過程具有粉末位移大、變形大的特點，采用更新Lagrange求解，將當前時刻的應變和應力作為下一時刻的求解初始條件，其方程組的系數矩陣和變量不斷變化，如此不斷進行求解[14]。與歐拉法相比，其計算載荷增量采用現實構型來描述，更適合大變形和非線性的場合[15，16]。

　　3.1試驗條件

　　將Φ10.5×12mm材料作為研究對象，三維結構見圖4a，取3465混合料牌號。該型號填料高度為24mm，成形后生坯高度為15mm。零件為回轉體，為便于計算將其簡化為徑向1/2矩形截面。劃分網格480個，節點1557個(見圖4b)，摩擦系數取0.2和0.3。取第一次成形預壓量3mm，第二次成形到位。

　　3.2試驗結果及分析

　　(1)施壓方式

　　單次雙向成形時，軸線方向應力上下對稱分布，邊緣位置兩端應力大于中間應力;徑向方向，端面靠近中心的應力小于靠近遠端的應力。兩段成形的應力分布趨勢相近，但是中間應力最小位置略微上移，因為分段方法為兩次填料的混合料體積均分，第二次成形時，將第一次預壓后的密度增加點下移，但是第二次裝填后的混合料經過成形后，其應力最低處位于第二次成形范圍內;根據VonMises準則，分兩次后所需要的成形力大于單次成形力，故其屈服時間較早，塑性變形充分;兩段成形的Mises應力大于單段成形。

　　(2)摩擦影響

　　取徑向最外端某一條線上的節點為分析對象，研究不同施壓方式下摩擦系數對相對密度的影響。可見單次雙向成形密度整體分布呈“紡錘形”;摩擦系數越大，相對密度越小，造成相對密度差越大;兩次雙向成形其相對密度最小點出現在中間偏上的位置，與Mises分析結果相符，同理，摩擦系數越大，其相對密度越小;兩段成形的相對密度差顯著小于單段成形的密度差。分兩端成形后，第一段成形按壓縮量為3mm，第二階段成形為再次填料后，成形位置從21mm成形到15mm，兩段成形的摩擦距離較單段減少13%。

　　(3)節點位移

　　以徑向最遠端的5個節點(即密度差異最大處)為分析對象，取5個節點，其中Node543和Node1539對稱，Node825與Node1329不對稱，Node1077為對稱軸處偏上1個單元，在成形過程中的節點位移量不同。單段成形中節點位移以軸向對稱軸對稱分布，中間節點Node1077節點位移最小幾乎為0，上下完全對稱，Node543和Node1539的位移曲線完全重合;兩段成形的節點均在壓力作用下發生移動，上部三個部位的節點其初始值為3，是因為疊加了第一階段預成形的量，其中間節點的位移量大于單段成形位移量。分兩段成形的第一階段的壓縮量主要作用在該節點，增加了單段成形的該節點密度，但第一階段的壓縮量需控制致密化程度，不能影響第二段再次成形，造成后續燒結工序的分層、孔隙等問題，且不同的混合料牌號具有不同的預壓縮量。

　　科技論文投稿刊物：《科技與創新》雜志為國家新聞出版廣電總局批準，面向國內外公開發行的“全國綜合性科技學術期刊”，由山西省科學技術協會主管、山西科技新聞出版傳媒集團主辦，國內統一刊號CN14-1369/N，國際標準刊號ISSN2095-6835。為了進一步服務廣大科技工作者，促進創新型科技人才的研究成果轉化。

　　4結語

　　(1)以單、雙段成形方法對比Mises應力分布，分析表明軸向最遠端的Mises應力差異最大，而兩段成形的應力大于單段;兩段成形法顯著提高了高長徑比粉末冶金零件的密度分布差異。(2)模壁摩擦作用會影響零件密度分布的均勻化。摩擦系數增加使零件密度差異增大，進而影響零件的尺寸精度。降低摩擦系數和減小摩擦作用距離是增加粉末冶金法生產零件的有效手段。(3)分段成形是顯著提高粉冶零件密度分布均勻性的方法。每段壓縮量需要根據零件結構和混合料條件來確定分段量，需要以產品性能為基準反復進行試驗優化。

　　參考文獻

　　[1]黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業出版社，1997.

　　[2]谷曼.鐵基粉末高速壓制過程中粉體摩擦行為及致密化機理[D].合肥:合肥工業大學，2015.

　　[3]李達，楊麗，鐘飛，等.模壁摩擦對顆粒壓制成形影響的細觀模擬分析[J].科技與創新，2016(17):78-79.

　　作者：江凌燕1，江湘顏2，劉愛強1

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/nylw/23472.html