（材料学专业论文）粉末成形过程的计算机模拟.pdf

昆明理工大学硕士论文 摘要 摘要 泡沫金属是近年发展起来的由金属基体和气孔组成的新型功能材料。粉体发 泡法可以制备出性能优良的泡沫金属，而粉体坯料的相对密度大小及其分布、缺 陷、裂纹等对发泡后制品的孔径、孔隙率和性能有重要影响。目前，采用有限元 模拟a l 的致密化过程的研究处于起步阶段，本课题中得出的理论方法对a l 粉的 致密化机理研究有重要意义。试验中采用的粉末成形包括粉末压制和压坯挤压两 个过程，但依照传统粉末塑性加工中的经验性试错法来确定工艺步骤和模具尺寸 耗时费力，因此在现有粉末成形理论基础上开展c a d c a e 的研究应用，缩短研发 周期，节约成本具有极大的意义。 本论文运用理论研究、物理实验和有限元数值模拟相结合，系统地研究了粉 末成形规律及其致密化机制。首先分析各种粉末及烧结体材料的屈服准则- 再利 用物理实验手段获得粉末体的相关力学参数，最后选取合适的有限元模型模拟该 过程。 对于粉末压制成形过程，利用有限元软件m s c m a r c 对其进行模拟。通过查 找资料手册和实验相结合得到m a r c 中的s h i m a 粉末材料成形模块中所需要的参 数。然后系统地研究了不同载荷下单向压制和双向压制工艺得到的压坯密度分 布，应力应变分布规律，比较后确定4 0 0 m p a 载荷双向压制可以得到较好压坯。 对于压坯挤压成形过程，采用有限元软件d e f o r m 对其进行模拟。参照压制 得到的相对密度为0 9 的烧结压坯和相关材料参数，利用刚塑性可压缩材料变分 原理进行模拟，从而确定了压坯挤压的模具尺寸。详细地分析了该条件下的坯体 致密舰律，应力应变分布规律和粉末质点流动规律。 关键词：铝粉末，数值模拟，模压，挤压 垦塑堡三查堂堡主望塞 垒! ! ! ! 竺! a b s t r a c t f o a m e dm e t a l sa r en e wm a t e r i a l sw h i c ha r em a d eu po fm e t a la n dg a s p o r e s f o a m e dm e t a l sc a r lb em a d eb yp mm e t h o d ，b u tt h er e l a t i v ed e n s i t ya n di t s d i s t r i b u t i o n ，d e f e c t s ，c r a c ki nt h ef o a mw i l lh a v es i g n i f i c a n te f f e c to ni t sc e l ls t r u t u r e ， p o r o s i t ya n dp e r f o r m a n c e s t u d i e so na l u m i n u mp o w d e rf o r m i n ga r ei nt h eb e g i n n i n g ， t os t u d yt h i sp r o c e s si so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n e i nt h i sp a p e rt w op r o c e s s e s ，p o w d e r c o m p a c t i o na n dp o w d e re x t r u s i o n ，a l es t u d i e d i na d d i t i o n ，t r a d i t i o n a lp o w d e rp l a s t i c w o r k i n gp r o c e s s ，m e t h o do ft r i a la n de r r o r , i su s e dt od e t e r m i n et h ep r o c e s sa n dd i e d e s i g na n di tc o s t sm u c ht i m e ，c a d c a eb a s e do np o w d e rf o r m i n gt h e o r yc a l lb e u s e dt or e d u c er e s e a r c hp e r i o da n ds a v et h ec o s t s i nt h i sp a p e r t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，p h y s i c a le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r ec o m b i n e dt os y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ea l u m i n u mp o w d e rf o r m i n gd i s c i p l i n ea n d c o m p a c t i n gm e c h a n i s m y i e l dc r i t e r i ao fp o w d e ro rs i n t e r i n gm a t e d a l sa r ea n a l y z e d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db y p h y s i c a le x p e f i m e n lt h e np r o p e rf i n i t e e l e m e n tm o d e li sc o n s t i t u t e dt om o d l et h ep r o c e s s a st ot h ep o w d e rc o m p a c t i o np r o c e s s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c m a r ci s u s e dt om o d e lt h ep r o c e s s s h i m am o d l e o f p o w d e rm a t e r i a lm o d u l ei nm a r c i su s e d t h ep a r a m e t e r sc a nb eg a i n e db yg o i n gt h r o u g hd o c u m e n t s ，h a n d l e t sa n dd o i n g e x p e r i m e n t t h e no n e - d i r e c t i o n a la n dt w o d i r e c t i o n a lc o m p a c t i n gp r o c e s sa r es t u d i e d u n d e rd i f f e r e n tl o a d t h er e l a t i v ed e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o no ft h eb i l l e ta n ds t r a i na n d s t r e s sv a r y i n ga n dd i s t r i b u t i n gp r i n c i p l ea r eg a i n e d a f t e rc o m p a r i s i o n ，b i d i r e c t i o n a l c o m p a c t i n gu n d e r4 0 0 m p ap r e s s u r ei s ag o o dp r o c e s st o g e tb i l l e t w i t hg o o d p e r f o r m a n c e a st ot h ep mb i l l e t se x t r u d i n gp r o c e s s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r mi s s l e e t e dt os i m u l a t et h ep r o c e s s r e f e r r i n gt ot h ec o m p a c t i n gr e s u l t ，s i n t e r i n gb i l l e t w h o s er e l a t i v ed e n s i t yi s0 9a n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sa r eu s e d r i g i d - p l a s t i c v a r i a t i o nc a l c u l u st h e o r yo fc o m p r e s s i b l em a t e r i a l si su t i l i z e dt om o d e lt h ee x t r u d i n g p r o c e s s t h e nt h ee x t r u d i n gd i ed i m e n s i o ni sd e t e r m i n e d f i n a l l yt h ec o m p a c t i n g p r i n c i p l eo ft h eb i l l e t ，s t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na n dp o w d e rp a r t i c l ef l o w i n gr u l e a r ea n a l y z e di nd e t a i lu n d e rt h i sc o n d i t i o n k e y w o r d s ：a l u m i n a mp o w d e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i ec o m p a c t i o n ，e x t r u s i o n l 感谢 云南省自然科学基金重点项目( 2 0 0 0 e o 0 0 3 z ) 云南省自然科学基金项目( 2 0 0 2 0 0 3 6 ) 联合资助 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：訇 苞 日 期：渺年f 月f7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 籼签名：燃尘黻作者张固 日期 趔三生羔月2 旦 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 粉末冶金成形技术综述 1 1 1 粉末加工工艺的发展 粉末塑性加工方法包括粉末轧制、粉末锻造、等静压成形和粉末挤压等，粉 末锻造是粉末冶金加工技术中较有潜力的一种。至于其它的塑性加工方法，由于 粉末原料的特殊性其发展是很缓慢的，有些还停留在实验室水平上。但是随着 社会的发展人们对产品质量的要求越来越高，从而必将推动粉末塑性加工技术的 进一步发展”。 粉末塑性加工的发展前景，主要取决于该工艺与其蚀工艺的竞争能力，目前 影响该工艺经济效益的主要因素是粉末原料价格过高，如果粉末塑性加工的产量 能够稳定增长，钢粉需求量不断增热，价格下降是无疑的。随着粉末塑性加工生 产方式的确立与低合金雾化钢粉价格的不断降低，粉末塑性加工将会得到迅速的 发展。随着材料科学的发展，各种新型鲍结梅材料和功能奉手料不断涌现，铹如超 导材料，非晶态材料、粉末高温合金以及金属间化合物等，因此，针对新材料研 究与发展的趋势，不断缝研究和开发不受材料交形能力束缚的、较为灵活的成形 技术，以适应科学技术的发展，是粉末塑性加工领域中的重要研究工作之一。 1 1 2 钢模压制方法 盥蔫齄 a 一单向压制b - 双向压制c 一浮动凹模压制 图l l 钢模压制的三种基本方式 f i g 卜1 t h r e eb a s i cm e t h o d so fs t e e l d i ec o m p a c t i o n 钢模压制粉末的基本方式有如图l l 所示的三种：单向压制、双向压制以及 浮动凹模压制“。 粉末成形是粉末冶金的主要工序之一，金属粉末经过压制之后所得到的预成 形坯一般具有足够的强度，以致在搬运时不会破裂。预成形坯的强度与金属粉末 的种类和所施加的压力有关系，对于软金属粉末，采用很低的压力，例如压力低 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 于3 5 l p a ，就可以生产能够进行搬运的预成形坯。而对于较硬的粉末，就需要较 高的压力。粉末成形大致可以分为如下三个阶段”，“”3 。如图卜2 所示。 0 彳一7 l i i 觑蟛出刀 图1 - 2 压坯密度与成形压力的关系 f i g 1 2 ，r e l a t i o nb e t w e e nb i l l e td e n s i t ya n dp r e s s u r e ( 1 ) 粉末颗粒的重新排列阶段。粉末在松装堆积时，由于表面不规则，彼此 之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔洞，这种现象叫做拱桥效应。由于拱桥 效应，使得粉末的松装密度很低。在此阶段，由于压力的作用，粉末体内的拱桥 效应首先遭到破坏，至少部分地被消除，使得粉末颗粒彼此填充孔隙，重新排列， 增加接触。 ( 2 ) 弹性变形与塑性变形阶段。在大多数情况下，粉末压制过程中的弹性变 形是可以忽略不计的。所施加的压力超过粉末的弹性极限时，粉末颗粒将发生塑 性变形，使颗粒之间的接触面积增加。对于大多数金属来说，塑性变形会引起加 工硬化，使颗粒变形所需要的压力增加。 ( 3 ) 粉末颗粒断裂阶段。当压力超过粉末颗粒的强度极限后粉末颗粒就发 生粉碎性破坏。 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， 随着粉末种类的不同，这三个阶段对预成形坯密度的贡献也是不一样的。 粉末预成形坯之所以有一定的强度，是因为粉末颗粒之间的联结力作用的结 果。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：a 粉末颗粒之间的机械啮合力。一 般粉末的外表面是凸凹不平的，通过压制，粉末颗粒之间由于位移和变形可以互 相啮合在一起。粉末颗粒形状越复杂，表面越粗糙，则粉末颗粒之间彼此啮合得 越紧密，压坯的强度越高。b 粉末颗粒表面原予之间的引力，在粉末处于压制后 期时，粉末颗粒受强大压力作用而发生位移和变形，粉未颗粒表面上的原子就彼 此接近，当进入到引力范围内时，粉末颗粒便由于引力作用而联结起来，粉末颗 粒之间的接触区域越大，预成形坯的强度越大 昆明理工大学硕上论文 第一章绪论 1 1 3 粉末等静压成形 等静压成形又称为静水压成形，它是利用液体或气体介质不可压缩性和均 匀传递压力的一种成形方法。通常等静压成形可分为冷等静压成形( c i p ) 和热 等静压成形( h i p ) 两类。前者通常用水或油做压力介质，故有液静压、水静压、 或油水静压之称：后者常用气体( 如氩气) 做压力介质，故有气体热等静压之称。 等静压制法比一般的钢模压制法有下列优点：( 1 ) 能够压制具有凹型、空心 等复杂形状的压件。( 2 ) 压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦 损耗也很小。单位压制压力较钢模压制法低。( 3 ) 能够压制各种金属粉末放非金 属粉末。压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效。( 4 ) 压 坯强度较高，便于加工和运输。( j ) 模具材科是橡胶和塑料，成本较低廉。( 6 ) 能在较低的温度下制得接近完全致密的材料”。 1 1 1 4 金属粉末轧制 图1 - 3 粉末轧制垃崔恿幽 f i g 1 _ 3 s c h e r ) l a t i cd i a g r a o fp o w d e rt e l l l r i gp r o c e s s 将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，即可压轧出具有一定 厚度和连续长度且有适当强度的板带坯料。这些坯料经过烧结炉的预烧结和烧结 处理再经过轧制加工、热处理等工序即可制成。定孔隙度的或致密的粉末冶金 板带材。根据轧制过程的特点，粉末轧制可分为冷轧法和热轧法。金属粉末带材 的生产过程大体上可分为粉末喂料、轧制成形、轧制带坯的烧结等工序a 图i - 3 是简单的垂直方向的轧制示意图”埘2 ”。 粉末轧制带坯的致密程度与普通钢模粉末压坯相当，轧制后的粉末带坯需要 进行烧结处理。经烧结后的带坯内，仍古有一定的孔隙。为了得到完全致密的带 材，还需要再次进行冷轧或热轧。 1 1 5 粉末挤压成形 粉末挤压成型( p e m ) 是在金属铸坯和高聚物加工的压挤工艺基础之上发展 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 1 1 3 粉末等静压成形 等静压成形又称为静水压成形，它是利用液体或气体介质不可压缩性和均 匀传递压力的一种成形方法。通常等静压成形可分为冷等静压成形( c i p ) 和热 等静压成形( h i p ) 两类。前者通常用水或油做压力介质，故有液静压、水静压、 或油水静压之称；后者常用气体( 如氩气) 做压力介质，故有气体热等静压之称。 等静压制法比一般的钢模压制法有下列优点：( 1 ) 能够压制具有凹型、空心 等复杂形状的压件。( 2 ) 压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦 损耗也很小。单位压制压力较钢模压制法低。( 3 ) 能够压制各种金属粉末及非金 属粉末。压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效。( 4 ) 压 坯强度较高，便于加工和运输。( 5 ) 模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉。( 6 ) 能在较低的温度下制得接近完全致密的材料。5 “。 1 1 1 4 金属粉末轧制 图13 粉末轧制过程示意圜 f i g1 3s e h e m a t icd i a g r a mo fp o w d e rr o l lj n gp y o c e s s 将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，即可压轧出具有一定 厚度和连续长度且有适当强度的板带坯料。这些坯料经过烧结炉的预烧结和烧结 处理，再经过轧制加工、热处理等工序即可制成一定孔隙度的或致密的粉末冶金 板带材。根据轧制过程的特点，粉末轧制可分为冷轧法和热轧法。金属粉末带材 的生产过程大体上可分为粉末喂料、轧制成形、轧制带坯的烧结等工序。图1 3 是简单的垂直方向的轧制示意图4 甜翊。 粉末轧制带坯的致密程度与普通铜模粉末压坯相当。轧制后的粉末带坯需要 进行烧结处理。经烧结后的带坯内，仍含有一定的孔隙，为了得到完全致密的带 材，还需要再次进行冷轧或热轧。 1 1 5 粉末挤压成形 粉末挤压成型( p e m ) 是在金属铸坯和高聚物加工的压挤工艺基础之上发展 粉末挤压成型( p e m ) 是在金属铸坯和高聚物加工的压挤工艺基础之上发展 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 起来的一种新技术。它是制粉末体或者粉末压坯在压力的作用下，通过规定的压 模嘴挤成坯块或制品的一种成形方法。按照挤压条件的不同。可分成冷挤法和热 挤法。粉末冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低的温度下 ( 4 0 2 0 0 。c ) 挤压成坯块。所以，通常又将粉末冷挤压法称为增塑粉末挤压成 形。挤压坯块经过干燥、预烧和烧结便制成粉末冶金制品。粉末热挤是指金属粉 末压坯或粉末装入包套内加热在较高温度下压挤。热挤法能够制取形状复杂、性 能优良的制品和材料，近2 0 年来，人们特别重视高温合金、弥散强化材料等的 热挤压成形。粉末挤压基本原理如图卜4 所示： 图卜4 金属挤压的基本原理 f i g 卜4 s c h e m a t i cf i g u r a t i o no fm e t a le x t r u s i o n 粉末挤压法的特点如下：能挤压出壁很薄直径很小的微型小管；能挤压形状 复杂、物理机械性能优良的致密粉末材料；在挤压过程中压坯横断蕊不变，因此 在一定的挤压速度下制品纵向密度均匀，在合理控制挤压比时，制品的横向密度 也是较均匀的；挤压制品的长度几乎不受挤压设备的限制，生产过程具有连续性； 挤压不同形状的异形制品有较大的灵活性，在挤压比不变的情况下可以更换挤压 嘴；增塑粉末混合料的挤压返料可以继续使用。 1 1 6 金属粉末注射成形 金属粉末注射成形( m i m ) 是塑料注射成形与粉末冶金技术相结合而发展起来 的一辩薪型的近净形成形技术。相对于铸造、锻轧、枫加工、焊接、粉末冶金等 金属粉末注射成形( m i m ) 被称为“第五代”金属成形方法。自2 0 世纪8 0 年代以 来。至今方兴未艾，有着巨大发展潜力，故又被誉为“2 l 世纪的成形技术”。m i m 适用于只要能制得细粉的各种金属材料，例如纯铁、低合金钢，不锈钢。工具钢、 高温合金、难熔合金、有色金属、硬质合金，高密度合佥金属陶瓷、金属闻亿 合物，磁性材科和钛合金等，其应用领域涉及到航空航天、汽车、电予、军械。 医疗、日用品及机械等行业。 4 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 1 2 有限元法的发展及其应用 l 。2 1 有限元法的要点和特性 有限单元法( 或称有限元法) 是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计 算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机 科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部分”。 有限元法是将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ， 并通过它们边界上的结点相互结成为组合体。用每个单元内所假设的近似函数来 分片地表示全求解域内待求的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函 数在单元各个结点上的数值和与其相对应的插值函数来表达。通过和原问题数学 模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量的代数方程组或常微分 方程组。此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式。接着用数 值方法求解此方程，从而得到问题的解答。 从上述有限元的定义可看出它对于复杂几何构形的适应性；对于各种物理问 题的可应用性；建立于严格理论基础上的可靠性；适合计算机实现的高效性。 1 2 2 有限元法的发展、现状和未来 近3 0 多年来，伴随着电子计算机科学技术的快速发展，有限元法作为工程 分析的有效方法，在理论、方法的研究、计算机程序的开发以及应用领域的开拓 诸方面均取得了根本性的发展。下面就其中发展比较成熟，并已广泛应用于实际 分析的主要方面进行简要的概括”。 ( 1 ) 为了扩大有限元法的应用领域，新的单元类型和形式不断涌现。 ( 2 ) 有限元法的理论基础和离散格式。 ( 3 ) 有限元方程的解法。 ( 4 ) 有限元法的计算机软件。由于有限元法是通过计算机实现的，因此它 的软件研发工作一直和它的理论、单元形式和算法的研究以及计算机环境的演变 平行发展的。从2 0 世纪5 0 年代以来，软件的发展按目的和用途可以区分如下。 专用软件：在有限元发展的早期，专用软件是为一定结构类型的应力分析 而编制的程序。而后，专用软件更多的是为研究和发展新的离散方案、单元形式、 材料模型、算法方案、结构失效评定和优化等而编制的程序。 大型通用商业软件：从2 0 世纪7 0 年代开始，基于有限元法在结构线性分 析方面已经成熟并被工程界广泛采用，一批由专业软件公司研制的大型通用商业 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 软件( 如n a s t r a n ，a s k a ，s a p ，a n s y s ，m a r c ，a b a q u s ，j i f e x 等) 公开发行和被应用。 经过近5 0 年特别是近3 0 年的发展，有限元法的基础理论和方法已经比较成 熟，已成为当今工程技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。 但是面对2 1 世纪全球在经济和科技领域的激烈竞争，基础产业的产品设计和制 造需要引入重大的基础创新，高新技术产业更需要发展新的设计理论和制造方 法。而这一切都为以有限元法为代表的计算力学提供了广阔驰骋的天地，并提出 了一系列新的课题。 ( 1 ) 为了真实地模拟新材料和新结构的行为，需要发展新的材料本构模型 和单元形式。 ( 2 ) 为了分析和模拟各种类型和形式的结构自复杂载荷工况和环境作用下 的全寿命过程的响应，需要发展新的数值分析方案。 ( 3 有限元软件和c a d c 删c a e 等软件系统共同挤成完整的虚拟产品发展 ( v p d ) 系统。这是从1 9 9 0 年开始的技术方向。v p d 系统是计算力学、计算数学 以及相关的计算物理、计算工程科学和现代计算枫科学技术、信息技术( i t ) 、 知识工程( k b e ) 相结合而形成的集成化、网络化和智能化的信息处理系统。并 通过网络将科学家、设计工程师、制造商、供应商及有关咨询颞阔连结起来按圈 工作。它强烈地影响着未来工程系统的设计、制造和运行。 1 3 课题研究的背景、目的、意义和内容 1 3 1 课题提出的背景 泡沫金属是一种由金属基体和气孔组成的新材料。一般金属都具有密实的多 晶体结构，其中的孔隙，如缩孔、疏松、气孔等，是作为一静缺陷来对待的，当 缺陷多时，就会影响材料的性能，甚至成为废品。而泡沫金属恰恰是利用了材料 的这种缺陷，当金属材料的这种缺陷数量达到一定程度时( 郾孔隙率为4 0 9 8 ，孔径为o 5 6 m m 或更大) 后，可在牺牲其强度等力学性能的同时，获得 其它如热、声、能量吸收、轻质等优越性能而成为一种新型结构功能材料“。 粉体发泡法制备泡沫金属集渗流法和熔体发泡法各自优势为一身、有广阔的工业 化前景、极高的研究开发价值。国外已经采用此法制备出性能优良的泡沫铝及其 复合材料，其制备出的泡沫铝为闭孔结构，有着优越的特性。 粉体发泡法的发泡坯体是通过粉末冶盒中的成形工序来完成的。粉末冶金是 用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成形和烧结制 造金属材料、复合材料以及各种类型制晶的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有 6 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 相似的地方，因此也叫做金属陶瓷法悼l 。 现代粉末冶金发展中有三个重要标志。第一是克服了难熔金属熔铸过程中产 生困难，而成功制造了硬质合金。第二是本世纪3 0 年代用粉末冶金方法制取多 孑l 含油轴承取得成功。第三是向更高级的新材料新工艺发展。总之，粉末冶金法 既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工 艺。粉末冶金在各种特殊的结构材料、功能材料和复合材料的应用、改进上将发 挥其特有的作用。粉末冶金在今后将大有发展。随着新工艺、新技术、新材料的 发展和基础理论研究的深入，计算机软硬件的飞速发展，c a d 、c a e 、c a m 、c a p p 等新技术必将对粉末冶金生产过程产生深远的影响”1 。 1 3 2 课题研究的目的 粉末冶金零件7 0 8 0 用于汽车工业，随着汽车等工业新产品零件日益 增多，粉末塑性鸯珏工工艺及模具设计的工作量将越来越大，设计对阔也要求越来 越短，因此传统的经验性试错法有逐渐被计算机仿真模拟技术所代替的趋势。因 既，我们应在现有扮粉末成形理论基础上大力开展c a d c a e c a m 的研究和应用， 以缩短新产品的设计周期，减少人力、物力和费用等，提高设计水平。加强我国 粉末冶金企业的竞争力。 泡沫金属是一种由金属基体和气孔组成的新型材料，它可在牺牲其强度等力 学性能的同时，获得其它如热、声、能量吸收、轻质等优越性能而成为一种新型 的功能材料“。而粉末发泡法制备泡沫金属集渗流法和熔体发泡法各自优势于一 身，有广阔的工业化前景，极高的研究开发价值。国内外已经采用此法制备出性 能优良的泡沫铝及其复合材料，该法制造工艺决定着其孔结构，故对泡沫铝成形 工艺的研究具有十分重要的意义。发泡前的粉末压制和后续的挤压而获得接近致 密体密度这一过程对发泡工序有着非常重大的影响，如坯体内各点的相对密度， 表面和内部的裂纹、缺陷等均会影响发泡后制品的孔径、孔隙率及结构等参数， 进丽影响到泡沫的性能。因此，通过对粉末成形过程的理论分析、物理模型实验 和计算机数值模拟研究粉末的成形规律和致密机制，提高发泡坯质量和模具优化 方法是本课题研究的目的。目前，采用有限元模拟a l 的致密化过程的研究处于起 步阶段，本课题中得出的理论方法对a 1 粉的致密化机理研究有重要意义。 1 3 3 本课题的研究意义 粉未成形是粉末冶金工艺的基本工序之一，是使金属粉末密实成一定形状、 尺寸、空隙度和强度坯块的过程。粉末冶金材料塑性成形工艺作为新型高性能粉 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 未冶金材料制品生产工艺，受到了粉末冶金工业界的高度重视。粉末冶金材料精 密塑性成形技术如粉末锻造、粉末温压、粉末挤压、等静压制、注射成形等是粉 末冶金技术、塑性技术和精密成形技术的交叉和复合，并综合了他们的优点，成 为当今材料科学与工程领域的先进制造技术和研究开发的重要方向之一。 粉末材料是由大量颗粒构成的，其中含有一定的孔隙，是一个非连续体。这 种非连续体的变形是一个非常复杂的过程，需要以各个颗粒的变形以及各颗粒之 间的协调关系来研究其整体变形，即粉末材料的塑性变形与致密问题j 。由于目 前非连续介质力学的基础还很不完善，对粉末材料的塑性变形理论的研究还很欠 缺。因此加强对粉末材料塑性变形过程的研究，掌握粉末材料的变形规律，研究 粉末塑性成形的工艺优化方法将是十分必要的。 然而，粉末材料成形过程是一个非常复杂的过程。涉及到许多参数，如粉末 材料各种成分及其含量、模具的种类、形状、温度、压力等。而且粉末塑性加工 的产品种类繁多，其变化规律极其复杂。因此，目前很多企业在粉末成形工艺设 计和模具设计方面，一般都依赖于设计者的经验，采用反复试验即试错法来确定 工艺步骤和模具形状、尺寸。这种方法不仅不能保证加工产品的质量，而且要消 耗大量的人力、物力和时间：更藿要的是对成形过程中许多复杂问题难以考虑， 特别在开发新产品时存在很大的盲目性，设计效率低下。随着现代科学技术和计 算机技术的快速发展，这种反复试验法已越来越不能适应现代化大规模生产的要 求。因此，了解粉末塑性成形过程中各种影响因素的影响作用，掌握粉末塑性成 形的变形规律，改进工艺优化设计方法，提高工艺设计效率，提高产品质量，就 成为粉末塑性成形理论必须研究的重要问题。 舀前，随着计算机技术的快速发展和相关科学理论的逐步完善，以数学、力 学为基础，以计算机为工具的现代数值分析方法逐渐在材料塑性成形理论中起到 越来越重要的作用。采用计算机有限元模拟来对粉末材料成形过程进行模拟就成 为了一种有效的设计方法。在粉末成形方面用的比较多的是铁粉和铜粉等，铝粉 引起变形抗力小，塑性好。很少用于粉末成形，本实验是通过粉末成形使其变成 较均匀、密度较高且含有t j j 也的坯料，使坯体发泡面得到泡沫铝，这个过程的 数值模拟国内外研究还不多。通过有限元模拟，可以得到粉末成形过程中的所有 宏观力学参数、变形参数以及工件中的应力应变分布、密度分布、温度场、速度 场、粉末颗粒流动规律等，将整个实际生产过程都模拟出来。通过有限元数值模 拟可以观察到在成形过程中会有哪些问题出现，哪些部位需要重点观察，并提出 改进措施，从而做到了早期评价，可及时改进加工过程，优化工艺参数。快速有 8 昆明理工大学硕士论文 第一章绪论 效的确定模具的最终理想形状，提高了生产效率，降低了成本。因此对于认识、 了解粉末材料成形过程，有限元解析将是一种非常切实可行的有效途径。 i 3 , 4 课题研究的内容 ( 】) 系统地研究粉末体及后续烧结可压缩体的塑性成形理论和屈服准则， 建立粉末材料屈服时的应力应变、相对密度、泊松比等的相互关系。重点研究其 屈服准则及其本构方程，并进行描述和分析。 ( 2 ) 运用物理实验研究手段，通过对铝粉压制过程和坯体压缩等试验，确 定模拟过程中所需要的若干参数，并参照资料查找不易褥至4 鳃摸拟参数。 ( 3 ) 通过m a r c 有限元软件，运用粉末大变形弹塑性有限元法对摇实粉末的 单向和双向压制过程进行数值模拟，研究粉末压制过程中静变形和致密规律。 ( 4 ) 通过d e f o r m 有限元软件，运用烧结可压缩体的刚塑性有限元法，对相 对密度为0 9 的铝粉烧结体的正挤压过程进行数值模拟，研究挤压过程中坯体的 变形、流动和致密规律。 ( 5 ) 通过两个成形过程的数值模拟，设计模其并分析模具参数需要注意和 修改的一些建议。 9 垦塑里三大学硕士论文第二章粉末材料塑性成形基本原理及有限元模拟基本原理 第二章粉末材料塑性成形基本原理及 有限元模拟的基本原理 2 1 粉末压制过程中的相关理论 在粉末冶金的过程中，成形是烧结前的一个主要的工序，随着粉末冶金技术 的不断发展，人们对成形工艺的研究也引起了高度的重视，自从w a l k e r 于1 9 2 3 年提出第一个压制方程以来，许多研究者已相继提出了数十个不同类型的粉末压 制方程其中，应用最广的是b a l s h i n 方程h e c k e l 方程和川北公夫方程t 8 1 。 下面是几种国际上关于粉末压形规律的研究，都选用压制压强的某种函数与 压坯密度的某种函数间的直线规律： 巴尔申： 川北工夫： l g p 与( 1 3 1 ) 上量三 c 。p ( 2 1 ) ( 2 2 ) 黄培云：1 9 1 n 箬生 粤塑与l g p ( 2 3 ) 、p 。一p ) p ， 上面各式中：p 压制压力； 1 3 相对体积，即压坯体积与致密金属体积之比； c 粉末体积减少率； p 压坯密度，g c m 3 ： p m _ 一致密金属密度，g c m 3 ； p 0 _ 一粉末充填密度，g c m s 。 2 2 影响压制过程的因素 2 2 1 粉末物理性能的影响 ( 1 ) 金属粉末本身的硬度和可塑性金属粉末的硬度和可塑性对压制过程 的影响很大，软金属粉末比硬金属粉末易于压制，也就是说，为了得到某一密度 的压坯，软金属粉末比硬金属粉末所需的压制压力要小得多。软金属粉末在压缩 时变形大，粉末之间的接触面积增加，压坯密度易于提高。塑性差的硬金属粉末 在压制时则必须利用成形剂，否则很容易产生裂纹等压制缺陷。 ( 2 ) 金属粉末的摩擦性能金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大， 一般说来，压制硬金属粉末时压模的寿命短。为了保证得到合格压坯和降低模具 l o 昆明理工大学硕上论文第二章粉末材料塑性成形基奉原理及有限元模拟基本原理 损耗，在压制时通常要添加润滑剂或成形剂。 2 2 2 粉末纯度( 化学成分) 的影响 粉末的纯度( 4 9 学成分) 对压制过程有一定的影响，粉末纯度越高越容易压 制。制造高密度零件时，粉末的化学成分对其成形性能影响非常大，因为杂质多 以氧化物形态存在，而金属氧化物粉末多是硬而脆的，且存在于金属粉末表面， 压制时使得粉末的阻力增加，压制性能变坏，并且使压坯的弹性后效增加，如果 不使用润滑剂或成型剂来改善其压制性，结果必然降低压坯密度和强度。“。 粉末的化学成分对压模的磨损程度影响很明显，例如，在压制泡沫铝时，只 要有少量的氧化铝或氧化硅，压模的磨损就会显著增加。 2 2 3 粉末粒度及粒度组成的影响 粉末的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为是不一致的。一般说来， 粉末越细，流动性越差，在充填狭窄而深长的模腔时越困难，越容易形成搭桥。 由于粉末细，其松装密度就低，在压模中的充填容积大，此时必须有较大的模腔 尺寸。这样，在压制过程中模冲的运动距离和粉末之间的内摩擦力都会增加，压 力损失随之加大，影响压坯密度的均匀分布。 2 2 4 粉末形状的影响 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形的粉 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，生产中所使用的粉末多是不规则形状的，为了改善粉末混合料 的流动性，往往需要进行制粒处理。粉末的形状对压制性能也有影响，不规则形 状的粉末在压制过程中其接触面积比规则形状粉末大，压坯强度高，所以成形性 好，例如，电解法粉末的成型性能比还原法、喷雾法粉末的成形性能优越。 粉末形状对模具的磨损没有特别的影响关系。 2 2 5 松装密度的影响 粉末的松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素。松装密度小时， 模具的高度及模冲的长度必须大，在压制高密度压坯时，如果压坯尺寸长，密度 分布容易不均匀。但是，当松装密度小时，压制过程中粉末接触面积增大，压坯 的强度高却是其优点。 昆明理工大学硕士论文 第二章粉末材料塑性成形基本原理及有限元模拟基本原堡 松装密度大时，模具的高度及模冲的长度可以缩短，在压模的制作上较方便， 亦可节省原材料，并且，对于制造高密度压坯或长而大的制品有利。而在实践中， 具体需要多大的松装密度需视具体情况来定。 2 3 金属挤压过程的主要理论和方法 2 3 1 挤压成形概述 压挤工艺是金属压力加工中采用已久的一项加工技术。这项技术在现代电器 陶瓷、塑料、橡胶工业中也获得广泛应用。压挤工艺在粉末冶金中的应用已有 5 0 多年历史，硬质合金管材最早就是用此法生产的。应用在粉末冶金中的压挤 技术通常称为挤压成形。4 + ”。 粉末挤压成形是指粉末体或者粉末压坯在压力的作用下，通过规定的压模嘴 挤成坯块或制品的一种成形方法。按照挤压条件的不同，可分为冷挤法和热挤法。 粉末冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结荆混合在较低的温度下( 4 0 2 0 0 ) 挤压成坯块。所以，通常又将粉末冷挤法称为增塑粉末挤压成形。粉末热挤 是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热在较高温度下压挤。热挤法能够制取形 状复杂、性能优良的制品和材料。 2 3 2 金属流动与制品的组织性能 研究金属在挤压变形过程中的流动行为具有极为重要的实际意义。挤压制品 的组织、行能、表面质量、外形尺寸和形状精度、成材率、挤压模具的正确设计、 挤压生产效率等，均与金属流动有着十分密切的关系。 挤压变形过程中金属流动行为的研究方法，可以分为解析法和实验法两大 类。解析法有初等解析法( 也称主应力法或平板假设法) 、滑移线法、以上限法 为代表的能量法、有限单元法等；实验法有坐标网格法、视塑性法、高低倍组织 法、云纹法、光塑性法等。这些方法各自具有其他方法所没有的一些特点，适用 于不同的具体研究对象。 2 3 3 正挤压时的金属流动特点 由于生产实践中广泛使用正挤压法，而课题中所模叛的过程也是正挤避过 程，故主要对正挤压时的各挤压阶段的划分和各阶段的金属流动特征加以分析。 按金属流动特征和挤压力的变化规律，可以将挤压过程分为三个阶段。第一阶段 称开始挤压阶段或填充挤压阶段。金属承受挤压轩的作用力，首先充满挤压筒和 模孔；挤压力怠剧直线上升。第二阶段称基本挤压阶段或平流( 稳定) 挤压阶段。 2 昆明理工大学硕士论文第二章粉末材料塑性成形基本原理及有限元模拟基本原理 一般，筒内的锭坯金属不发生中心层与外层的紊乱流动，即锭坯外层金属出模孔 后仍在制品外层，不会流到制品中心。锭坏任一横断面的径向上金属质点，总是 中心部分首先流动进入变形区，外层的流动得较慢，即存在流动不均匀现象。靠 近挤压垫处和模子与挤压筒的交界处，金属尚未参与流动，形成难变形区a 挤压 力随筒内锭坯长度的缩短、表面摩擦力总量减少，几乎呈直线下降。第三阶段称 终了挤压阶段或紊流挤压阶段。此时，筒内金属产生剧烈的径向流动，即紊流。 外层金属进人内层或中心的同时，两个难变形区内的金属也开始向模孔流动，从 而易产生第三挤压阶段所特有的缺陷“缩尾”。此时，工具对金属的冷却作用， 强烈的摩擦作用，使挤压力迅速上升。一般应适时中止挤压过程。 2 3 4 填充挤压阶段金属流动行力 挤压时，因为坯料直径要稍小于挤压简内径因此在挤压轴压力的作用下，根 据最小阻力定律，金属首先向间隙流动，产生墩粗，直至金属充满挤压篱。这一 过程一般称为填充挤压过程或填充挤压阶段。根据锭坯长度与直径之比的大小， 填充时会出现单鼓形或者双鼓形。由于填充挤压时坯料头部的一部分金属未经变 形或变形很小即流入模孔，导致挤制品头部组织性能很差，一般的挤制品均需切 除头部。填充系数越大或挤压比越小，所需切头量就越大。 2 3 5 基本挤压阶段金属流动行为 基本挤压阶段是从金属开始流出模孔到正常挤压过程即将结束时为止。在此 阶段，当挤压工艺参数与边界条件无变化时，睫着按压的进行，正挤压的挤压力 逐渐减少，而反挤压的挤压力则基本保持不变。这是因为正挤压时的坯料与挤压 篱壁之闻存在摩擦阻力，随着挤匝过程的进荦亍，坯料长度减少，与挤压篱壁之闻 的接触摩擦面积减少，因而挤压力下降：而反挤压时，由于坯料与挤压筒之间无 相对滑动，困面摩擦阻力无变纯。 影响挤压时金属流动的因素有很多，例如挤压方法、制品的形状与尺寸、合 金种类、模具结构与尺寸、工艺参数、润滑条件等。由予变形方式与工模其结构 等固有特点，挤压时变形不均匀是绝对的，均匀是相对的。一般地说，较好的流 动均匀性对应于较好的变形均匀性，但即使是静液挤压时拘情形，虽然金属流动 均匀性是各种挤压方法中最好的，而沿着制品的长度方向和半径方向，变形仍然 是不均匀的8 + “。 a 制品的形状与尺寸。一般而言，当其他条件相同时，棒材挤压比型材挤 压时金属流动均匀，而采用穿孔针挤压管材时的金属流动比挤压棒材时的金属流 昆明理工大学硕士论文第二章粉末材料塑性成形基本原理及有限元模拟基本原理 动均匀。对称度越低、宽高比越大、壁厚越不均匀、比周长越大( 断面越复杂) 的型材，挤压时金属流动的均匀性就越差。 b 挤压方法。挤压方法对金属流动均匀性的影响，有通过外摩擦的大小不 同而产生影响的，也有些则是不同挤压方法金属