（材料学专业论文）大尺寸薄壁陶瓷缸套等静压成型过程的数值模拟研究.pdf

中文摘要 先进结构陶瓷具有强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优点，在复杂的工作条 件下表现出优异的性能，现已成为金属制品的有力替代产品，广泛应用于冶金、 石油、机械、国防军工、航空航天等领域中。天津大学经多年研究，充分利用氧 化锆制品高强度、耐腐蚀等优秀物理性能，成功开发了增韧氧化锆陶瓷缸套。 增韧氧化锆陶瓷缸套采用冷等静压成型方法，陶瓷粉末冷等静压成型过程中 影响因素多，成型规律复杂。一直以来，在工艺设计方面，一般都是依靠设计者 的经验，或采用反复实验的方法来确定，此种方法效率很低。采用有限元模拟可 以掌握粉末材料的成型规律，了解各因素的影响作用，可从根本上解决工艺设计 过于依靠经验的问题，达到改进产品质量，提高工艺设计效率之目的。 本文以增韧氧化锆陶瓷缸套为研究对象，对陶瓷粉末的冷等静压成型过程 进行模拟研究，分析粉末成型过程中几何变形规律、粉末流动规律、密度分布规 律、应力应变场分布，并对影响粉末成型的工艺参数分析研究。研究发现，成型 时靠近芯轴的粉末颗粒率先进入致密化阶段，并且致密化趋势由芯轴向外扩展。 模拟所得结果，误差1 左右，与实验结果较为一致。 在粉末c i p 成型过程中，通过调整卸压时间，发现较低的卸压速度有利于获 得较高的坯体密度，双卸压速度卸压方式可以提高成型件相对密度分布均匀性， 减小成型件左上角密度梯度区，提高成型件卸压安全性。 随着成型压力的增大，坯体的致密化程度提高，并且在成型压力大于2 0 0 m p a 时，成型件弹性回复量减小，卸压更安全，采用稍大于2 0 0 m p a 的成型压力可有 利于提高成型件成品率，也便于脱模。 使用刚性压盖，对坯体密度整体分布影响较小，成型件端面具有非常规整的 几何外形，但成型出的坯体具有“象足外观，且此处有密度梯度区的减小，成 型效果较好。 关键词：陶瓷粉末冷等静压有限元数值模拟 a b s t r a c t t h ea d v a n c e ds t r u c t u r a lc e r a m i c ss h o wav a r i e t yo fg o o dp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g h s t r e n g t h ，h e a t r e s i s t a n c e ，w e a r - r e s i s t a n c e ，e r o d e n t - r e s i s t a n e e ，w h i c hd i s p l a ye x c e l l e n t p e r f o r m a n c ei ns e v e r ew o r k c o n d i t i o n s ，a n dc h a n l l e n g et h em e t a l l i cp r o d u c t su s e di n t h ef i e l d so fm e t a l l u r g y , m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，n a t i o n a ld e f e n s ea n da v i a t i o n t h e e n t o u g h n e s sc e r a m i c sc y l i n d e rl i n e r , i nu s eo ft h eg o o dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fz r 0 2 ， w h i c ho fh i g hs t r e n g t h ，w e a r - r e s i s t a n c e ，e r o d e n t - r e s i s t a n c e ，w a sd e v e l o p e da tt i a n j i n u n i v e r s i t y t h ee n t o u g h n e s sz i r c o n i ac e r a m i c sc y l i n d e rl i n e rc a nb em a d eb yc i pw i t hm a n y f a c t o r sa n dc o m p l e x e sf o r m i n gl a w s t h ed r a w b a c ko fc i pi sl o we f f i c i e n c y , a n d f o r m i n gd e p e n d so nt h ee x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e r sa n de x p e r i m e n t s t h em e t h o do f f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na l l o w sm a s t e r i n gt h ef o r m i n gl a w so fp o w d e r s ，a n dt h e e f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r s ，w h i c hi sa t t r a c t i v et oi m p r o v ef o r m i n gq u a l i t i e s ，a n d d e v e l o p m e n to ft e c h n i c a l t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki st od i s p l a y st h ed e f o r m a t i o nr u l e ，f l o wr u l eo f p o w d e r , d e n s i t yd i s t r i b u t i o n s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nl a w si nc i po fc e r a m i c s c y l i n d e rl i n e r t h ee f f e c t so ft h ef o r m i n gp a r a m e t e r so nt h ef o r m i n gw e r ea l s os t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o w d e r sc l o s e dt ot h ed i ew a l l sd e n s i f i e df i r s t t h e d e n s i f i c a t i o nr e g i o n se x t e n d e dt ot h eo u t e r , w i t ht h ed i f f e r e n c ei nt h eg e o m e t r i ca n d g r e e nd e n s i t yo fb e l o w1 a sf o rt h eu n l o a d i n g ，al o w e rr a t eo fu n l o a d i n ge h a n c e dd e n s i f i c a t i o n ，a n dat w o s t a g e so fu n l o a d i n gf u r t h e ri m p r o v e dt h eu n i f o r m i t y o fd e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，a n d r e d u c e dt h ea r e ao fd e n s i t yg r a d i e n ta tt h el e f t u pc o m e r t h e s er e s u l t sh e l pt ou p d a t e t h eu n l o a d i n gs a f e t yo fg r e e nb o d y ah i g h e rp r e s s u r ee n h a n c e dd e n s i f i c a t i o n ，a n dt h ep r e s s u r ea b o v e2 0 0 m p a s u p p r e s s e ds p r i n g b a c ko ft h ec o m p a c t s u n l o a d i n gb e c a m em o r es a f e t h ep r e s s u r e s l i 曲t l ya b o v e2 0 0 m p ai m p r o v e dt h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c ta n dd e m o l d i n g t h eu s e o fr i g i dp l u gs h o w e dl i t t l ee f f e c to nd e n s i t y , b u tg a v es m o o t hg r e e nb o d i e sa tt h et o p t h eg r e e nb o d i e so ft h e e l e p h a n tf o o t s h a p e sh a v el e s sd e n s i t yg r a d i e n ta st h er e s u l t o ft h eg o o df o r m i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c e r a m i cp o w d e r , c i p , f i n i t ee l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁垄盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王犯叠a 签字日期：0 0 7 年1 月j f 刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王；欠曰闩 签字日期：2 岬年7 月f o 日 导师签名：穆正矿 签字日期：名口矽年7 月口日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 背景和研究目的 第一章前言 在石油工业的生产中，高压泥浆泵是油田钻井工作台的“心脏”，而缸套则 是泥浆泵的重要部件。由于油田钻井作业的工作条件十分恶劣，金属缸套不耐磨 蚀，使用寿命很短，尤其是在地层复杂或钻深井时，常常需更换。这严重影响了 钻井效率，成为油田钻井作业的一个难题。为了提高钻井效率，天津大学在国家 “八五”、“九五”重大科技攻关项目中，成功研发了油田钻井泵用增韧性氧化锆 陶瓷缸套。增韧氧化锆陶瓷缸套凭借其耐磨损、耐腐蚀、高力学性能等优点，替 代金属缸套，使用寿命大大提高，改善了现场的劳动作业强度，并为降低钻井成 本，提高生产效率创造了条件。钻井泵用陶瓷缸套以其优异的性能，在生产实践 中获得了极大的应用市场，成为石油工业中现用金属缸套的有力竞争者。然而， 在市场竞争中增韧氧化锆陶瓷缸套，若要全面取代金属缸套，不仅需要继续提高 陶瓷缸套的性能，而且还必须大幅降低陶瓷缸套的生产成本，为实现规模化生产 创造条件。目前，天津大学研发的增韧氧化锆陶瓷缸套采用等静压成型，常压烧 成的工艺路线。在其成型过程中，由于品种规格多，料源不稳定，烧成收缩有变 化，且坯体时常会出现开裂现象，这都对新产品开发，工艺设计，产品质量的控 制，提出了挑战，而且对规模化生产带来了诸多困难。 陶瓷缸套冷等静压成型是一个非常复杂的过程。粉末材料在模具中发生了复 杂的三维流动，在等静压成型过程中其体积不断变化，材料参数、几何尺寸和边 界条件均随时间非线性变化。因此，目前在粉末冷等静压成型模具及工艺设计上， 都是依赖于实验人员的经验，并且是采用反复试验的方法来确定。这种方法消耗 大量的人力、物力和财力，且周期长，效率低。近年来，随着计算机技术的发展， 有限元分析方法开始在粉末成型领域得到应用【l 4 6 】。采用有限元技术来对陶瓷粉 末成型过程进行模拟，可以给出成型过程中粉末坯体的几何变形规律、粉末颗粒 流动规律、应力应变场、密度分布等数据，并可据此分析坯体出现质量缺陷的原 因，改进模具及工艺。所以，应用有限元数值模拟的方法对陶瓷缸套等静压成型 过程进行计算机模拟，以期提高对陶瓷缸套成型的理论认识，为大尺寸薄壁陶瓷 缸套等静压成型提供一定指导。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 2 研究内容和研究方法 本文以非线性大变形弹塑性有限元理论为基础，以有限元软件 m s c m a r c m e n t a t2 0 0 5 为应用工具，以氧化锆基陶瓷缸套为研究对象，对氧化锆 基陶瓷造粒粉末冷等静压成型陶瓷缸套过程进行模拟研究，研究成型件在冷等静 压过程中的几何变形、颗粒流动规律、密度分布、应力应变分布，重点分析了卸 压速度、成型压力、压盖材质对成型件性能的影响，为陶瓷缸套冷等静压成型提 供指导。 本论文将在以下几个方面探讨有关大尺寸薄壁陶瓷缸套等静压成型有限元 模拟中应引起注意并深入研究的问题：在m a r c 软件中建立几何模型及材料模 型，并确定模拟计算的参数条件，并设定接触条件，建立成型过程压力工作路径， 同时确定模拟计算迭代方法，以此为基础进行有限元数值模拟计算，并结合计算 结果分析陶瓷粉末成型结果，且与实验结果相对比，并着重分析影响陶瓷粉末冷 等静成型的主要因素，用于指导陶瓷缸套冷等静压生产过程。 1 3 本章小结 本章概述了对课题研究的背景和研究目的，论述了陶瓷粉末冷等静压成型过 程中存在的种种问题，阐述了有限元数值模拟的优势，并介绍了以有限元理论为 基础，对陶瓷粉末冷等静压成型进行数值模拟的研究方法和内容。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 1 粉末成型工艺概况 第二章文献综述 粉末材料成型的目的是为了得到结构均匀和密度高的坯体。提高成型技术 是提高陶瓷产品可靠性的关键步骤。粉末材料成型技术的发展促进了新型陶瓷材 料的诞生，随着人们对陶瓷成型的要求的提高，新的各种各样的成型技术会不断 的涌现出来。 目前，陶瓷粉末成型技术可粗分为干法成型和湿法成型两大类。干法成型 方法主要有干压成型和等静压成型两种。陶瓷粉末材料湿法成型方法种类繁多， 如挤制、轧膜、注射、注浆、流延等，其中尤以胶态成型方法近年来发展很快， 出现了如直接凝固成型、电泳沉积成型、凝胶注模成型等新的成型方澍2 , 3 , 1 h 。随 着技术的进步，又发展了计算机辅助、固体无模成型等一系列成型技术。尽管如 此，干法成型，由于其工艺简单，所得制品的密度高，烧成收缩小，无需干燥， 形状规则且统一性好、成本低，适宜大批量连续化生产，在现代陶瓷生产中得到 了广泛应用。尤其是大型中空管状压坯的成型是等静压成型技术的专长之一【3 】。 2 2 陶瓷粉末压制成型原理 2 2 1 粉末压制过程 粉末压制成型通常使用经过造粒的粉料，其目的是为了提高粉料的流动性和 堆积密度【5 t 9 】。造粒粉是一种人为的团聚体，也常被称为团粒。团粒由一次粒子 组成，并含有一次粒子间气孔和一次粒子内气孔。造粒粉的压制成型过程可分为 如下三个阶段： 采用坯体的压力密度曲线研究粉料的成型性能，有利于认清粉料的致密化 过程。b r u c h 是第一个采用此曲线来描述陶瓷粉料成型性能的人，他指出如果坯 体密度与使用压力的对数成正比，那么在压力一密度曲线图上将出现两条直线 段，且这两条直线段的交点被解释为团粒破碎的开始【9 】。l u k a s i e w i c za n dr e e d t l 2 j 研究了喷雾造粒粉料的性质和压制行为，得出如图2 1 所示的结果。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 蚤 晶 c u 勺 o 之 苗 百 e p r e s s u r e m p a 图2 1l u k a s i e w i c za n dr e e d 压力密度曲线 f i g2 - 1l u k a s i e w i c za n dr e e dp r e s s u r e - r e l a t i v ed e n s i t yc u l n e 由该图可以看出粉末材料的致密化过程可分为三个阶段。第一阶段致密化机 制为团粒的重排。在外力的作用下，团粒间相互接触，随后团粒发生滑移、重排 是团粒问的气孔减小，气孔中气体发生迁移并部分从模具中逸出。第二阶段，通 过消除团粒间气孔致密化，同时伴随团粒的塑性变形和破碎。这一阶段开始于团 粒的屈服点( p y ) ，其间密度随压力迅速上升。f r e ya n dh a l l o r a n l 在研究喷雾干 燥氧化铝粉料的压制行为时发现，这一阶段的密度和压力的关系可用如下的经验 公式来表示： ： 胛y 协， 式中p 和p y 分别为压力为p 和p ，时的密度，m 为经验常数。第三阶段内团粒间 气孔基本上或全被排除，团粒内气孔率开始降低，致密化机制转变为一次粒子的 滑移和重排。从图中可以看出这一阶段的致密化过程是非常缓慢的。 然而，实际上在粉末压制过程中，这三个阶段不是绝然分开的，而是互相重 叠的。同时，随着粉末材料种类的不同，这三个阶段对成型坯体密度的贡献也是 不一样的。 2 2 2 粉末成型期间的摩擦 在粉末成型期间，人们通常把粉末颗粒之间的摩擦称作颗粒间摩擦或内摩 擦，而把粉末颗粒与成型模具表面之间的摩擦称为模壁摩擦或外摩擦。采用冷等 静压成型技术进行粉末成型时，粉末颗粒与塑性包套表面之间不存在相对的位 移，因此也就不存在相互间的摩擦问题。而在粉末颗粒之间、粉末颗粒与刚性模 件表面之间则存在着摩擦 4 8 , 1 1 1 。 天津大学硕二仁学位论文第二章文献综述 在粉末的冷等静压成型过程中，影响摩擦状态的因素主要有以下三个方面： ( 1 ) 粉末特性，包括粉末种类( 塑性或脆性，金属或非金属) 、颗粒尺寸大小、 颗粒尺寸分布、颗粒形状和表面状态； ( 2 ) 成型模具的特征，包括模具设计、模具材料、模具表面光洁度。模具内 的气氛和成型湿度； ( 3 ) 润滑剂的特点，包括润滑剂种类、润滑剂数量和使用润滑剂方法。 对于同一种粉末来说，在冷等静压成型过程中，内外两种摩擦状态的存在 与否和影响大小，还与压坯的尺寸大小和形状有关。 采用压缩式模具成型中空管状坯件时，其内孔是由刚性铁芯直接成型的。采 用这种模具成型时，粉末在冷等静压力的作用下，会沿刚性铁芯的表面被压缩并 产生位移。粉末体在位移过程中会受到粉末颗粒与铁芯表面问摩擦阻力的影响。 这种摩擦是冷等静压成型过程中的一种模壁摩擦。在这种摩擦的作用下，管状坯 件内表面层的密度本应象模压压坯一样，沿着纵向压力的方向，从两端到中间有 一个密度递降梯度。但实际上，成型时模壁摩擦引起的纵向压力损失可及时得到 径向压力的补偿，因此一般不会存在纵向的密度梯度降。然而，这种摩擦却能导 致管状压坯件的轴向压缩率明显地小于径向压缩率，使压坯的最终形状，呈现中 间细，两端粗，端面倾斜的状态。这种压坯端头形状一般称为“端头效应”。 2 2 3 压坯的弹性后效现象 所谓压坯弹性后效现象是指在去除压制力或把压坯顶出压模以后，由于内应 力的作用，压坯发生弹性膨胀的现象【4 犯3 1 。 冷压成型过程中，粉末颗粒在受到外界压力的作用时，除了发生塑性变形外， 或多或少要发生一些弹性变形。所以，在粉末压坯中，总是贮存有弹性应变能。 当外界压力去除以后，贮存在粉末压坯中的弹性应变能就要力图释放出来，使粉 末颗粒的弹性变形得以恢复，这对已变形的粉末颗粒本身或整个粉末压坯来说， 就是一个弹性膨胀和尺寸胀大的过程。一般所说的弹性后效现象，是包括纵向和 径向两种膨胀现象。 根据巴利申的观点【4 】，粉末压坯的弹性膨胀并非是自由的，而是要受到粉末 颗粒之间接触区域结合强度的限制。若颗粒之间结合牢固，粉末颗粒的弹性应变 能就不能无拘无柬地完全释放出来，只能通过有限的弹性膨胀抵消部分弹性变形 应力，因此整个粉末压坯的尺寸胀大就很小。但如果颗粒间结合不牢固，压坯中 的弹性应变能在释放过程中就受到较小的限制，通过弹性膨胀可在很大程度上抵 消颗粒的弹性变形应力，使整个粉末压坯的尺寸得到充分的胀大。 压坯的弹性膨胀过程，就是降低颗粒接触区域的应力，减少颗粒间接触面 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 积的过程。许多情况下，接触区域的应力降低和面积的减少，并不总是在所有的 颗粒问均匀进行，有时集中在部分颗粒间接触区域，使压坯出现裂纹和分层现象。 弹性膨胀值一般取决于粉末的特性( 粉末粒度、颗粒形状、含氧量、粉末颗 粒的硬度) ，成型压力，润滑情况以及其他因素。 冷等静压压坯产生弹性后效的原理与常规干压相同。在冷等静压成型过程 中，粉末颗粒同样经受了一定的弹一塑性变形。成型后，在冷等静压压坯中，会 积蓄一定的弹性应变能。这种应变能量在压力去掉后，要力图通过弹性膨胀释放 出来，使得内应力在一定程度上得到消除。 冷等静压压坯的弹性后效与常规干压法的不同在于压坯尺寸的胀大值各向 基本相同，这是等静压成型的特点所决定的。在冷等静压模具设计中，必须考虑 到压坯弹性后效的作用，以便正确地控制压坯的最终尺寸。通过弹性后效所引起 的压坯尺寸胀大，往往有利于成型后压坯的脱模。例如在采用刚性模芯成型压坯 的内孔时，成型后刚性模芯与压坯能否自然脱离，主要取决于压坯弹性后效的大 小，弹性后效大，脱离就容易。另外，这种弹性膨胀过程，是造成冷等静压压坯 分层和裂纹的原因之一惮j 。 为了避免因弹性后效而引起的压坯裂纹和分层现象，在成型工艺中，应使弹 性后效发生的过程尽量缓慢而均匀。对常规模压工艺来说，要做到这一点，确实 是很困难的，而对于冷等静压成型工艺来说，通过控制成型后的卸压速度就可很 容易地实观这一点。此外，在粉末中加入表面活性的润滑剂( 如油酸) 时，由于能 够被粉末颗粒吸附，颗粒表面处于活化状态，使颗粒变形容易进行，并由弹性变 形转变为塑性变形从而使弹性应力松弛，所以也可以大大降低弹性后效值。 2 2 4 影响粉末压制成型的因素 粉末压制成型期间的致密化行为比较复杂，因为它要受到许多因素的影响。 目前引起人们普遍重视的主要有以下三个方面【4 弗】。 ( 一) 粉末特性 粉末材料的流动性和堆积密度对压制性能的影响是很大的。流动性好、堆 积密度高则有利于压坯密度的提高。粉末的流动性和其粒度及形状有关。粉末越 细流动性越差，越易形成拱桥效应；而球型粉末颗粒的流动性较好，在堆积过程 中容易滑动，不易架空形成拱桥效应。不同的工艺加工的粉末形状是不一样的， 它们的流动性也是不一样的。另外，粉末的含水量对其流动性也有影响。 粉末形状对压制过程及压坯质量都有一定的影响，具体反映在装填性能、 压制性能等方面。粉末形状对装填模腔的影响最大，表面平滑规则的接近球型的 粉末流动性好，易于充填模腔，使压坯的密度分布均匀。而形状复杂的粉末充填 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 困难，容易产生搭桥现象，使得压坯由于装粉不均匀而出现密度不均匀。这对于 自动压制尤其重要，生产中为了改善粉末混合料的流动性，往往需要进行造粒处 理。经造粒处理的粉料流动性好且堆积密度大，所压制的压坯强度高，成型性好。 此外，粉末的粒配对其在模具中的填充也有较大影响。以球型颗粒为例，即 使形成紧密堆积，颗粒与颗粒之间也存在间隙。如果在粉末体系中存在更细小的 小颗粒，则这些小颗粒就会填充在大颗粒的空间隙之中，从而提高填充密度。因 此，适当的粒配对提高压坯密度是有益的。 总的来说，粉末材料在成型期间的致密化速度，与粉末材料本身的流动性， 堆积密度，颗粒形状，粒度级配等有重大关系。 ( 二) 添加剂的作用 对于瘠性陶瓷粉末材料，在造粒前必须加入塑化剂，以增加粉末的可塑性。 特种陶瓷常用的塑化剂往往是水溶性的有机高分子物质，在水中能够形成水化 膜。这种物质在水溶液和瘠性陶瓷粉末混合均匀后，被吸附在颗粒的表面，把松 散的粉末颗粒粘结在一起。同时，水化膜的存在，使其具有流动性。常用的塑化 剂有聚乙烯醇( p v a ) 、聚乙烯醇缩丁醛( p v b ) 、聚乙二醇( p e g ) 、甲基纤维 素( m c ) 、羧甲基纤维素( c m c ) 及石蜡等。 在工业生产中，广泛使用喷雾干燥造粒法，这种方法将粉料和塑化剂水溶液 混合均匀后形成料浆，通过雾化器喷入造粒塔进行雾化和干燥，出来的颗粒为球 形、流动性好的团粒。这种方法生产效率高，产品质量好。 ( 三) 工艺参数的影响 在压制成型过程中，升压速度、卸压速度以及保压时间等工艺参数对压制性 能具有重大影响。 加压速度的影响。在陶瓷粉末成型过程中，加压速度的影响对于压制小型、 一薄片状的坯体不是很明显，然而，对于大型、较高和较复杂形状的压坯则非常重 要。在加压过程中，适当的放慢加压速度有利于粉末的致密化，也利于压坯中气 体的排除，对提高压坯的密度十分有利。 保压时间的影响。在成型大尺寸、形状复杂的压坯时，适度的延长保压时间 有利于压力的传递，使得压坯的各部位密度趋于均匀。而且，对于干压法成型， 保压时间的延长有利于压坯中气体有充分的时问排出。 卸压速度的影响。在卸压时，适当的控制卸压速度，能够有效的控制弹性后 效对坯体的破坏，防止受压坯体中弹性能快速释放，使颗粒迅速反弹而产生裂纹。 此外，在冷等静压成型过程中，空气的排除对粉末压制成型质量也有较大的 影响。从工艺方面考虑，如果在冷等静压成型前不除去包套中粉末颗粒之间的气 体，成型后压缩在粉末压坯中的气体压力是比较高的。卸压时，由于气体的膨胀， 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 压缩在压坯中的气体就必然经过压坯内的孔隙逸出压坯表面。在这种情况下，如 果卸压太快或是因粉末加有粘结剂妨碍气体逸出往往会引起压坯的破裂。 2 3 等静压成型技术 “等静压一( i s o s t a t i cp r e s s i n g ) 一词的实际意义是指在各个方向上对表面密 闭的物料同时施加相等的压力的状态。等静压成型又称静水压力成型，一般按其 工作温度可分为冷等静压c i p ( c o l di s o s t a t i cp r e s s i n g ) 和热等静压h i p ( h o t i s o s t a t i cp r e s s i n g ) 两类【1 1 1 。 2 3 1 冷等静压成型原理 冷等静压技术c i p ( c o l di s o s t a t i cp r e s s i n g ) ，一般是指在常温下对密封于塑 性模具中的物料各向同时均匀施压的一种成型工艺技术，主要用于粉末状的金属 或非金属材料的成型，为下一步的密实工序( 烧结、锻造、挤压、热压、热等静 压等) 提供预压压坯。与热等静压成型相比，冷等静压成型技术的适用性更强， 近年来得到较为广泛的应用。冷等静压成型按粉末装模及其受压型式又可分为湿 式等静压和干式等静压两种【2 ，4 引。冷等静压技术基本原理如图2 3 所示： l 一缸盖：2 一高压缸；3 一压盖；4 一传压介质；5 一网孔金属筒：6 一包套 7 一粉末：8 一芯轴；9 一缸底；l o 泵 图2 3 冷等静压成型示意图 f i g 2 3 t h es i m p l ed e s c r i p t i o no fc o l di s o s t a t i ep r e s s i n g 干式冷等静压成型技术( d r yi s o s t a t i cp r e s s i n g ) ，其主要特点是所采用的橡胶 包套在粉末等静压成型的整个过程中始终留在压力容器内，并且橡胶套将工作液 体密封在压力容器内，使粉末的添加和粉末成型件的取出都在干燥状态下进行。 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 目前，干式冷等静压成型技术已经实现了自动化或半自动化生产，且模具寿 命也较长，其生产效率要优于湿式冷等静压成型方法。据报道，自动干式等静压 成型的生产率已达到1 0 1 5 个分钟，直径较大的制品如直径为1 5 0 r a m 压制件的 生产率达3 0 0 件小时。但，由于干式等静压所采用的软包套至少有一端是敞开 式的。因此，严格说这种压制并不是等方向加压，仅在模具径向受压，模具顶部 和底部无法加压，使制品致密性和均匀性较湿式等静压方法差，通常需较高压力。 湿式等静压( w e ti s o s t a t i cp r e s s i n g ) 是最早采用的一种等静压。它将坯料包 封在具有弹性的塑料或橡胶模具内，抽真空密封后放入高压缸内，用压力泵将液 体介质打入，通过液体的传递使粉末受压，达到成型目的。湿式等静压的特点是 模具直接和液体介质接触，对模具的密封性能要求高。这种方法可以在同一高压 缸内成型不同形状的制品，适于成型小批量、多品种、大型及复杂形状产品的生 产。但这种工序复杂，工艺操作繁琐，不利于生产的自动化。 2 3 2 湿式等静压成型工艺 湿式等静压成型工艺在各向均匀施压方面要比干袋法冷等静压成型工艺优 越，其具体工艺流程，如图2 4 所示。 粉量的确定 粉末填充 模具装配 包套密封 包套模具外表面清洗 包套模具装入高压缸 手卜乐n 侯乐门 知乐 从高压缸中取出包套模具并脱模 图2 - 4 冷等静压成型工艺流程图 f i g2 - 4t h ef l o wc h a r to f c o l di s o s t a t i cp r e s s i n g 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 冷等静压成型工艺中，包套和模具的设计是冷等静压成型技术的重要组成 部分。冷等静压成型是依靠所需模具组件构成的腔体来充填被成型的粉末，密封 后在外界压力的作用下，通过模具组件的相互位移或变形，使充填粉末的腔体体 积缩小，从而达到压缩粉末和使粉末成型的目的。其基本构件都可分为塑性模件、 刚性模件、端口密封装置和支撑装置四个部分【4 ，8 】 ( 一) 塑性模件 在冷等静压模具中，所谓塑性模件通常是指由弹性材料( 如橡胶、塑料) 制成 的塑性包套、厚壁模、塑性端塞和模垫。这种模件在冷等静压成型过程中，不但 起型模作用，而且还通过压缩性或膨胀性的弹一塑性变形来传递液等静压力，使 粉状物料达到成型密实的目的。 ( 二) 刚性模件 采用冷等静压技术成型复杂形状的压坯必须借助于刚性模件。这种一般由 金属材料制成的模件在成型过程中与粉末直接接触。刚性模件的尺寸形状在成型 过程中保持不变，从而可使成型出来的压坯具有某一固定的尺寸和形状。这种模 件当用以成型压坯的内孔时，一般就称作横芯，图2 5 就是一种成型复杂形状内 孔时所用的组装式模芯。 图2 - 5 成型内空用的模芯 f i g2 - 5t h ed i eu s e df o rm o d e l i n g ( 三) 端口密封装置 在等静压工艺中，特别是在湿式冷等静压工艺中，模具的端口密封装置具有 十分重要的作用。端口密封装置需要兼备塑性和刚性的二重性。要求端口密封装 置具有塑性，是为了端口密封装置在成型过程中能适应塑性包套的变形，避免包 套在与端口密封的连接处发生撕裂，并减少成型压坯在封口部位出现畸形的程 度。要求端口密封装置具有刚性，是为了实现在封口处的系紧密封措施，如施加 弹性或非弹性的预紧捆扎措施等，从而保证整个模具在成型期间具有良好的密封 性。 ( 四) 支撑装置 装料的包套在成型前往往处于松软状态，很难保持固定的形状。有效的方法 是在包套外设支撑装置。常用固定支撑装置，一般呈筒状，在装粉前安置于包套 外面。筒壁通常带有均匀的孔眼，以便成型时液体压力传递介质的进出。这种装 天津大学硕士学位论文 第二覃文献综述 置除了在成型前能使装料包套保持一定的形状外，对于高径比大的棒状压坯在成 型期间所发生的弯曲现象，也能起到一定的抑制作用。 粉末冷等静压压制过程具体可分为加压、保压和卸压三个阶段。加压时力求 平稳，加压速度适当。在最高成型压力下，适当的保压可以增加粉体颗粒的塑性 变形，提高坯体的密度。保压时问因粉料的种类和制品的大小而异，一般保压时 间不宜过长。在冷等静压成型工艺中，卸压速度是一个非常重要的工艺参数。卸 压速度过快会使残留在坯体中的受压缩气体迅速膨胀，使坯体开裂。压制坯体的 弹性后效、塑性模具的弹性回复也会造成坯体的开裂。因此，对于卸压过程一般 可分为几个阶段平稳进行，以防上述问题的发生。这些问题对小试样来说，加压、 卸压速度和是否保压对坯体密度无明显影响【4 1 。而对于大型制品，若卸压速度控 制不当，就可能由于以下问题导致压坯开裂： ( 1 ) 如果卸压太快，随着压力的迅速降低，原本坯体内封闭气孔中气体压 力与坯体内应力之间的平衡被打破，残留在坯体中的气体因为无法迅速排除而发 生膨胀，导致坯体结构的失稳开裂。 ( 2 ) 如果粉末压坯本身的弹性后效值大，卸压速度又太快，压坯的弹性后 效则迅速发生，容易失去平衡，导致压坯本身在粉末颗粒连接薄弱的地方出现裂 纹或者分层现象。 ( 3 ) 如果卸压太快，压力介质的压力迅速降至i 临界压力以下，使包套与压 坯之间的分离过程突然发生，也就是使二者之间原有的平衡状态突然遭到破坏， 从而出现作用于压坯的冲击波，引起压坯的横向裂纹。 2 3 3 冷等静压成型技术的特点及应用 冷等静压成型技术在改善产品性能，减少原料消耗，降低成本，以及经济效 益方面，都具有引人注目的优点 2 - 4 , 6 , 8 】。首先，采用等静压压制成型的坯体，其 密度具有较好的均一性。在常规的钢模压制成型中，由于存在的模壁摩擦效应， 造成成型坯体密度分布差异性很大，这会导致坯体在烧结过程中产生不均匀收 缩，使得产品的尺寸难以控制。然而，等静压成型方法恰恰克服了传统钢模压制 的此类缺点，能够获得均匀的，较高的坯体密度。其次，采用冷等静压方法能够 成型大尺寸的坯体工件。在成型大尺寸工件时，冷等静压方法仅受限于压力缸的 容积，能较容易做出调整。然而，传统的模压则受限于压机的总压力，并且其成 型出的工件密度分布很不均匀。再次，可以通过塑性包套的模腔或刚性模件构成 的模腔成型复杂形状的工件，是冷等静压成型技术的又一优点。对于一些形状极 为复杂的( 如带有切槽、凹角、凸台等) 压坯，既要保证烧结时收缩小而均匀，具 有均匀的密度，又要有足够的强度，以适应成型后的机加工整型的要求。在通用 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 的成型工艺中，只有等静压成型工艺才能满足这些要求。最后，等静压成型能够 满足近净尺寸成型技术的要求。采用冷等静压成型技术，在适于成型复杂形状坯 件的基础上，精心设计模具，合理选择工艺参数，可以使成型的压坯无需或稍需 机加工整型，即可达到产品尺寸和形状的要求，从而有效地节省原材料，降低产 品的成本f 1 1 】。 2 4 有限元法的发展及应用 2 4 1 有限元法的原理和要点 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种可以用来分析求解复杂工程问题 近似解的数值方法。1 9 5 6 年，为分析飞机结构问题，首次提出了这种方法。在 其后的发展中，该方法在解决不同类型的应用科学和工程问题中的潜力逐渐被人 所认识。经过这么多年的发展，有限元数值分析方法已经发展的非常完善，在今 天已成为被人们公认的有效地求解各种实际问题的最有效的方法之一【1 ，7 】。 有限元法的基本思想是，用一个较简单问题代替复杂问题后再求解。在有 限元法中，把固体、液体或气体等真实连续介质或物体表示为一些小单元( 叫做 有限元) 的集合。这些单元可以认为是在一些称为节点或结点的指定结合点处彼 此连接的。这些节点通常置于单元的边界上，并认为相邻单元就是在这些边界上 与它们相连接的。由于不知道连续介质内部的场变量( 如位移、应力、温度、压 力或速度) 真实的变化。因此，假设有限元内场变量的变化可以用一种简单的函 数来近似。这些近似函数( 也成为插致函数) 可由场变量在节点处的值来确定。 当对整个连续介质写出场方程组( 如平衡方程组) 时，新的未知量就是场变量的 结点值。求解场方程组( 通常以矩阵方程式来表示) ，即得到场变量的结点值。 一旦知道了这些结点值，则可以由近似函数确定整个单元集合的场变量【4 2 】。 有限元法求解一般的连续介质问题，总是依次逐步进行的，把这些步骤可以 分述如下： ( i ) 结构的离散化。 ( ) 选择适当的位移模式或插值模式。 ( i i i ) 单元刚度矩阵和载荷向量的推导。 ( ) 由集合单元方程得到总的平衡方程。 2 4 2 有限元法的发展、现状和未来 有限元方法( f i l l 沁e l e m e n tm e t h o d ) 是求解各种复杂数学物理问题的重要方 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 法，是处理复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要分析工具。 现在所用的有限元方法是由t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 于1 9 5 6 年提出的。在 其公开发表的论文中，介绍了简单有限元在航空结构分析中的应用，该文被视为 有限元法发展中的关键性著作之一u 7 j 。 有限元方法的实现包括三个方面：计算原理、计算机软件、计算机硬件。借 助于计算机的高速发展，为完成有限元分析中大量的计算提供了一种快速的手 段，并使之切实可行。随着高速计算机的发展，有限元的应用也日益广泛和普及， 使之成为一种常用的分析工具。目前，国际上有9 0 的机械产品和装备都要采 用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。就工程应用领域而言，利用 有限元分析可以获取几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就 工程设计进行各种评判，可以就各种工程事故进行技术分析。因此，从某种意义 上讲，有限元分析已成为替代实物试验的数值化“虚拟试验”，采用有限元方法 的大量计算分析与实际的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本【7 1 1 1 。 2 4 3 大变形弹塑- l 生有限元理论 粉末成型及粉末塑性加工中的有限元数值模拟方法通常有：( 1 ) 刚塑性有限 元法；( 2 ) 弹塑性有限元方法；( 3 ) 粘塑性有限元方法；( 4 ) 粘弹性有限元方法。 其中，前两种用于室温下成型，而后两者用于热变形以及热等静压成型等 i , 6 , 7 , 1 1 】。 对于粉末材料的室温成型过程，如冷等静压成型，在其成型过程中，粉体密 度的增加会使材料显示出弹性变形的特征，特别是陶瓷材料与金属材料相比，弹 性变形是很大的。并且在冷等静压成型时，通常选择橡胶作为包套材料。由于橡 胶是弹性体，因此在进行数值模拟时，为了将这种弹性变形考虑在内，须采用弹 塑性有限元法，通常将粉末材料视为弹性体来解析。 弹塑性有限元法又可以分为小变形和大变形有限元法。小变形弹塑性有限元 用于位移和应变较小的情况，只适用于分析材料成型初期的小变形问题。小变形 是指物体几何形状只发生无限小的变化。这样单元体的局部变形可以忽略，应变 和位移之问仍然是线性关系。只有应力与应变之间存在着非线性关系【6 】。 大变形弹塑性有限元也称为有限变形有限元。在大变形的过程中，由于产生 了大位移和大变形，单元的形状发生变化，单元体的变形已经不能忽略，此时不 仅应力与应变之间存在着非线性关系，而且应变和位移之间也存在着非线性关 系。也就是说，必须要同时考虑材料非线性和几何非线性问题。在这种大变形条 件下，对应张量、应力张量、本构关系、平衡方程必须进行重新研究。对于粉末 材料而言，由于在其冷等静压过程中出现了大位移和大变形，因此采用大变形弹 塑性有限元来分析粉末冷等静压成型过程是比较合适的 3 3 - 3 6 , 4 8 】。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 5 陶瓷粉末压制成型过程有限元模拟研究进展概况 2 5 1 陶瓷粉末干压成型过程有限元模拟 在粉末压制成型过程中，大多数粉末成型的边界条件比较复杂，且影响模 具与材料间的摩擦力的因素繁多，又因为粉末材料的非线性，以及几何非线性的 影响，粉末成型过程难于求得精确解。因此，粉末成型过程在理论上的分析是比 较困难的。采用有限元方法来对陶瓷粉末成型过程进行模拟，可以给出成型过程 中粉末坯体的几何形状、应力应变场、密度分布等数据，并可据此分析坯体出现 质量缺陷的原因，改进生产工艺。所以，应用有限元数值模拟的方法对陶瓷粉末 压制成型过程进行计算机模拟就成为一种行之有效的方法【钥。近年，众多研究人 员应用有限元数值分析方法研究陶瓷粉末成型过程，取得了许多成果。 2 4 - 2 5 , 4 5 - 4 9 干压成型过程数值模拟主要采用刚塑性有限元法与大变形弹塑性有限元 法。刚塑性有限元法通常采用如下的变分原理： 中= l 。f 亡_ d r - f , v 。d s y5 式中：互表面力； v 1 速度； ( 2 - 2 ) v 变形体的体积。 这一变分原理与变形体的体积是否发生变化是没有关系的，与弹塑性有限 元法相比，这种方法的优点在于每一步的变形都很大。因此，这种方法对于大变 形的解析是非常有效的方法。在塑性加工数值模拟时，经常采用刚塑性有限元法 来模拟粉末成型过程，也可以使用弹塑性法模拟粉末塑性成型过程。 上个世纪开始，许多学者就致力于陶瓷粉末干压法成型过程的数值模拟研 究工作，以求分析坯体成型过程的密度分布、应力分布变化规律【5 m 5 2 】。s h i n a 采 用刚塑性有限元法对粉末干压成型过程进行有限元模拟，模拟考虑了模具和粉末 的摩擦，采用库仑摩擦，考虑摩擦系数0 2 的情况，分析了初始密度为0 3 的 氧化铝粉及初始密度为0 3 6 的s i 3 n 4 粉末在干压成型过程中密度分布情况【3 0 1 。 y y f o o 和i s m a i l a y d m 等应用有限元软件a b a q u s 模拟了工业用氧化铝陶 瓷粉料干压成型过程中的应力场分布和密