（材料加工工程专业论文）功能陶瓷低电压电磁压制的成形机制及模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 功能陶瓷制备过程中的粉末成形环节，对功能陶瓷制件的性能起着决定性 的作用。我校继成功地将低电压电磁压制应用于金属粉末压制后，再一次率先 将该工艺引入到功能陶瓷粉末的压制上。通过实验研究表明，该工艺能够有效 地制备功能陶瓷，并且所得试样的性能明显高于传统静力压制所得的试样。然 而，由于该工艺需涉及电路、电磁场以及结构三个物理场，成形参数较多，单 纯地依靠实验分析来获取各种成形参数对试样性能的影响规律成本较高。针对 上述问题，本文利用有限元分析软件a n s y s ，针对间接加工模式下的功能陶瓷 粉末低电压电磁压制进行模拟研究，对该工艺所涉及的电路、电磁场以及粉末 压制三个方面，分别进行了较为系统的模拟研究，考察了各种成形参数对粉末 压制结果的影响规律。 在电磁压制放电电路的模拟分析中，基于电磁学理论建立了放电过程的微 分方程，对电路作了定性的分析；通过对实验参数的模拟，求解出实验过程中 线圈上的载荷电流。此外，通过模拟的手段，分析了各种电路参数对放电电流 波形的影响。 在电磁压制电磁场的模拟分析中，采用数值分析和推导的方法获取了压制 过程的电磁压力的表达式；利用软件模拟的方法，计算得出实验过程中电磁压 力的分布规律；并基于模拟结果，探讨了电路、结构参数对电磁压力的影响规 律。 在粉末压制的结构分析中，采用d r u c k e r - p r a g e r 材料对粉末材料进行建模， 通过设置结构性能参数和动力学参数对压制进行模拟，得到了压制后试样的各 种性能参数。并针对模拟结果，分析了粉末成形后的应力状态以及压制成形过 程中各种粉末体的运动状态( 包括位移场、速度场和加速度场) ，以及电压、电 容参数对粉末体运动状态的影响。 通过大量的模拟计算，对比分析了实验数据与模拟结果，验证了计算机模 拟的正确性。利用模拟与实验相结合的方法，分析了各种成形参数对试样密度 影响的机理，并揭示了这些参数对试样密度的影响规律。 关键词：功能陶瓷，电磁压制，有限元，粉末 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w d e rc o m p a c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no f f u n c t i o nc e r a m i c ，w h i c hm a k e sd e c i s i v ee f f e c tt ot h ep r o p e r t i e so fp r o d u c t s a f t e r a p p l y i n gt h et e c h n o l o g yo fl o w - v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o ni n t om a k i n g m e t a lp o w d e rp r o d u c t s ，w et r i e dt oi n t r o d u c et h i st e c h n o l o g yi n t ot h ec o m p a c t i o no f c e r a m i c sp o w d e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt o p r e s st h ec e r a m i c sp o w d e re f f i c i e n t l y , a n di m p r o v et h ep r o d u c t sp r o p e r t i e s w h i l e ， t h i sm e t h o dr e f e r st ot h r e ep h y s i c a lf i e l d s ，i n c l u d i n gc i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i s ma n d s t r u c t u r e ，t h e r ea r es om a n yp a r a m e t e r si nt h ec o m p a c t i o np r o c e s s ；o n l yw i t ht h e m e t h o do fe x p e r i m e n tt og e tt h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e ro ns a m p l e sp r o p e r t i e si s n o te c o n o m i c a l t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sa r t i c l eu s e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y st os i m u l a t et h ep r o c e s so fl o w v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n o nf u n c t i o n a lc e r a m i c sp o w d e ri nt h em o d eo fi n d i r e c tw a y a c c o r d i n gt ot h et h r e e p h y s i c a lf i e l d sd u r i n gt h ec o m p a c t i o n ，t h ew h o l e s i m u l a t i o na l s oc o n t a i n st h r e ep a r t s ； w i t ht h es y s t e m i c a l l ya n a l y s i so fe a c hp a r tt od e t e c tt h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e r o nt h ec o m p a c t i o nr e s u l t s h 1t l l ea n a l y s i so ft h ec i r c u i t 。t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo f e l e c t r o m a g n e t i s mh a db e e ne s t a b l i s h e d ；t h ec i r c u i tq u a l i t a t i v e l yh a db e e na n a l y z e d ， a n dt h ec u r r e n to nt h ec o l li nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n th a db e e nc a l c u l a t e d m o r e o v e r , b yt h em e a n so fs i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fc i r c u i tp a r a m e t e r so nt h e c u r r e n tw a v ew e r ei n v e s t i g a t e d 。d u r i n gt h ea n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i s m ，w eo b t a i n e c lt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e e x p r e s s i o nt h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s ；b yt h es i m u l a t i o n ，w eg o tt h ed i s t r i b u t i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，f u r t h e r m o r ew ea l s od i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fc i r c u i ta n d s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ne l e c t r o m a g n e t i cf o r c e w i t ht h ea n a l y s i so fs t r u c t u r e ，d r u c k e r - p r a g e rm a t e r i a lo p t i o nh a db e e nu s e dt o e s t a b l i s ht h ef u n c t i o nc e r a m i cp o w e rm a t e r i a lm o d e l i n g ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e p r o p e r t i e sa n dd y n a m i cp a r a m e t e r s ，t h ec o m p a c t i o np r o c e s sh a d b e e ns i m u l a t e d a f t e r o b t a i n i n gt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ，t h es t r e s si nt h ep r o d u c t sh a da n a l y z e d ，t h e l o c o m o t i o n so ft h ep o w d e re l e m e n td u r i n gt h ec o m p a c t i o n ( i n c l u d i n gd i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t y , a n da c c e l e r a t i o n ) h a db e e nd i s c u s s e d ，a n dt h e i n f l u e n c eo fv o l t a g ea n d u 武汉理工大学硕士学位论文， c a p a c i t a n c eo nt h ep o w d e re l e m e n t sl o c o m o t i o nh a db e e na n a l y z e di na d d i t i o n t h r o u g h ag r e a ta m o u n to fs i m u l a t i o n s ，w ec o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t h t h ee x p e r i m e n td a t a ，a n dv a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n i na d d i t i o n ， a s s o c i a t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a ，w ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c e o fe a c hm o l d i n gp a r a m e t e ro np r o d u c t sd e n s i t y , a n de x p o u n d e dt h ei n f l u e n c eo ft h e s e p a r a m e t e r so nt h ep o w d e rp r e s s i n gd e n s i t y k e y w o r d s ：f u n c t i o nc e r a m i c s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n ，f i n i t ee l e m e n t ，p o w d e r i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 功能陶瓷作为电子信息、集成电路、计算机、通信广播、自动控制、航空 航天、海洋超声、激光技术、精密仪器、机械工业、汽车、能源、核技术和医 学生物学近代高新技术领域的关键材料，已广泛应用于能源开发、空间技术、 电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科 学等诸多方面。随着材料设计理论的发展和制各技术上的创新，功能陶瓷正朝 着高效能、高可靠、低损耗、高灵敏、智能化和功能集成化方向发展，是当今 材料科学研究和发展的前沿领域之一【1 , 2 1 。然而，功能陶瓷制品仍多采用静力压 制后烧结( 或加压烧结) 的成形方法，由于粉料颗粒自身及颗粒与模壁间的摩 擦力妨碍了压制力的传递，导致坯体内各部分密度分布不均；另一方面，由于 模具强度的限制，压制密度也难以提高，这些因素直接影响了功能陶瓷制品的 质量和性能1 3 1 。 用高能率强冲击载荷压制陶瓷粉料是提高压实密度与致密均匀性、进而获 取高性能陶瓷制品的有效途径。1 9 5 2 年，美国凯那金属公司将t i c 、t a c 与n i 粉混合密封在金属袋中，置于3 5 5 m m 口径的大炮尾部，用炸药在炮膛内爆炸所 产生的冲击波使粉末受压成形，研制出金属陶瓷喷气发动机叶片【4 l ，此后，各国 学者及工程技术人员纷纷对此展开研究，研究成果对提高超硬粉末压制密度和 生产一般压力机无法压制的大型预成形件起了重要作用【4 - 6 1 。但由于爆炸压制 ( e x p l o s i v ec o m p a c t i o n ) 存在工艺重复性差、自动化程度低和安全性较差等问 题，限制了该工艺的推广应用。 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是另一种高能率成形方法，它是通过 高压储能电容对线圈瞬时放电产生强脉冲磁场，使坯料在冲击电磁力作用下高 速成形。在成形能量与速度控制方面，电磁成形更优于爆炸成形，它无需传压 介质，使成形过程可在真空环境下完成。1 9 7 6 年，c l y e n s 、j o h n s o n 和a 1 一h a s s a n i i ，j 率先将电磁成形的相关技术引入粉末材料压制，用放电压制法( e d c ，e l e c t r i c a l d i s c h a r g ec o m p a c t i o n ) 压制出棒料、条料和形状更为复杂的制件【8 9 l ，通过筛选 武汉理工大学硕士学位论文 粉末粒度，他们还成功地制造出具有尖角的棒料和条料【1 0 1 。该方法不仅有效克 服了爆炸压制的局限性，而且利用电磁场的收缩效应( p i n c h e f f e c t ) 和电流的 热效应将压制与烧结过程融为一体，但因高频电流的趋肤效应，仅靠电磁场的 收缩作用尚不足以加工出均匀的高密度制品。d a r v i z e h l l l 】采用在轴向施加预压力 后再进行放电压制，获得了钨铬钻硬质合金的焊接棒；a l p l l 2 】将放电压制f 2 0 k v ， 1 8 # f ) 和动态压制( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) 结合在一起，采用放电冲击压制，提 高了制品压实密度和均匀性，并在冲击压力达到最大时进行放电，得到了机械 性能优良的制品。至2 0 世纪9 0 年代，在此基础上发展起来的将压制和烧结过 程集成在一起的放电加压烧结( p d p s 或p a l s ，p u l s ed i s c h a r g ep r e s s u r es i n t e r i n g o rp l a s m a a c t i v a t e ds i n t e r i n g ) 开始广为人们所关注。用这种方法已成功的实现了 多种超硬材料、难熔合金、金属陶瓷及梯度功能材料的成形加工1 1 3 47 1 ，制品具 有很好的晶相组织，残余应力极小，无微裂纹，耐磨性和抗冲击性很好。不足 之处是设备成本较高，制作复杂，既需机械传力系统，又要产生脉冲电流的装 置，对模具材料损耗也较大。 低电压电磁成形( l o w v o l t a g e e l e c t r o m a g n e t i c f o r m i n g ) 是将传统高压电磁 成形的电压从数千伏甚至几万伏降低至数百伏，通过增加电容来保证成形所需 的放电能量，这样，设备复杂程度降低，体积大为减小，制造成本显著下降， 使用安全性和可靠性明显提高，成形线圈寿命也因放电电流幅值减小而有效延 长。该技术始于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初b s , 2 0 , 2 ”，主要用于不会产生磁垫效 应和加载速率不宜太高的场合。目前，美国e l e c t r o i m p a c t 公司已研制出工作电 压在1 2 0 0 v 以下的电磁铆接( e l e c t r o m a g n e t i cr i v e t i n g ) 设备，在n o r t h 、b e o i n g 、 a l c o a 、l o c k h e e d 、t e x t r o n 、d o u g l a s ，l t v 、b r i t i s ha e r o s p a c e ，c h e s t e r ，a v i o n s m a r c e l 等公司得到了生产应用【1 9 l ，成功地解决了铝合金铆接时因加载速率过快而出现 微裂纹的问题i 矾2 1 】；国内西北工业大学【2 2 2 3 】于9 0 年代中期开始进行低电压电磁 铆接的研究工作，已将放电电压降至4 5 0 v 以下；我校在开展高压电磁成形研究 工作的同时，对低电压电磁成形技术也作了一些探索，率先将其用于金属粉末 的压制成形，并获得了相对密度达9 9 的制品1 2 4 。2 7 。 利用低电压电磁成形技术实现对功能陶瓷粉末的压制，是电磁成形技术新 的发展f 勰l 。大量实验证明该方法不仅能够成功地对功能陶瓷粉末进行压制，而 且能够大大提高功能陶瓷制品的质量。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 功能陶瓷发展现状 1 2 1 功能陶瓷概述 陶瓷是古老而又新型的材料，通常分为传统陶瓷和先进陶瓷( a d v a n c e d c e r a m i c s ) 两大类。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成，也叫硅酸盐陶 瓷。与之相区别，人们将近代发展起来的各种陶瓷总称为先进陶瓷，也称为精 细陶瓷( f i n ec e r a m i c s ) 、高性能陶瓷( h i g h p e r f o r m a n c ec e r a m i c s ) 、高技术陶 瓷( h i g h t e c h n o l o g yc e r a m i c s ) 等。先进陶瓷以精制、高纯的化工产品为原料， 在化学组成、内部结构、性能和使用效能等各方面均不同于传统陶瓷。它与传 统陶瓷最主要的区别是具有优良的力学、热学、电性、磁性、旋光性等各种特 性和功能，被广泛应用于国民经济的各个领域，是高新技术产业发展的三大基 础材料之一。 先进陶瓷从性能上可分为结构陶瓷( s t r u c t u r a lc e r a m i c s ) 和功能陶瓷 ( f u n c t i o n a lc e r a m i c s ) 。结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分熟学和化学功 能的先进陶瓷，在高温下应用的则称为高温结构陶瓷。功能陶瓷是指那些利用 电、磁、声、光、热和力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来 实现某种使用功能的先进陶瓷。功能陶瓷是先进陶瓷最主要的组成部分，由于 各种功能的不断发现，在众多高新技术行业有了广泛的应用。就汽车行业而言， 对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易 损件寿命以及完善汽车智能性功能都具有积极意义。随着电子信息技术的集成 化和微型化发展趋势，电子技术产品日益朝微型、轻量、滓型、多功能和高可 靠的方向发展，功能陶瓷元器件微型化、集成化和多功能化以及高性能低成本 化是其发展的总趋势，这样对功能陶瓷的制备技术提出了更高的要求，不仅单 纯地追求材料的高性能，更需注重低成本和低投入产出比率。 1 2 2 功能陶瓷粉末成形概况 一般来说，要从性能的改进来改善功能陶瓷材料的性能，需从两方面入手： 1 1 直接调节材料的组成，优化其内在的品质，方法包括采用非化学式计量、离子 置换和添加不网类型杂质，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等： 2 ) 通过改变外界条件，即改变工艺条件以达到获得优质功能陶瓷材料的目的。工 艺条件般是指原料粉料的物理化学性质和状态、加工成形方法和条件、烧结 武汉理工大学硕士学位论文 工艺和烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。 成形是制备陶瓷材料的一个重要环节，粉料成形的技术目的是为了得到内 部均匀且密度高的素坯1 2 9 】，故而对制品性能有很大的影响。过去，陶瓷材料学 家比较重视烧结工艺、而成形工艺一直是一个薄弱环节。随着陶瓷制备工艺的 发展，人们已经逐渐认识到在陶瓷材料的制备工艺过程中，除了烧结过程之外， 成形过程也是一个重要环节。目前粉末成形主要可分为传统机械压制和新兴压 制两种方法。 传统的成形方法主要有干压成形、等静压成形等，这类成形方法均基于静 力压制后烧结的成形模式。 干压成形是将经造粒的配料，通过成形压机和模具，把拌有一定量有机添 加剂的粉料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法，是应用最广泛的一种成形方 法。然而由于在噩制过程中，粉末颗粒之间、粉末与凹模壁之间存在摩擦，使 压制压力受到损失，利用这种成形方法加工制得的坯体不可避免她存在密度和 强度分布不均匀的问题，直接受压端的压力大、密度大，远离加压一端的压力 小、坯体密度小。虽然通过对加压方式的改进，把单面加压调整为双面加压， 使坯体两端直接受压，但坯体中间的密度还是较坯体两端的小。 等静压成形是应用巴斯克原理使粉料成形的一种成形方法，即在充满液体 的密闭容器内使液体介质受压，由于液体有不可压缩性和均匀传递压力的特点， 压力将传递到液体内各点，且各点压强相等，该方法也称为静水压成形。在粉 末压制成形中，等静压成形可分为湿袋法和干袋法两种。湿袋法是用弹性橡胶 或塑料做成所需形状的模具，将粉末装入其中，放入上述密闭容器内加压。由 于橡胶模具周围完全被液体包围，模具中的粉料在各个方向相等压力的作用下 _ 边压缩一边成形，因而可得到在各个方向上被均匀压实的坯体，该坯体的密 度高、均匀性好。但是由于其独特的加工方式，该方法操作较复杂、工艺连续 性较差、不易于实现自动化。干袋法是在湿袋法的基础上提出的，它也是利用 液体作为压力传递介质，但压力只施加于柱状模具的外壁，模具轴向基本上不 受力。利用该方法获得的坯体，压力和密度分布均匀，显微结构具有各向同性 的特点。通过这种方式，可以极大地提高生产效率并且可实现大规模的自动化 生产，但是同时也存在着投资大，操作复杂，容器及其它高压部件需要特别防 护等缺陷。 新兴压制方法主要有爆炸压制等。这类成形方法，均是采用较新的工艺方 法对粉末进行压制，都属于高速成形范畴，因此在成形机理上不同于传统工艺， 4 武汉理工大学硕士学位论文 在坯件质量上也因工艺方法、成形条件而各异。 爆炸成形是将爆炸时产生的冲击波旌加于粉末使之受压成形的一种工 艺。爆炸压制的优点有三个方面：首先，可以代替传统的等静压工艺，避免 了其所需的昂贵设备。当炸药爆炸后，在极短的时间内( 几微秒) 产生的冲 击压力可达1 0 6 m p a ( 相当于1 千万个大气压力) 。这比普通压力机上压制粉 末的单位压力要大几百倍甚至上千倍。巨大的压力可以直接用于压制超硬粉 末材料和生产一般压力机无法压制的大型预成形件。其次，它可以达到更高 的密度而不需加热。这对于要求红硬性好的高温刀具材料无疑是一种良好的 选择。对一般的粉末，爆炸压制相对密度极高，如电解铁粉，可达到纯铁的 理论密度；钛粉的压制密度达9 7 以上，可作真空电弧熔炼的钛电极。第三， 爆炸压制时，制品的尺寸不受设备的限制，能够制造出形状复杂的零件，这 些零件轮廓清晰，尺寸公差比较稳定，生产成本低。但是受其工艺的影响， 成形过程不易控制、安全性较差、坯件密度分布不均等问题限制了该工艺的 推广和应用。 1 3 电磁成形研究概述 由法拉第电磁感应定律可知，在导体中加载一个交变电流可以使导体周围 产生一个交变的磁场，并且如果在导体旁边还有其它导体，就会在该导体中产 生一个感应电流。又由安培定律可知，产生感应电流的导体在原导体所产生的 交变磁场作用下会产生一个电磁作用力。电磁成形加工技术就是基于此原理而 提出的，利用该电磁力对材料进行直接或间接加工的技术。 1 3 1 电磁成形研究概况 早在2 0 世纪2 0 年代，物理学家k a p t i l a p 在脉冲磁场中做实验时发现，形成 脉冲磁场的金属线圈易胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思 考。 5 0 年代末，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平原子能会议 上，展出了世界上第一台电磁成形机。 6 0 年代初，美国、前苏联、英国、日本等国家相继开展了电磁成形技术的 研究和推广应用，电磁成形设备第一次用于工业生产；6 0 年代中期，出现了储 武汉理工大学硕士学位论文 能为5 0 、2 0 0 、4 0 0 k i 的电磁成形机。此后，电磁成形技术逐步在航天、航空、 汽车、电器、化工、医药等工业部门得到应用。例如反射灯罩成形、弹壳成形、 打火机壳体成形、发动机整流罩成形等，都采用了电磁成形加工方法，不仅大 大降低了成本，而且提高了加工件的可靠性和使用寿命； 7 0 年代中期，全世界已有4 0 0 多台电磁成形机运行在生产线上，1 5 0 个以 上的工厂使用这种工艺，多数机器用于大批量生产，有的机器已经运行了5 0 0 万次，这些设备的脉冲电流峰值一般为1 0 0 k a 4 0 0 k a ，放电周期在1 0 0 m s 左 右。 8 0 年代初期，电磁成形技术已在美国、前苏联、日本等国的工业生产中得 到了广泛的应用，电磁成形机的制造已经系列化、标准化。能够加工零件的最 大尺寸已达1 2 0 0 r a m ( 直径) x 1 0 0 0 m m ( 长度) x 6 m m ( 厚度) 。如美国m a x w e l l 公司生 产的各种m a g n e f o l l t i 设备已遍布美国、日本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂 家。 9 0 年代至今，电磁成形技术得到了进一步的发展。在美国俄亥俄州立大学， 电磁成形在线圈的设计、成形机械设计、成形压力分布研究等众多方面得到了 飞速发展。 在我国，关于电磁成形技术的研究工作起步较早。早在6 0 年代初期，中科 院电工研究所就曾组织力量系统地研究过电磁成形工艺及设备，并取得了一些 成果，但由于历史原因该项研究工作一度被中止，原有设备也已不存在了。7 0 年代末，哈尔滨工业大学再次组织力量进行电磁成形设备与工艺的设计、研究 及开发工作，并于1 9 8 7 年成功研制出了7 2 k j 的电磁成形机：9 0 年代中期，哈 尔滨工业大学与兄弟单位合作，分别为上海航天局、北京机电研究所开发研制 出3 0 k j 的电磁成形设备；兵器部5 9 所、中南工业大学、东北大学等单位也通过 合作，研制出了电磁成形机。我校也相继成功地研制了w g i 、w g - i i 型样机 和w g i i i 型低电压电磁成形机样机。 1 3 2 电磁成形的工艺特点 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是利用瞬间的高压脉冲磁场对制件进 行间接或直接加工的新工艺。由于加工方式的不同，该成形方法与传统工艺在 众多方面都表现出了巨大的差异： 1 制件的成形能力得到加强 武汉理工大学硕士学位论文 传统的加工工艺一般是采用机械力对制件进行加工，整个加工过程可以被 看作是准静态的，制件受到的载荷随时间的变化比较缓慢。而电磁成形的过程 中，制件只在开始加工的几毫秒内受到强电磁脉冲力作用，属于高能率成形方 法，整个成形过程惯性力起到了主导作用。由塑性动力学原理可知，在高速成 形时，材料的力学性能可以得到很大程度的提高。因此，部分在传统加工中很 难成形或者不能成形的制件，通过电磁成形的方法可以使其成形。 图1 - 1 铝板拉深成形结果 图1 - 1 是美国俄亥俄州立大学实验室的实验结果，左侧是用机械加工的方式 进行拉深制成的制件弧3 “，右侧为利用电磁成形工艺通过多次放电拉深后得到 的制件。从图中可以清楚地看到，在同一材料上，左侧制件的拉深深度明显小 于右侧的制件，但是左侧的制件已经发生破裂现象，而右侧的制件依然完好。 2 成形过程易控制 图1 2 平面螺旋线圈的成形力分布 传统高能率成形方法还有爆炸成形。爆炸成形在爆炸瞬间能够释放巨大的 化学能作用于工件，亦属于高能率成形方法，能加工一些传统工艺不能加工的 武汉理工大学硕士学位论文 制件，例如金属球形容器( 又名球罐) 等。但是，该工艺存在着致命的缺陷： 能量不易控制、安全性较差。 电磁成形是通过将电能转化为机械能进行加工的。由于电能可以通过电器 组件得到很好地控制，因此该工艺在能量输入控制方面可以得到很好的保障。 此外，通过对该工艺理论研究的不断深入，在具体成形能量的控制方面也有了 很大的突破。图1 2 是美国俄亥俄州立大学实验室对平面螺旋线圈成形力分布研 究的实验结果。此外，计算机技术的崛起，更方便了对电磁成形能量的精确控 制。 3 其它优点 由于电磁成形过程中，电流是成形的主导因素。因此，只要精确地控制放 电电流，就能很好地对成形的整个过程进行控制，易于实现自动化。此外，由 于该工艺所需的电磁成形机成本远远小于锻压机、液压机等大型机械，该工艺 更具经济效益。 1 3 3电磁成形在粉末压制方面的应用 1 粉末电磁压制 粉末电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体使其致密化的高能率 成形新工艺。其原理是借助于磁脉冲装置，使电容器组通过套有或附近装有坯 料的感应器放电，以产生脉冲磁场。在坯料中的感应电流磁场和感应器中的电 流磁场产生相互作用力，从而把贮存的能量供给加工的坯料。 c 储能电容组；k - 放电开关；l 螺旋管线圈 图1 3 管装粉末电磁压制原理 现以管状粉末电磁压制阐述其原理，如图1 3 所示，当高压放电开关k 闭 武汉理工大学硕士学位论文 合，储能电容组c 对螺线管工作线圈放电，冲击电流i 在线圈周围形成一强脉冲 磁场b ，由于穿过金属管的磁通量发生急剧变化，金属管和粉末体内会产生感应 电流j 。形成磁场引，其反向磁通阻止初始磁通穿过金属管，迫使磁感应线密集 在线圈和金属管的间隙内，即b 、b 在线圈和金属管之间方向相同而得到加强， 其它地方相互抵消。线圈及金属管合成磁场的轴向分量( b ：+ b ：t ) 作用于感应电 流j ，使金属管受到沿半径向内的冲击压力p ，而合成磁场的径向分量( b ，+ b ? ) 则产生轴向电磁力p z 。管件质点在脉冲力p z 、p r 的作用下作高速运动，以惯性 力冲击粉末体，完成最后粉末压实。在此过程中，如果磁场渗透过金属管，就 会在粉末体内也激发出电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物使粉末体内也产生 电流，一方面，电流的热效应和击穿氧化物所产生的热量使粉末颗粒局部融化， 起到了烧结的作用；另一方面，粉末体内的电流也会使之受到电磁力的作用而 使粉末压实。用这种方法压制时，由于趋肤效应，磁场较难渗透到粉末体内， 所以中心部分可能压制不足，故适于加工外形复杂或中空的零件，如各种齿轮、 齿环、轮毂等。 最初，英国曼切斯特大学理工学院把电磁成形的思想引入到粉末压制中时， c l y e n s 、j o h n s o n 和a i h a s s a n i 3 2 】是采用的直接放电压制( e d c ) ，即不通过线 圈，储能电容组直接对粉末体放电，瞬间的电能释放，使金属粉末颗粒表面的 氧化层被击穿，在金属离子之间形成金属键，同时，在电磁场的“收缩效应( p i n c h e f f e c t ) ”下，粉末体沿半径方向收缩，从而使之压实。d a r v i z e h 和a l p 等在显 微镜下对e d c ( 8 k v ，9 叫f ) 试样进行分析，发现试样截面上有孔洞，致密 化程度从中心到表面逐步降低；他们认为粉末体中心产生足够高的温度是中 心致密化的必要条件；电磁收缩效应产生的径向压制力致使试样直径减小； 在粉末颗粒之间形成缩颈阶段，而且还使得融化了的金属喷射出来，填充邻 近区域的空隙；而在粉末体表面，这种机理由于收缩效应较弱和温度较低而 逐渐减弱。他们还认为，由于金属粉末都是被一层氧化物或渗入物所包裹着， 正是这层薄膜对粉末体试样的电阻起主要作用，所以在其上产生了大量的热， 使颗粒之间相互接触的地方开始融化，在电磁力及热运动的作用下，这层薄 膜被撕碎，从而导致了在颗粒之间形成液态的缩颈和在金属离子之间形成金属 键，所以e d c 的实现完全依靠这层包围粉末颗粒且导电性不好的薄膜。e d c 法可被应用于加工较长棒料、条料和其它复杂形状( 如弯曲棒料) 的粉末制品 ( 传统的压制方法加工则很难实现或成本较高) 。但由于电磁场的收缩效应还不 足以加工出高致密化的粉末制品。于是人们对之不断的加以改进，d a r v i z e h l j 刈 9 武汉理工大学硕士学位论文 等曾用在轴向施加较小的压力后再进行放电压制，获得了钨铬钴硬质合金的 焊接棒。t a p 等把e d c 和d c ( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) 结合进行粉末压制，讨 论了d c 和e d c 组合压制粉末时的粉末成形机理1 12 1 。在d c 的不同阶段实施 e d c 的结果表明，在d c 的压力达到最大值时进行放电，制品可得到良好的 机械性能。 本课题组利用平面螺旋线圈放电对各种金属粉末进行低电压电磁压制， 也取得了一系列的研究成果，压制出相对密度高达9 9 的金属粉末制品，并 分析了压制参数对制品密度及性能的影响规律和电磁压制金属制品的密度分 布规律。 2 放电加压烧结 在e d c 的研究基础上，9 0 年代初，一种将压制过程和烧结过程集成在 一起的放电加压烧结法广为人们所关注。用这种方法已成功的实现了许多超 硬材料、难熔合金、金属陶瓷及梯度功能材料的粉末制品加工。 放电加压烧结法p a s 或p d p s ( p l a s m aa c t i v a t e ds i n t e r i n go rp u l s e d i s c h a r g ep r e s s u r es i n t e r i n g ) 是一种变相的热压加工方法。在粉末体受到压力 作用的同时加以电压，这时电流分别流过模具和粉末体，使粉末颗粒之间产 生放电，清除了颗粒表面的氧化物，粉末体导电后，由于电阻的熟效应，模 具和粉末体的温度升高，从而实现压制烧结同时进行。 因为烧结的时间短且温度低于传统的烧结温度，p a s 法制取的粉末试样 有良好的机械性能。玉利信幸近藤等人曾用热压法( h o tp r e s s i n g ) 和放电加 压烧结法分别制取氧化铝碳化钛的复合陶瓷1 1 4 】，以比较这两种方法所获得制 品的性能差异，结果表明用p a s 法获得粉末制品的机械性能高于h o tp r e s s i n g 法，p a s 法获得复合陶瓷制品中氧化铝的晶格较大，切削性能( 耐磨性和抗 疲劳性) 较h o tp r e s s i n g 法获得的制品好。在放电加压烧结m o s i 和m o s i n b 混合粉末时，粉末体的温度在瞬间升到1 3 2 2 k ，在此温度下，形成了金属闻 化合物( n b 5 s h ，m 0 5 s i 3 ，m o s i 2 等相) ，获得制品的相对密度达到9 6 一9 8 ， 而且经超声波检测无内部缺陷1 1 ”。用p a s 法制取的削一2 5 s i - 3 。5 n i - 1 m g 合金，洛氏硬度比压力机获得的高，在电子显微镜下可以看出其金相组织也 有了很大的改善1 1 6 1 。用于热电转换系统的熟电转换器是一种功能梯度材料， 它要求很高的导热性和绝缘性，但在截面内有极好的电导率，a i k oo h t s u k a 用 p a s 法已成功的制出c u a 1 2 0 3 c u 金属陶瓷，能达到其性能要求，且可进行优 化1 1 3 】。用适当芯模，p a s 法也可以用于制造形状复杂的各种中空零件，如齿 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 轮、轮毂等【l ”。在钢表面渗碳、渗氮等工艺中，热应力可能引起微裂纹和渗 层的剥落，用p a s 法制取时，则可以有效解决这个问题，由于形成了很好的 晶相组织，残余应力很小，获得的制品没有微裂纹，具有很高的耐磨性和抗 冲击性1 1 酊。 放电加压烧结法制取粉末制品的缺点是：设备成本较高，制作复杂，既 有机械传力设备，又需产生脉冲电流的电学设备；对模具材料损耗较大。 1 4a n s y s 程序简介 近年来，随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的改进，有限元法己 成为工程设计和分析的一种强有力手段，在材料加工方面也得到了日益广泛的 应用【3 4 3 6 】。市面上用于有限元分析的有限元软件主要有，a n s y s 、h o n d o 、 n a s l a n 、a s k a 、m a r c 、p a i 砸c 、a d i n a 等，我们这里采用a n s y s 。该 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之的美国a n s y s 公司所开发，它 能与多数c a d 软件接日，实现数据的共享和交换，如u g 、n o ，i 三n 豳e e r 、i - d e a s 、 a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 a n s y s 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用有 限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、 能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、 水利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作 系统( 如：w i n d o w s 、u q 、l i n u x 、m d 【、h e h p - u x ) 中运行。从p c 到工作 站，直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 a n s y s 是唯二一个包括多物理场( m u l t i p h y s i c s ) 分析功能的软件。 1 4 1a n s y s 的组成模块 对应分析过程的前处理、求解和后处理三个阶段，a n s y s 由以下三个模块 组成。 1 前处理模块 该模块用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义 实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元，以 及定义耦合和约束方程等。通过运行一个统计模块，用户还可预测求解过程所 武汉理工大学硕士学位论文 需的文件大小及内存。 在a n s y s 中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置、节点自由度的方向、 材料特性的方向，以及图形显示和列表。程序中可用的坐标系统类型有：笛卡 儿坐标、柱坐标、球坐标、椭球坐标及环坐标，这些坐标系统均能在空间的任 意方向设置。用户在前处理阶段输入的数据将成为a n s y s 集中数据库的一部 分，该数据库由坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表及载 荷表等组成。定义某个表中的数据后，该数据即可通过表项编号被引用。例如 用户定义多个坐标系后，可通过简单地引用相应的坐标系编号( 表项编号) 激 活它们。一套数据库控制命令可用于选择数据库的部分数据，以完成特定操作。 基于一定的标准，如几何位置、实体模型图元、单元类型、材料类型及节点和 单元编号等，用户可选择所需的数据。虽然用户可输入与模型有关的多方面的 信息，但在求解过程中程序只使用特定分析所需的部分数据。把模型划分成组 元是选择模型数据的另一个便利方法，所谓组元是指用户为了清晰或组织合乎 逻辑而定义的几何图元组。为了清楚显示一个复杂模型的各个部分，组元可以 显示成不同颜色。 a n s y s 提供了广泛的模型生成功能，使用户可快捷地建立实际工程系统的 有限元模型。它提供了3 种不同的建模方法，即模型导入、实体建模及直接生 成。每种方法有其独特的特性和优点，用户可选择其一或其组合建立分析模型 2 求解模块 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在 该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始 有限元求解。 直接求解器，如波前求解器可计算出线性联立方程组的精确解。a n s y s 还 提供了一个既可用于线性分析，也可用于非线性分析的有效的稀疏矩阵求解器。 在要求求解精度和求解时间的静态及瞬态分析中，该求解器可代替迭代求解器。 由于该求解器基于方程的直接消去。因而可容易地处理病态矩阵。 作为直接求解器的替代，用户可激活一个迭代求解器，在求解大规模问题 时可节省计算机资源并减少计算时间。几乎所有的分析问题都是求解一系列的 线性联立方程组，迭代求解器通过迭代求出近似解。 a n s y s 提供称为p o w e r s o l v e 的高效预条件共扼梯度0 c g ) 求解器、j a c o b i 共扼梯度f j c 求解器，以及不完全c h o