高長徑比粉末冶金零件成形過程的數(shù)值模擬

　　摘要:針對粉末冶金法生產(chǎn)高長徑比產(chǎn)品尺寸變形大和產(chǎn)品精度低等問題，提出分段成形控制工藝。通過ABAQUS進(jìn)行數(shù)值分析，采用更新的Lagrange方式和大變形彈塑性理論從Mises應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移、徑向最遠(yuǎn)端密度分布方面進(jìn)行對比，結(jié)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(xiàn)有高長徑比產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進(jìn)行對比，節(jié)省原材料并簡化后續(xù)加工工藝。

　　關(guān)鍵詞:粉末冶金;分段成形;數(shù)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(jié)制造金屬材料、復(fù)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(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、精密儀器、切削刀具和國防等行業(yè)。高長徑比零件加工是粉末冶金法生產(chǎn)的難點(diǎn)，長徑比越大，其摩擦積聚效應(yīng)越明顯，造成產(chǎn)品密度分布不均勻，使零件尺寸精度降低，影響產(chǎn)品性能[2，3]。高長徑比產(chǎn)品應(yīng)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(tái)等結(jié)構(gòu)，造成材料浪費(fèi)和后續(xù)工藝增加。本文提出一種沿軸向成形高長徑比產(chǎn)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(dòng)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(chǎn)品尺寸精度不高的主要原因，當(dāng)產(chǎn)品長徑比較高時(shí)，其密度差可達(dá)0.5g/cm3。粉末冶金成形過程中，混合料的流動(dòng)與流體成形類似但又有區(qū)別，雙向成形可顯著提高零件密度分布均勻性[7]。當(dāng)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(yīng)時(shí)密度分布均勻性提高，但工業(yè)應(yīng)用級粉末冶金模具已達(dá)到鏡面級，面臨進(jìn)一步提高表面粗糙度成本較高的問題[9]。從運(yùn)動(dòng)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(dá)到最低，產(chǎn)品表現(xiàn)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(yīng)體積一半的混合料，第二步上模沖完成預(yù)壓，此時(shí)頂部密度增加，第三步裝填剩余混合料，第四步進(jìn)行同步雙向成形，此時(shí)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(jìn)行第一、二、五步。

　　3數(shù)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(diǎn)，采用更新Lagrange求解，將當(dāng)前時(shí)刻的應(yīng)變和應(yīng)力作為下一時(shí)刻的求解初始條件，其方程組的系數(shù)矩陣和變量不斷變化，如此不斷進(jìn)行求解[14]。與歐拉法相比，其計(jì)算載荷增量采用現(xiàn)實(shí)構(gòu)型來描述，更適合大變形和非線性的場合[15，16]。

　　3.1試驗(yàn)條件

　　將Φ10.5×12mm材料作為研究對象，三維結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)體，為便于計(jì)算將其簡化為徑向1/2矩形截面。劃分網(wǎng)格480個(gè)，節(jié)點(diǎn)1557個(gè)(見圖4b)，摩擦系數(shù)取0.2和0.3。取第一次成形預(yù)壓量3mm，第二次成形到位。

　　3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　(1)施壓方式

　　單次雙向成形時(shí)，軸線方向應(yīng)力上下對稱分布，邊緣位置兩端應(yīng)力大于中間應(yīng)力;徑向方向，端面靠近中心的應(yīng)力小于靠近遠(yuǎn)端的應(yīng)力。兩段成形的應(yīng)力分布趨勢相近，但是中間應(yīng)力最小位置略微上移，因?yàn)榉侄畏椒�為兩次填料的混合料體積均分，第二次成形時(shí)，將第一次預(yù)壓后的密度增加點(diǎn)下移，但是第二次裝填后的混合料經(jīng)過成形后，其應(yīng)力最低處位于第二次成形范圍內(nèi);根據(jù)VonMises準(zhǔn)則，分兩次后所需要的成形力大于單次成形力，故其屈服時(shí)間較早，塑性變形充分;兩段成形的Mises應(yīng)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(jié)點(diǎn)為分析對象，研究不同施壓方式下摩擦系數(shù)對相對密度的影響�？梢妴未坞p向成形密度整體分布呈“紡錘形”;摩擦系數(shù)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(diǎn)出現(xiàn)在中間偏上的位置，與Mises分析結(jié)果相符，同理，摩擦系數(shù)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(jié)點(diǎn)位移

　　以徑向最遠(yuǎn)端的5個(gè)節(jié)點(diǎn)(即密度差異最大處)為分析對象，取5個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中Node543和Node1539對稱，Node825與Node1329不對稱，Node1077為對稱軸處偏上1個(gè)單元，在成形過程中的節(jié)點(diǎn)位移量不同。單段成形中節(jié)點(diǎn)位移以軸向?qū)ΨQ軸對稱分布，中間節(jié)點(diǎn)Node1077節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)均在壓力作用下發(fā)生移動(dòng)，上部三個(gè)部位的節(jié)點(diǎn)其初始值為3，是因?yàn)榀B加了第一階段預(yù)成形的量，其中間節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)，增加了單段成形的該節(jié)點(diǎn)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(xù)燒結(jié)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(yù)壓縮量。

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　　4結(jié)語

　　(1)以單、雙段成形方法對比Mises應(yīng)力分布，分析表明軸向最遠(yuǎn)端的Mises應(yīng)力差異最大，而兩段成形的應(yīng)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(huì)影響零件密度分布的均勻化。摩擦系數(shù)增加使零件密度差異增大，進(jìn)而影響零件的尺寸精度。降低摩擦系數(shù)和減小摩擦作用距離是增加粉末冶金法生產(chǎn)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(jù)零件結(jié)構(gòu)和混合料條件來確定分段量，需要以產(chǎn)品性能為基準(zhǔn)反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)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(jī)理[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

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

　　作者：江凌燕1，江湘顏2，劉愛強(qiáng)1

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