鐵基粉末高速壓制過程中粉體摩擦行為及致密化機(jī)理.pdf

1、當(dāng)前我國制造業(yè)正處于迅猛提升的新階段，在提高粉末冶金制品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)其零部件的需求總量也大大增加。目前，高速壓制技術(shù)這一短流程、低成本、高致密的先進(jìn)成形技術(shù)對(duì)粉末冶金行業(yè)發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文綜合分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的高速壓制設(shè)備和試驗(yàn)裝置的技術(shù)特點(diǎn)，比較了當(dāng)前不同類型高速壓制成形裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用高速壓制理論，自行設(shè)計(jì)、研制了利用重力作為蓄能方式來進(jìn)行粉末沖擊壓制的高速壓制成形試驗(yàn)裝置，以鐵基粉末為研究對(duì)象，利

2、用試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬兩種手段，從宏觀和微觀兩個(gè)角度，對(duì)粉末高速壓制成形過程中的成形規(guī)律、摩擦行為及粉末致密化的機(jī)理，開展了系統(tǒng)性的研究工作。結(jié)果如下:
　　設(shè)計(jì)并制造出了利用重力勢能作為蓄能方式進(jìn)行沖擊壓制的裝置，通過提升沖錘的高度，以沖錘在重力加速度作用下產(chǎn)生的高速度和沖擊力來壓制粉末。加工了50kg、100 kg兩種沖擊錘，可實(shí)現(xiàn)50 kg、100 kg及150kg三種不同的質(zhì)量組合，以符合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的要求。采用永磁吸盤這種新

3、穎獨(dú)特的提升沖擊結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)重錘高度，獲得相應(yīng)的沖擊速度及沖擊能量。采用重力勢能作為驅(qū)動(dòng)力，可以簡化設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，提高安全性，減少對(duì)環(huán)境的污染，造價(jià)低廉，且易于加工生產(chǎn)。數(shù)據(jù)表明，與相同功能的進(jìn)口設(shè)備相比，價(jià)格僅為其7％左右，克服了液壓驅(qū)動(dòng)等方式的弊端。其理論速度經(jīng)測算，最大可以達(dá)到9.49 m/s，沖擊能量的最大值為5145 J。各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)測試完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求。
　　其次，在自行設(shè)計(jì)加工的高速壓制成形裝置的基礎(chǔ)上，選擇運(yùn)用合適

4、該試驗(yàn)機(jī)的測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的采集輸出，設(shè)計(jì)采用采集參數(shù)傳感器-響應(yīng)快，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出精確的測試系統(tǒng)，為驗(yàn)證粉末高速壓制成形裝置的可行性，探索壓制速度、壓制高度和沖擊錘質(zhì)量與壓坯密度的關(guān)系，采集了粉末高速壓制成形裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析。在自行研制的粉末高速壓制成形裝置上使用低擴(kuò)散性合金鋼粉末進(jìn)行了壓制，從而進(jìn)一步考察了該裝置的實(shí)效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用50kg沖擊錘，對(duì)質(zhì)量8.09 g的試樣在沖擊高度為2m時(shí)進(jìn)行壓制，試樣密度可達(dá)7.4

5、5g/cm3，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。
　　再者，探討了粉末高速壓制過程中的重錘高度與壓制速度、壓制能量、壓制力等參數(shù)與壓坯密度的關(guān)系;對(duì)不同性質(zhì)的粉末在不同壓制力作用情況下，對(duì)其摩擦系數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的測定，得出摩擦系數(shù)、壓制力的變化與壓坯密度的之間的規(guī)律。為后期的模擬分析提供參考范圍和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。并對(duì)其制品表面劃痕進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在對(duì)粉末進(jìn)行單向壓制時(shí)，當(dāng)壓制力提高時(shí)，粉末體的致密度會(huì)逐漸增加，從而粉末顆粒與模具表面的

6、接觸面積也逐漸增大，又因?yàn)榻佑|面積越大，所以在相同壓力的條件下，有效壓力越小，摩擦力也就越小，所以摩擦系數(shù)會(huì)有效降低。從而對(duì)粉末體致密度提高而摩擦系數(shù)會(huì)有效降低的現(xiàn)象給出了合理解釋。
　　最后，運(yùn)用離散體建模的方法，選擇了離散體有限元的具體模型、建立了粉末顆粒的二維模型、隨機(jī)排布顆粒模型，定義了模型的材料屬性，討論了粉末高速壓制過程中接觸問題的算法、模擬過程中的關(guān)鍵問題如關(guān)于求解的收斂性、穿透現(xiàn)象的解決、單位統(tǒng)一等問題。探討了微觀

7、角度下，在高速壓制成形過程中粉末密度的變化規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行模擬仿真。在壓制速度、沖擊錘的質(zhì)量、界面摩擦狀況等方面進(jìn)行了分析，找出其與粉末顆粒的密度大小、變形規(guī)律、彈性后效、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系;關(guān)聯(lián)了單個(gè)顆粒行為、粉末的集合體宏觀行為;先后對(duì)粉末在高速壓制、靜態(tài)壓制兩種不同條件下的成形特性進(jìn)行了分析比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均壓制力相同時(shí)，使用粉末高速壓制成形，不僅可得到更高的制品密度，密度的分布上也更為均勻，而且對(duì)更大高徑比零件的壓制成形也更為方