模壁摩擦對顆粒壓制成形影響的細觀模擬分析

李達++楊麗++鐘飛++鄔治平

摘 要：粉末冶金成形技術因其諸多優點受到了高度關注，對其的研究也越來越多。把粉末顆粒離散化，使用有限元的方法對粉體壓制流動性進行了模擬仿真，考察了不同模壁摩擦系數下顆粒典型位置的應變及其差異，不同區域的孔隙率變化和壓坯初始高徑比對粉末壓制成形相對密度的影響。結果表明，在等靜壓力的作用下，模壁摩擦使粉末產生了從上表面邊緣到下表面中心方向的斜向流動，對顆粒的應變和壓制相對密度均勻性有顯著的影響。

關鍵詞：粉末顆粒；細觀模擬；模壁摩擦；密度均勻性

中圖分類號：TF306 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.078

粉末冶金技術是加工機械零件的重要工藝之一，具有材料利用率高、制造成本低、綜合性能好和近凈成形等優點。為了進一步探究模壁摩擦對粉末成形的影響，可以采用有限元的方法建立壓制模型分析壓制過程中的粉末密度變化和分布規律。

1 有限元模型建立

采用單向的粉末壓制方式，利用均勻圓形生坯建立離散模型，采用六節點的三角形單元劃分網格，圓形直徑為0.6 mm，初始松裝高度為19.2 mm，模型如圖1所示。

模擬材料參數定義，各向同性彈塑性材料的流動應力應變關系如圖2所示。

設模壁界面摩擦系數分別為f1=0.05、f2=0.1、f3=0.15、f4=0.2，顆粒間的摩擦系數f5為0.1；壓制力設為700 MPa，壓制時間設定為5 s。

2 模擬結果及分析

模擬得到的結果如圖3所示。為了分析壓制過程中粉末的變形和流動規律，將粉末顆粒模型進行矩陣編號，例如A[2，3]表示第二行第三列的顆粒，以此類推。

2.1 不同摩擦系數下顆粒應變分析

選取圖3中的A[1，1]和A[32，1]顆粒查看其在不同模壁摩擦系數下的顆粒變形情況，分別如圖4、圖5所示。從結果中可以看出，靠近壓制端面，模壁摩擦越大，顆粒的變形就越明顯。當顆粒遠離壓制端面時，顆粒的應變程度下降。這是因為壓制力是自上而下傳遞的。鑒于摩擦的原因，使得壓制力在軸線方向衰減。隨著摩擦系數的增大，壓坯與模壁之間的摩擦力增加，導致壓制力在軸線方向的衰減越大。顆粒在軸線方向出現大的應變差異與連續體有限元分析結果相同。

對比圖6、圖7可知，當摩擦系數不變時，模壁附近孔隙從上到下逐漸變大。隨著摩擦系數的增加，靠近上模沖的顆粒間孔隙減小，下部孔隙增大，導致顆粒的密度均勻性變差。由此可見，模壁摩擦是產生密度不均勻性的主要原因。在實際生產中，可以使用添加潤滑劑提高模具光潔度和硬度，從而增強

產品的性能。

2.3 相同摩擦系數下高徑比對成形影響

選取初始松裝高徑比為3/5，5/5，10/5，15/5，20/5，25/5，30/5，35/5，壓力設為500 MPa進行壓制。圖8給出了壓制后相對密度的變化——隨著高徑比增加，粉末相對密度在逐漸降低。上下表層的相對密度變化如圖9所示。從圖9中可以看出，當高徑比超過5時，平均相對密度逐漸趨近0.85，而下層粉末的相對密度逐漸低于0.8，無法滿足工程應用中結構零件成形的要求。從壓制云圖（圖10）中可以看出，當初始高徑比增加到5時，粉末下部形成“潰散”，已經無法滿足成形的要求。

3 結論

當界面摩擦系數不變時，靠近壓制面的變形大，沿著軸線向下粉末顆粒的變形逐漸變小。摩擦系數越大，應變差異越明顯。

隨著高徑比增加，粉末密度均勻性變差，導致零件的成形性能變差。在實際生產中，應該采用小的高徑比或者潤滑的方式改善粉末成形性能。

采用基于離散體的有限元法可以更好地考查粉末壓制過程中的成形規律。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕