（材料学专业论文）铜基粉末压制成形过程的数值模拟与实验研究.pdf

铜基粉末压制成形过程的数值模拟与实验研究 摘要 本文采用有限元模拟软件m s c m a r e 对铜基粉末的压制成形过程进行数 值模拟研究。在研究过程中建立了二套粉末体压制成形过程中摩擦系数变化曲 线的测试装置，通过该装置得到了铜基粉末压制成形过程中的摩擦系数变化曲 线，并将其成功导入到有限元模拟分析的模型中。 有限元模拟结果表明：铜基粉末成形过程中模壁摩擦作用导致的粉末颗粒 位移滞后现象决定了压坯最终的相对密度分布状况，粉末的位移变化规律与压 坯的密度分布相似，降低压制速度可以明显改善弹性后效导致的压坯变形和密 度下降等不利现象。 通过二维有限元模型分析了铜基粉末压制成形过程的主要影响因素，研究 结果表明：润滑条件的改善可以明显减小粉末颗粒位移滞后现象带来的不利影 响；粉末的高径比h d 1 5 时， 其密度分布均匀性较差，尤其是h d 4 时，密度分布差异过大，易造成粉末体 压坯密度薄弱处的开裂甚至坍塌；增加压制速度易使压坯密度分布不均；压制 方式的转变可以改变压坯密度的分布状况，双向压制比单向压制可获得到更均 匀的压坯；压制结束后的保压一定时间可以给很好地降低弹性后效带来的负面 影响；脱模方式也会影响压坯密度的均匀性，顶出式脱模比压下式脱模更合理。 针对圆筒形铜基粉末冶金制品的生产工艺进行了深入的模拟研究分析，建 立了9 种不同的压制工艺方案，并对其成形影响因素进行分析。研究结果表明： 双向压制时，采用相同的上下模冲压制速度，得到的压坯均匀性较好。采用带 浮动芯棒的双向压制时，上下模冲压制速度比值为l o 1 的时侯，得到的压坯密 度分布比上下模冲速度相同时要均匀很多。采用带浮动芯棒的单向压制时，其 模具内壁的摩擦作用是有害的，芯棒外壁的摩擦作用则有利于得到密度分布均 匀的压坯，但是芯棒外壁过于粗糙也会使得压坯密度均匀性下降。 关键词：铜基粉末；压制成形；摩擦系数；数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho f c o p p e r - b a s e dp o w d e rc o m p a c t i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，m s c m a r es o f t w a r e ，af i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ew i t ha g o o dp e r f o r m a n c ei nt h ef i e l do fn o n l i n e a ra n a l y s i s ，w a su s e dt o s i m u l a t et h e c o m p a c t i n gp r o c e s so ft h ec o p p e r - b a s e dp o w d e r at e s t d e v i c et om e a s u r et h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g ec u r v e si nt h ec o p p e r b a s e dp o w d e rc o m p a c t i n gp r o c e s s w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec u r v e sw e r ei m p o s i n gi n t ot h ef o l l o w i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i v ed e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h e g r e e nc o m p a c tw a sd e t e r m i n e db yt h ed i s p l a c e m e n tl a ge f f e c ti n d u c e db yt h ed i e w a l lf r i c t i o ni nt h ec o m p a c t i n gp r o c e s s r e l a t i v ed e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h eg r e e n c o m p a c th a sas i m i l a r f e a t u r ea st h el a w o fp o w d e r sd i s p l a c e m e n t i nt h e c o m p a c t i n gp r o c e s s w i t ht h er e d u c t i o no f t h ec o m p a c t i n gs p e e d ，t h ed e f o r m a t i o n o fg r e e nc o m p a c ta n dt h ed e n s i t yd e c r e a s ew e r ei m p r o v e do b v i o u s l y w i t ht h ee s t a b l i s h m e n t so ft h et w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l s ，w e f o c u s e do nt h ec o p p e r b a s e dp o w d e rc o m p a c t i n gp r o c e s so ft h em a i na f f e c t i n g f a c t o r s t h er e s e a r c hs h o w e dt h a ti m p r o v i n gt h e l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n c a n s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ea d v e r s ee f f e c t sc a u s e db yt h ep a r t i c l e sd i s p l a c e m e n tl a g e f f e c t ；w h e nt h ep o w d e rb o d yh e i g h t t od i a m e t e rr a t i oh d _ i 5 ，i t s d e n s i t yd i s t r i b u t i o ni sp o o r ，e s p e c i a l l yw h e nh d 4 ，t h ed e n s i t yd i f f e r e n c e i ss o l a r g et h a ti ti sl i k e l yt oc a u s ew e a k n e s so ft h eg r e e nc o m p a c tc r a c k i n go re v e n c o l l a p s e ；t h eh i g h e rc o m p a c t i n gs p e e di se a s yt og e tag r e e nc o m p a c tw i t hm o r e u n e v e nd e n s i t yd i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m a t i o no ft h ec o m p a c t i n gm o d ec a nc h a n g e t h ed i s t r i b u t i o no fd e n s i t y ，b i - d i r e c t i o n a lc o m p a c t i o ni sb e r e t t h a no n e 。w a y c o m p a c t i o nt og e tm o r eu n i f o r i l lc o m p a c t s a f t e rt h ec o m p a c t i o no f t h ep o w d e r , p a c k i n gac e r t a i nt i m ec a n 。g i v eag o o dr e d u c t i o ni nt h ea d v e r s e e f f e c t so ft h ee l a s t i c a f t e r e f f e c t r e a s o n a b l es t r i p p i n gm o d ec a ng i v es o m eh e l pt og e tac o m p a c to t a u n i f o r md e n s i t yd i s t r i b u t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt o p o u ts t r i p p i n gm o d e1 5m o r e r e a s o n a b l et h a nt h ed e p r e s s e dt y p e 。 t h et h e s i sf o c u s e do nt h ec y l i n d r i c a lp o w d e rm e t a l l u r g yp r o d u c t sa n dh a da i n d e p t ha n a l y s i s o nt h e i rp r o d u c t i o np r o c e s s e s w ee s t a b l i s h e dn i n ek i n d so f d i f f e r e n tp r o g r a m st o s t u d yt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r o d u c t sc o m p a c t i n g p r o c e s s e s t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h eb i d i r e c t i o n a lc o m p a c t i o n ，w i t ht h es a m e u p p e r - l o w e rc o m p a c t i n gs p e e d ，c o u l dg e tb e t t e ru n i f o r m i t yo ft h eg r e e nc o m p a c t u s i n gb i d i r e c t i o n a lc o m p a c t i o nw i t hf l o a t i n gm a n d r e l ，t h eu p p e r l o w e rc o m p a c t i n g s p e e dr a t i o i s 10 1 ，c o u l dg e tt h eg r e e nc o m p a c tw i t hm o r eu n i f o r md e n s i t y d i s t r i b u t i o nt h a nt h eb i d i r e c t i o n a l c o m p a c t i o nw i t h t h es a m e u p p e r 1 0 w e r c o m p a c t i n gs p e e d u s i n go n e w a yc o m p a c t i o nw i t haf l o a t i n gm a n d r e l ，i t sd i e w a l l f r i c t i o ni sh a r m f u l ，t h ef r i c t i o no ft h em a n d r e li sb e n e f i c i a lo nt h ec o m p a c t sd e n s i t y d i s t r i b u t i o n h o w e v e r ，t o om u c hr o u g h e rs u r f a c eo ft h em a n d r e la l s om a k e st h e u n i f o r m i t yo ft h eg r e e nc o m p a c td e c r e a s e d k e y w o r d s ：c o p p e r b a s e dp o w d e r ；c o m p a c t i o n ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 压制力与压坯密度的关系7 图2 2 离散元法的单元分类1 l 图2 3 离散有限元法中的颗粒1 1 图2 4 有限元与离散元法的结合1 l 图2 5h k i t a h a r a 等基于分子动力学法对非球形磁性颗粒压制的模拟1 2 图2 6 陈普庆建立的孔洞模型1 2 图3 1m e n t a t 与m a r e 求解器的关系示意图1 4 图3 2m s c m a r e 软件分析的基本流程1 5 图3 3m s c m e n t a t 前后处理器的动态菜单区1 6 图3 4 铜粉压制成形数值模拟的模型1 7 图3 5 泊松比与相对密度的关系1 7 图3 - 6 真实应力与真实应变的关系1 7 图3 7 接触算法流程1 8 图3 8 无穿透接触约束1 9 图3 - 9 可变形接触体接触段片的解析描述2 0 图3 1 0 刚性接触体的定义2 1 图3 1 1 可变形接触体滑出刚性接触体2 1 图3 1 2 非零初速度刚性接触体的自动接触：。2 2 图3 1 3 接触面附近的接触距离容限2 2 图3 1 4 发生接触穿透2 3 图3 1 5 偏斜系数大于o 的接触距离容限设置2 4 图3 1 6 二维轴对称模型中的边界条件的定义2 4 图3 1 7 迭代过程中残差与位移的变化2 6 图3 1 8 收敛准则的定义j 2 8 图4 1 静摩擦力与滑动摩擦力间的突变3 0 图4 2 修正后的摩擦模型3 0 图4 3 摩擦系数测试装置图3 2 图4 - 4 摩擦系数测试装置示意图3 2 图4 5 测试装置中的压力传感器3 2 图4 6 摩擦系数测试原理示意图3 3 图4 7 系统误差消除示意图：3 4 图4 8 无润滑时不同压力下摩擦系数曲线3 4 图4 - 9 不同压力、润滑条件下的摩擦系数3 5 图5 1 铜基粉末不同增量步下的密度分布云图3 8 图5 - 2 生坯的轴向位移变化量3 9 图5 3 粉末体不同径向截面的粉末位移一4 0 图5 4 弹性后效导致的密度差异4 1 图5 5 不同压制速度下的弹性后效分析4 2 图5 - 6 二维有限元分析模型一4 2 图5 7 不同润滑情况下的压坯密度分布云图4 3 图5 8 不同高径比下压坯的密度分布云图4 4 图5 - 9 不同压制速度下压坯的密度分布云图4 5 图5 1 0 不同压制方式下的密度分布云图4 6 图5 1 1 不同保压条件下的弹性后效4 7 图5 1 2 不同脱模方式下的密度分布云图4 8 图6 1 铜基圆筒粉末冶金制品成形过程中的密度变化云图5 0 图6 2 方案一得到的压坯相对密度分布云图5 2 图6 3 方案二得到的压坯相对密度分布云图5 2 图6 4 方案三得到的压坯相对密度分布云图5 3 图6 5 方案四得到的压坯相对密度分布云图5 3 图6 - 6 方案五得到的压坯相对密度分布云图5 4 图6 7 方案六得到的压坯相对密度分布云图5 5 图6 8 方案七得到的压坯相对密度分布云图5 5 图6 - 9 方案八得到的压坯相对密度分布云图5 6 图6 1 0 方案九得到的压坯相对密度分布云图5 7 表格清单 表2 1 粉末压制的理论公式或经验公式8 表2 - 2 一些常见的金属粉末的屈服准则1 0 表6 - 1 圆筒形粉末冶金制品的压制方案5 l 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及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金起王些盔堂 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 的说明并表示谢意。 箨蒋岬 一期删。年乒棚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金艘王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲播岬 导师签名：夕争么 签字日期：沙1 9 年乒, e l 仞佰 签字日期：矽，口年v 月，万e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在本论文即将完成之际，首先要感谢我的导师李云副教授和吴玉程教授。 本论文的工作是在二位导师的悉心指导下完成的。李老师平易近人、和蔼可亲 的风格总能在我迷茫的时候给我带来无尽的温暖。吴老师常教导我们要对自己 的未来要有详细的规划，要时刻做一个有准备的人，这些话语至今常萦绕在我 耳旁，时刻鞭策着我，敦促我不断前进! 本文实验过程以及论文成稿过程中还 得到了合肥工业大学摩擦所焦明华老师的大力帮助，焦老师严谨的治学态度和 敏锐的思维方式让我记忆犹新! 在此，谨向三位恩师致以我最衷心的感谢和最 崇高的敬意! 本文实验过程中还得到了合肥波林新材料有限公司和合肥工业大学摩擦所 的俞建卫老师、田明老师和柏厚义师兄的悉心指导和帮助! 课题组的黄新民老 师、王文芳老师、郑玉春老师和舒霞老师也都给予了我很大的帮助和启发，对 我的科研工作起到了很大的推动作用。在此一并表示我最真诚的谢意! 感谢我的师兄汪峰涛、王德广、宋林云、王法斌、洪雨、任阔、黄林、王 海龙和师姐任蓉、鲁香粉、张萍、等! 感谢我的同学王兵、张志海、马志伟、 陈娜娜、宋影影、秦永强、王岩、王丽利、刘洪杰、江沣、王建峰、王文龙! 感谢我的室友张春基和李鹏! 感谢我的师弟师妹们! 感谢他们在两年多的时间 里对我的关照、帮助和支持! 感谢我的父母、我的外公外婆、我的亲朋好友和我的女朋友张婷长期以来 对我的关心、支持和理解! 没有他们的鼓励和支持，我无法完成现在的硕士学 业! 最后，感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友! 感谢评委组老师为 评阅本论文而付出的宝贵时间和辛勤劳动! 作者：蒋卿 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 粉末冶金技术是门重要的材料制备与成形技术，可以用来解决高科技、 新材料等问题【1 1 。用粉末冶金的方法能够生产普通的熔炼法所无法生产的具有 特殊性能的材料，比如利用金属和金属、金属和非金属之间的组合效果生产的 具有各种特殊性能的材料和各种用途的复合材料【2 1 。 1 1 引言 粉末冶金技术这种少切屑、无切屑的新工艺具有高效、节能、高精度、近 净成形和无污染或少污染的特点。其地位和作用在制造业中是不可替代的。目 前，粉末冶金产品已经普遍应用于机械、冶金、化工、航空航天等领域，尤其 是近年来随着汽车工业的大力发展，汽车上使用的粉末冶金零部件日趋增多， 更使得粉末冶金工业得到了前所未有的发展机遇，其市场前景非常广阔。据资 料显示，2 0 0 6 年中国的粉末冶金产品生产总量达到8 8 0 0 0 吨左右，相比前一年 增加了1 7 5 。这些统计出来的数据主要包括了铁基、铜基粉末零件、含油的 自润滑轴承和摩擦材料等类别。统计数据中，汽车市场的粉末冶金零件用量最 大，大概为3 2 0 0 0 吨左右。2 0 0 7 年全球汽车产量为7 3 0 7 2 万辆，比前一年同 期增加了5 1 。排在前5 位的依次是日本、美国、中国、德国和韩国。日本 已经连续两年占据首位，达1 1 5 9 6 万辆，占全球汽车产量的1 5 8 7 。亚军为美 国，达1 0 7 5 1 万辆，同比减少4 5 ；第三位是中国，产量达8 8 8 2 万辆，比去 年同期增加2 2 ，占全球总量的1 2 1 6 【3 】。2 0 0 8 年由于全球金融危机的影响， 汽车行业一度面临倒闭、减产的尴尬境地，使得粉末冶金产业也受到了非常大 的影响。但是进入2 0 1 0 年以来全球粉末冶金工业正缓慢恢复，2 0 1 0 年将比2 0 0 9 年好。预计2 0 10 年北美轻型车产量将增加到1 0 0 0 万辆，2 0 1 1 年将恢复到1 2 0 0 1 4 0 0 万辆。而且，随着粉末冶金工业与汽车制造厂技术人员的广泛合作，汽车 制造业将采用更多粉末冶金零件。 有数据表明，在发达国家中，汽车产业消耗的粉末冶金制品占粉末冶金制 品总产量的比例最高。该比例在美国约为9 0 ，欧洲则为8 0 。我国由于汽车 产业起步较晚，该比例值尚不足4 0 。在欧洲，每辆汽车使用的粉末冶金制品 约为1 4 k g ，日本约为1 6 k g ，美国用量最高，约为1 9 5 k g ，且未来几年很可能会 增加至i 1 2 2 k g 左右。但我国目前的情况只有5 k g 左右。未来中国市场的汽车年产量 假如按9 0 0 万来计算，那么全年汽车零件的钢铁粉末用量将达到4 5 万吨左右。 假如我国汽车企业使用的粉末冶金产品平均量达到欧洲水平左右，那么全年的 钢铁粉末就需要近1 2 6 万吨。由此看来，我国汽车粉末冶金零件产品市场潜力 巨大，未来可能将呈井喷式增长。 粉末冶金铁基、铜基制品的应用范围很广【4 巧】，例如机械加工，汽车制造， 拖拉机制造，机床制造，纺织机械，机车制造，造船，冶金矿山机械，电机制 造，精密仪器，电器和电子工业，五金和办公用具，医疗器械，化学工业，石 油工业，军工，航空航天和火箭，原予能工程，无线电和电视及计算机工业等。 国家发改委新修订的产业结构调整指导目录( 2 0 0 7 年本) ，鼓励发展节能环保 型汽车鼓励发展汽车轻量化技术。根据国家的发展蓝图和产业结构调整指导， 粉末冶金是国家鼓励的项目，粉末冶金制品是典型的净终形制造技术，其节能、 省材、环保、经济、高效等诸多优点，被汽车等各行业所认知。粉末冶金零件 不但可以替代铸铁件、锻钢件、切削加工件等，可大大降低生产成本，而且可 减轻零件重量，有利于汽车的轻量化。例如：用粉末冶金方法生产的p f ( 粉末 锻造) 连杆。这种连杆比锻钢连杆质量轻1 0 ，成本可减低2 0 。通过扩散粘结 将凸角连接在中空凸输轴上，这不但可减轻质量，而且通过中空轴可进行内部 润滑。再者，粉末冶金行星齿轮架约可节约成本3 0 ，并可改善疲劳强度【4 j 。 更为重要的是，粉末冶金组合零件的发展，标志着这将是只能用粉末冶金技术 制造的一类零件，具有重要的技术经济意义。 粉末冶金由于其技术和经济上的优越性，在国民经济和国防建设中起着非 常重要的作用。美国国家科学基金委员会向美国总统和国会提交的科学展望对 粉末冶金技术曾作了如下论述：“这些技术的出现和发展，将对运输、空间、能 源系统提供大量的经济利益，并且加强美国的工业基础，有可能对美国工业生 产局面产生相当大的冲击。”世界上所有发达国家无不把粉末冶金技术的发展放 在重要地位，美国政府还成立了专门的咨询机构，以定期研究发展战略【6 j 。 综合来讲，国内粉末冶金行业目前的整体技术水平不甚乐观，主要是缺乏 原创性的核心技术，与国际先进水平之间的差距较大。虽然多年来中国的硬质 合金产量一直稳居世界第一，2 0 0 4 年就已经超过1 5 0 0 0 吨，约占当时的世界总 产量1 3 左右。但是，这些粉末冶金产品绝大部分产品都是低端产品，附加值 非常低。因此，提高粉末冶金技术的整体水平，并拓宽其应用范围，使其向着 高技术、高层次的水平发展，是我该行业科技工作者当前的研究重点 7 - 9 1 。 高速发展的汽车工业给粉末冶金技术的发展带来了机遇同时也面对着巨大 的挑战。工业的发展对粉末冶金制品的性能要求日益提高，特别是复杂形状的 粉末冶金零件力学性能。要满足以上要求并扩大粉末冶金零件的应用范围，就 必须实现制品的高性能化，而达到这一目标的最有效的方法就是实现粉末成型 的高致密及高均匀化【i 弘1 3 j 。 1 2粉末成形的数值模拟研究现状 压制成形是粉末冶金工艺过程的第二步工序，也是对粉末制品形状、尺寸 和性能影响最为关键的一道工序，其技术水平的高低对产品的机械性能和尺寸 精度有重要影响，特别是力学性能。该过程中由于摩擦引起的压坯密度分布不 2 均匀和裂纹的产生对粉末冶金零件的最终力学性能影响甚大。生产中常常由于 这些因素导致零件不合要求而报废，由此造成资源的极大浪费。要减少这种浪 费就需要对粉末冶金成形过程的致密化机理进行深入的研究，旨在优化粉末冶 金生产工艺的设计。 由于粉末体模压致密化过程既存在材料物理性能非线性、又存在几何变形 非线性和边界条件非线性，很难用理论解析方法求解 1 4 - 1 6 】。而传统的设计工作 常常是依靠相关工作人员的经验和反复的试模修正来进行的。这种传统方法效 率低、成本过高且不可能在大范围内进行。因此寻求一种新的方法来解决这个 难题变得尤为重要。近年来，随着计算机技术和有限元方法的大力发展，有 限元数值模拟方法正逐渐成为研究这种高度复杂变形过程的有效工具【1 7 以引。采 用有限元数值模拟技术可以获得对粉末变形过程更为微观、全面的认识，正日 益成为研究粉末压制行为最先进有效的手段【1 9 。2 2 1 。与此同时，有许多科研人员 将这一数值模拟技术运用到板材的冷加工成型领域，并获得了很大的成功和效 益。这也大大地推动了数值模拟技术在各工业领域的普及应用1 2 3 - 2 6 j 。 粉末冶金压制成形过程的数值模拟工作始于2 0 世纪后期1 2 。进入2 1 世纪之 后，欧洲国家这方面的科研人员率先开始了这类数值模拟的专门研究工作，使 其国家在粉末冶金行业的数值模拟工作中始终走在世界前列【2 引。起初的数值模 拟工作也是从简单圆柱体零件的模拟开始的，模拟时采用非线性材料模型【2 引。 比如，i a y d m 等人于1 9 9 4 年就用该材料模型，成功地模拟出铝粉的压制成形过 程。对比分析其模拟结果与实验结果之间的吻合度，结果表明仅在模壁处，两 者结果比较吻合。压坯的中心轴线处，两者差异较大。所以i a y d m 等人认为仅 仅考虑粉末体的弹性行为是不够的，不能全面反映出粉末体在成形过程中的变 化。此后，科研人员开始考虑采用塑性材料模型和弹塑性材料模型来开展这方 面的研究工作【3 0 刁1 1 。尤其是塑性材料模型得到了最广泛的应用。 目前采用的比较普遍的建模方法主要有两种，即基于连续介质力学建模方 法和基于非连续介质力学建模方法。从本质来看，粉末在压制初期是非连续体， 可是非连续介质力学的基本理论还不完善，若将粉末体视为非连续体来研究其 变形规律，必然会给问题的解决带来很大的麻烦。采用连续介质力学的方法对 粉末体进行研究是将其视为连续体，即“可压缩的连续体”。这样就可以应用连 续介质力学理论来研究粉末压制成形过程。基于连续介质力学所形成的建模方 法有基于粉末烧结体的塑性力学方法和基于广义塑性力学( 土塑性力学) 方法。 基于非连续介质力学所形成的建模方法有基于密集堆积球形颗粒的微观力学方 法。 近几年还有一种称之为内蕴时间方法的建模方法引起了广泛的关注。该方 法不需明确界定粉末屈服曲面，它是由k c v a l a n i s 在1 9 7 7 年提出的。其思想 是：粉末体内任意一点的即时应力状态是其领域内变形和温度的历史泛函。这 一历史泛函通过内蕴时间来标定，内蕴时间取决于粉末材料的特性和变形程度。 由于内蕴时间模型绕开了一个不是很精确的物理量的屈服点及其相应的屈服面 带来的困扰，因此具有很大的吸引力，但是由于内蕴时间理论尚处于发展中， 以及内蕴时间函数的建立是个难点，而且在粉末压制成形中的应用也是刚刚起 步，因此研究难度较大。 在材料模型的建立之外，重点考虑的是屈服准则和摩擦模型的建立i 2 。3 3 j 。 过去的几十年中，国内外的许多专家学者都在这方面投入了很大的精力和时间， 并取得了众多璀璨的科研成果。这些屈服准则模型的科研成果大多是根据研究 者的姓名来进行命名的。例如，s h i m a 准则、g u r s o n 准则和g r e e n 准则等等。而 摩擦模型的建立主要考虑滑动c o u l o m b 摩擦模型和修正的滑动c o u l o m b 摩擦模 型以及剪切模型。当这些模型都选择好之后，再使用压缩测试获得其材料的真 实应力一真实应变曲线【3 4 1 ，最后在熟练掌握相关有限元模拟软件的基础上将压 制过程简化成相关的有限元模型，并将这些关键的材料模型参数导进之后再开 始进行模拟研究工作。具体的模拟研究工作中还应该考虑润滑条件【35 j 和模冲运 动状况 3 6 1 等压制工艺参数对于粉末冶金制品的性能影响。随着该研究的深入进 行，科研人员开始对一些具有复杂形状的粉末冶金制品进行模拟分析3 7 j 。例如， 华南理工大学的陈普庆博士根据自己推导的力学模型完成了对平衡块和行星齿 轮的模拟研究工作。 然而对粉末冶金压制成形过程的数值模拟仍处在积极的研究当中，还未达 到实用阶段【3 8 】。其主要原因是由于粉末体是非连续体，粉末体在压制过程涉及 到各颗粒间的互相作用、互相影响，是一个非常复杂的变化过程。且目前关于 粉末压制成形的机理也还没有定论，现有的数学模型还不能完全正确的描述真 实的粉末成形过程以及预测缺陷产生原因。因此，很有必要对金属粉末成形理 论进行深入的研究，得到更加精确的数学描述模型，以研究粉末压制过程中的 粉末变形行为。 1 3本文的研究目的、内容及意义 随着粉末冶金工业的快速发展，低附加值的粉末冶金产品将逐渐失去市场 竞争力。生产出质量好、附加值高的粉末冶金制品已经成为了业内企业的必然 选择和科研人员的研究目标。利用计算机辅助设计和模拟可以大大减少实验工 作量，缩短研制与开发的周期，给制造厂家和用户都带来重大效益。有限元仿 真技术有助于减少模具的制作费用和试探性的原型试验费用，降低材料消耗， 减少产品开发成本。有限元仿真技术能够帮助用户了解成形过程中粉末的流动 走向，密度变化和弹性恢复。增强对工艺过程和加工产品的自信，通过改进工 艺达到提高产品质量、降低成本的目的。这将为有限元数值模拟技术在粉末冶 金行业中的实际应用提供有益的参考价值，也为在此领域的科研工作者们解决 4 实际生产中的问题提供一些借鉴。 以往的数值模拟分析主要集中在铁基粉未领域，对铜基粉末的研究较少， 而实际上铜基粉末冶金产品也是一类应用非常广泛的粉末冶金产品。因此，本 文将基于铜基粉末材料，围绕实现上述的迫切需求而开展工作。首先，熟练掌 握有限元数值模拟技术，旨在通过对铜基粉末冶金零件压制成形过程的数值模 拟研究来解决实际模拟工作中常常碰到的疑难问题。并通过分析各成形工艺参 数对于铜基粉末冶金制品密度、形状和精度的影响而总结出这些工艺参数对粉 末冶金产品性能的影响规律。在此基础上全面深入地了解粉末冶金制品的成形 过程，并借此来进行粉末冶金制品加工工艺参数的优化设计。 本研究得到合肥市2 0 0 7 年度科技计划项目( 2 0 0 7 5 4 0 3 8 ) 、合肥市2 0 0 8 年 度应用技术研究与开发项目( 2 0 0 8 2 3 0 2 5 ) 和安徽省粉末冶金工程技术研究中心、 安徽省有色金属材料与加工工程实验室资助支持。 第二章铜基粉末压制成形的理论分析 压制过程是铜基粉末冶金制品生产的第二个工序，也是对粉末冶金产品最 终性能影响最大的一道关键程序。压制结束后，金属粉末体压坯将具有一定的 形状、尺寸和密度。压制成形主要包括普通模压成形和特殊成形【2 】，本文主要 研究普通模压成形。普通模压成形是将粉末颗粒装入压模模腔内，通过压制冲 头对粉末体进行加压。压制结束后，压坯将从阴模内被挤出。普通模压成形过 程中，粉末颗粒间和粉末与模壁之间均存在一定的摩擦作用，使得成形过程中 粉体内各部分受到的压制力存在一定的不均匀性，并由此产生一系列复杂的现 象。得到的压坯，其密度、强度分布也都不均匀。为了合理地制定压制工艺参 数，就需要对压制过程进行深入的研究。 2 1压制成形过程的分析 压制力通过上模冲作用在粉末体之后分为两部分，一部分用来使粉末产生 位移、变形和克服粉末的内摩擦，这部分力称为净压力，通常以p l 来表示；另 一部分，是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力，这部分称之为压力损失， 通常以p 2 表示。因此，压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和，即g p = p i + p 2 粉末装入模腔后，由于表面不规则，粉末颗粒彼此之间开始相互搭架形成 一种搭桥现象。 当压制力开始作用在粉末体上之后，这种搭桥现象被破坏，粉末体开始发 生位移。这种位移现象非常复杂，能同时发生几种位移。在发生位移的同时， 粉末体还发生变形，这种位移加变形的同时发生使得粉末体在压制初期体积大 大减小。粉末体的变形包括弹性变形、塑性变形和脆性断裂。铜粉的压缩试验 指出，发生塑性变形所需要的单位压制压力大约是该材质弹性极限的2 8 到3 倍。 随着压制的继续进行，粉末体中空气快速逸出，孔隙度急剧下降，压坯逐 步致密化，压坯的强度也逐渐增加。导致压坯强度增加的微观原因有两点：( 1 ) 压制成形过程中，外形不规则的粉末颗粒在压制力的作用下开始互相咬合、楔 住，这种机械的啮合使得粉末体的强度急剧增加，是压坯强度增加的主要原因 之一。( 2 ) 物理学知识表明，通常情况下构成物体的原子之间处于力的平衡状态。 当原子间距离大于平衡状态时，原子间将产生吸引力。金属粉末颗粒也一样， 压制力的作用使得金属颗粒彼此贴近，当不同颗粒的金属原子之间的距离大于 平衡状态时，金属原子问也将表现出吸引力。这部分吸引力也是粉末压坯具有 强度的原因之一。综上所述，两种因素均是导致粉末体压坯具有强度的原因， 其中机械啮合作用是主因。 6 2 2 压制力和压坯密度之间的关系 粉末体的压制成形过程中，伴随着压制力的逐步增加，粉末体压坯的密度 变化也表现出一定的规律性，如图2 1 所示。其变化过程通常可以分为三个阶 段。第一阶段内，由于压制初期粉末体内孔隙很多，粉末体在较小的压制力作 用下即发生位移快速填充孔隙，压坯的密度增加很快。这个阶段可称之为滑动 阶段。第二阶段内，粉末体已经不再如之前那样松散，而是密实成具有一定密 度的块体。这一阶段虽然压制力仍然在增加，但是粉体内的空气已很少，孔隙 度降低得很慢，粉末体压坯的密度变化不大。第三阶段内，粉末体经过第二阶 段的积累之后，压制力已经超过了粉末颗粒的弹性极限，这些粉末颗粒随即开 始发生塑性变形。使得粉末体体积继续降低，密度开始进一步增加。 越 糖 掏 日 ，一一7 ，b夕 】h 成形压力 图2 1 压制力与压坯密度的关系 随着粉末冶金技术的发展，成形工艺的研究引起了人们的重视，但是有关 粉末体压制成形过程的理论研究目前为止仍无定论。自1 9 2 3 年以来，国内外许 多专家学者都对粉末体成形过程展开了深入的理论研究，并取得了丰富的成果， 包括各种理论公式或者经验公式的建立。其中影响比较广泛的有巴尔申、川北、 艾西和黄培云方程式。这些公式如表2 1 所示： 7 表2 - 1 粉末压制的理论公式或经验公式 作者名称公式注解 汪克尔 = 缸一k 2l g p 巴尔申 川北 艾西 等：却一= 一， d b 1 1 9 p 雠一l g p = z ( p - 1 ) l g p 麟一l g p = m l g j 3 c ：型生 1 + 卯 秒= o o e 一留 l g l n 导i 尝：地p - l g m k p m p ) p o k 1 ，k 2 一系数 p 一压制压力 卜相对体积 p m 。x 一相对于压至最紧密状态( p = 1 ) 时的单位压力 l 一压制因素 m 一系数 卜相对体积 c 一粉末体积减少率 a 、卜系数 e 一压力p 时的孔隙度 0 0 一无压时的孔隙度 卜压缩系数 p m 一致密金属密度 p r 压坯原始密度 p 一压坯密度 黄培云 p 一压制强度 肌l g l l l 挈蔓业：l g 尸一l g mm 一相当于压制模数 【几- p ) p o n 一相当于硬化指数的倒数 分析证明大多数情况下，巴尔申方程用于硬粉末效果比软粉末好。川北方 程在压制力不大的时侯比较优越。艾西方程适用于一般粉末。黄培云的双对数 方程式不论对软粉末或硬粉末适用效果都比较好。 2 3 金属粉末材料的力学建模 对金属粉末压制过程的力学建模，先要建立合适的粉末材料屈服准则，目 前对于金属粉末压制过程的力学模型包括g r e e n ，k u h n ，g u r s o n ，s h i m a ，d o r a i v e l u ，f k m 模型，这些模型有着比较扎实的理论基础，许多对粉末成形展开的数 值模拟工作都是采用以上几种力学模型来完成的【3 9 q 7 1 。 目前国内外粉末冶金研究工作者们的建模思路主要有3 种：金属塑性力学 方法；广义塑性力学方法( 土塑性力学方法) 和微观力学方法。其中金属塑性 力学方法和广义塑性力学方法是在连续介质力学的基础理论之将粉末体看成是 可压缩的连续体而建立的，这是研究粉末成形的主流建模思路。微观力学方法 是在非连续介质力学的理论基础之上建立的。 2 3 1 金属塑性力学方法 金属粉末体塑性加工工艺( 粉末锻造、粉末挤压、粉末轧制等) 的发展， 使得粉末体的塑性理论研究得到了很大的提高【4 8 1 。该理论研究将粉末体视为可 变形的连续体介质，旨在通过连续体塑性力学的理论来分析粉末体在成形过程 中的变化。粉末体塑性力学理论的主要内容之一就是建立相应的屈服准则。由 于粉末体变形过程比较特殊，在建立其屈服准则时需要将粉末体的体积变化、 流动应力与相对密度的关系和静水应力对其屈服的影响均考虑进去1 4 引。 近几十年以来，国内外许多学者对粉末体的屈服准则进行了研究并提出相 关理论，这些理论都是从经典的v o nm i s e s 理论引申而来，建立的屈服准则在 形式上也是大同小异，可以写成如下通式： a j ：+ b j j = 戳= y ： 式中：a 、b 、6 是与材料相关的参数，是相对密度的行数，一般认为a = 3 ( 1 - b ) 。 、形分别为第一应力张量不变量和第二应力偏张量不变量，g o 是基体材料的 流动应力，只是相对密度为p 时的烧结体屈服应力。不同屈服模型其数值不同。 当相对密度趋于1 的时候，这些屈服准则就趋于经典的致密金属的m i s e s 屈服准 则。一些常见的金属粉末的屈服准则如表2 2 所示i 5 叭。 事实上，这些屈服准则由于各自的假设前提不一样以及理论上存在的一些 缺陷或是由于形式过于复杂，在实际运用中的并不多，其结果与实际情况也存 在一定的差异。经过验证，d o r a i v e l u 准则、l e e 准则以及k i m 准则与实验结果较 为接近，有一定的实际运用价值。 9 表2 - 2 一些常见的金属粉末的屈服准则 2 3 2广义塑性力学方法( 土塑性力学方法) 金属粉末与土壤粉末具有一定的共性，二者均有体积可变性。基于此，许 多研究学者纷纷考虑将土塑性力学理论应用到金属粉末的压制过程分析中，并 取得了一定的成绩，拓宽了土塑性力学理论的应用范围。这些基于土塑性理论