铁基粉末颗粒压制的细观模拟研究

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粉末压制是粉末成型的重要工序,这个工序的成形坯块虽不是最终的产品,但其性能却极大的影响着制品的最终性能。依靠传统的实验法无法实时的反映粉末颗粒在压制过程中的运动和变形规律,而基于连续体的有限元法和基于离散体的离散元法进行粉坯压制的研究,虽取得了很多成果,但前者忽略了粉末的颗粒性,后者忽略了颗粒的可变形性。因此上述方法都无法准确的考察粉末压制过程中颗粒的变形情况。本文采用离散体的有限元法,对粉末压制过程进行数值模拟,从细观的角度分析粉末压制过程中的相关特性。本文系统分析了粉末冶金技术的发展历程及国内外对粉末压制过程数值模拟的研究现状,并结合粉末冶金产品生产的主要工艺提出了课题研究主要内容。将粉末压制成型基础理论与Marc有限元软件相结合,成功的对粉末压制过程中的颗粒变形问题进行了求解。为了给模拟分析提供必要的摩擦参数以及密度变化的参照标准,还研制了摩擦系数测定装置,对不同性质粉末材料在不同压制力下的摩擦系数变化情况进行了交叉实验,得到了不同配方材料的摩擦系数变化情况、不同压制力下的摩擦系数曲线及密度关系。根据粉末压制特性建立了三种离散体的有限元模型:二维对排颗粒模型、三维球形颗粒模型以及二维随机排布颗粒模型,结合Marc软件对粉末压坯模型进行了材料属性定义、接触模型定义以及边界条件定义,并对关键参数进行设置,成功解决了在计算求解中出现的不收敛情况,取得了良好的模拟结果。在此基础上探讨了模壁摩擦、压制方式以及压制力对颗粒的流动性、应变情况以及压坯的密度影响。模拟结果表明,压制过程中粉末颗粒的变形主要经历了三个阶段:小变形的初级阶段、应变剧烈的主变形阶段和应变趋于稳定阶段。模壁摩擦是导致压坯内外流动量分布不均的主要原因,同时对于模壁区域颗粒的变形和密度有显著影响,采用有效的润滑措施或者采用双向压制可有效降低内外颗粒的流动差异。增加压坯压制力能在一定范围内提高压坯密度,实际应用中应根据不同的粉末特性选择适当的压制力,才能有效的提高粉末冶金压制的生产效率和生产质量。
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