基于Deform 對(duì)粉末凈成形壓制工藝的仿真實(shí)驗(yàn)

申小平， 黃永強(qiáng)， 張 婷

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，南京210094；2.廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣州510510）

0 引 言

科研驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是研究大學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一［1］，具有教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新?？茖W(xué)研究是高質(zhì)量教學(xué)的有力保證［2］。在教學(xué)改革中，將專業(yè)前沿的科研課題融入教學(xué)中，使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸到實(shí)際的工程實(shí)踐，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)際工程能力以至有所創(chuàng)新［3］。

隨著粉末冶金行業(yè)的快速發(fā)展，粉末冶金零件在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］，同時(shí)對(duì)零件的品質(zhì)也提出了更高的要求，壓坯密度和密度分布的均勻性影響著零件的品質(zhì)。將數(shù)值模擬技術(shù)運(yùn)用于金屬粉末成形過程以預(yù)測(cè)壓坯密度及密度分布，可以大大降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期［6-7］。對(duì)壓制成形工藝的模擬仿真研究具有重要意義［8］。

為加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力，本文將粉末冶金件壓制成形仿真研究?jī)?nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了“基于Deform的粉末冶金成形工藝的仿真實(shí)驗(yàn)”，給學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)接觸科研前沿、應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的平臺(tái)，創(chuàng)建科學(xué)研究的情境，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。金屬成形工藝仿真軟件Deform作為當(dāng)今計(jì)算仿真技術(shù)中有效、實(shí)用的工具之一，為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了工具［9］。將Deform仿真融入成形工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)成形壓制工藝的理解，還能增強(qiáng)學(xué)生的仿真能力。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生從中學(xué)到新的思維方式和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問題的能力［10-12］。

1 仿真模型和參數(shù)的設(shè)定

1.1 材料模型和參數(shù)的設(shè)定

粉末實(shí)驗(yàn)用名義合金成分為鐵-1%碳-2%銅（Fe-1wt.%C-2wt.%Cu），其初始密度采用霍爾實(shí)驗(yàn)測(cè)得為3.47 g／cm3，相對(duì)密度為0.442（致密體的密度為7.85g／cm3）；并通過實(shí)驗(yàn)法得到該牌號(hào)粉末的相對(duì)密度與彈性模量的關(guān)系模型，并對(duì)比其他學(xué)者的彈性模量模型（見圖1（a））；泊松比采用概率密度的正態(tài)分布函數(shù)模型（Normal distribution model）［13］（見圖1（b））；流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖1（c））。熱膨脹系數(shù)為1.068×10－5／℃。

圖1 材料特性

1.2 幾何模型和屬性的設(shè)定

模具按照實(shí)際尺寸進(jìn)行Solidworks三維建模，粉末體模型按照裝粉態(tài)形狀設(shè)定，并與模具裝配在一起，轉(zhuǎn)換成iges格式導(dǎo)入Deform模型中，粉末體設(shè)置為黏塑性多孔隙（porous）模型，模具為剛性（rigid）模型。粉末體按照4節(jié)點(diǎn)4面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分網(wǎng)格數(shù)量為（4～5）×105個(gè)，兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性和運(yùn)算快捷性。

1.3 邊界條件的設(shè)定

由于粉體材料特殊的物理性質(zhì)，在粉體處于松裝狀態(tài)時(shí)，受到極小的作用力就會(huì)使原有的形狀發(fā)生改變而具有流體的特性。但隨著致密化過程的進(jìn)行，粉體受到超過其屈服應(yīng)力的作用力才會(huì)發(fā)生變形，此時(shí)具有固體的特性。粉體材料的力學(xué)性質(zhì)介于流體與固體之間，考慮到粉末體與模壁處于動(dòng)態(tài)接觸狀態(tài)，其接觸條件極其復(fù)雜，難以精確設(shè)定。將邊界條件設(shè)置為粉體表面與模具均有接觸，其接觸容限設(shè)為0.05，偏斜系數(shù)選取為0.2。摩擦條件選取剪切摩擦的冷壓（cold forge）模型，摩擦參數(shù)設(shè)為0.12，采用更新的拉格朗日方法并基于Doraivelu屈服模型進(jìn)行迭代和運(yùn)算收斂。

1.4 粉末體密度測(cè)定及相對(duì)密度定義

粉末冶金零件具有特殊結(jié)構(gòu)屬性，其壓坯中內(nèi)有孔隙，需要特定測(cè)量，在阿基米德比重法測(cè)定前對(duì)坯料進(jìn)行真空浸油處理，以封閉材料的表面孔隙。粉體坯料的密度：

式中：m為未浸油試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m1為浸油干燥后在空氣中的質(zhì)量，g；m2為浸油試樣在吊籃支撐下浸沒在水中的質(zhì)量，g；m3為吊籃的質(zhì)量，g；ρw為蒸餾水的密度，g／cm3。另外，材料的相對(duì)密度：

式中：ρ為相對(duì)密度；ρt為壓坯的密度；ρ0為合金致密體密度［8］。

粉末冶金零件的力學(xué)性能在很大程度上取決于密度分布的均勻性，對(duì)復(fù)雜形狀的壓坯更是如此。如何了解零件的密度分布成為一個(gè)至關(guān)重要的問題。將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)運(yùn)用于金屬粉末成形過程以預(yù)測(cè)壓坯的密度梯度和應(yīng)力分布，可以有效提高產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)效率。在上述的力學(xué)模型、建立的材料參數(shù)始終著眼于成分為Fe-1wt.%C-2wt.%Cu的三維復(fù)雜零件的模擬過程，其仿真模擬結(jié)果也是基于成形后壓坯密度分布的研究。

2 成形工藝仿真模擬實(shí)驗(yàn)

為便于學(xué)生深入淺出地對(duì)粉末冶金零件的壓制成形工藝的模擬仿真有更深入的了解和研究，本文中對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)氣門（Variable Valve Timing，

VVT）系統(tǒng)中的零件：外殼，殼體、皮帶輪及轉(zhuǎn)子的壓制成形工藝進(jìn)行模擬仿真［14-16］。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品和壓制成形方式的模擬，分析、研究其壓坯密度分布規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)研究作指導(dǎo)。

2.1 外殼的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的外殼尺寸如圖2所示，成形模具采用“上一下一，中模帶臺(tái)”結(jié)構(gòu)，模具包括：成形上沖、成形下沖、臺(tái)階中模、芯棒。針對(duì)外殼產(chǎn)品本教學(xué)中主要研究模擬壓制成形的中模臺(tái)階和浮動(dòng)壓制方式，整個(gè)壓制過程為2 s，模擬運(yùn)動(dòng)參數(shù)：下沖固定，上沖行程為23 mm，上沖壓制速度為11.5 mm／s；中模行程為18 mm，浮動(dòng)速度為9 mm／s；芯棒行程為18 mm，浮動(dòng)速度為9 mm／s。模擬總步數(shù)（step）設(shè)定為200，步長(zhǎng)為0.113 mm。

圖2 外殼壓坯尺寸

本模擬根據(jù)外殼的模型及壓制參數(shù)進(jìn)行壓制仿真得到壓坯密度分布圖，如圖3所示，可知整體密度分布呈現(xiàn)“兩端大，中間小”趨勢(shì)。密度分型面位于齒部與boss軸交界處，而對(duì)于齒頂?shù)烬X根的齒部區(qū)域有較大密度（該區(qū)域顯示紅色），這是由于頸部（boss）軸先受壓，部分粉末橫向移動(dòng)到該區(qū)域，相當(dāng)于粉末充填量增多，boss軸密度是下端大于上端（這是由于各模具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成，目前設(shè)置的工藝類似于下沖往上頂?shù)膯蜗蜻\(yùn)動(dòng)）。外殼的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解中模帶臺(tái)階的浮動(dòng)壓制方式（類似單向壓制）及該結(jié)構(gòu)壓坯的密度分布和造成原因。

圖3 外殼壓坯密度分布圖

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，模擬數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1及圖4。通過對(duì)比表1可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致吻合，密度呈“兩端大，中間小”的趨勢(shì)，齒部具有最大的密度，通過計(jì)算相對(duì)密度最大誤差值為3.7%。分析產(chǎn)生該誤差的原因?yàn)槟M中選取的數(shù)據(jù)為某區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)上的相對(duì)密度，而實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的平均相對(duì)密度。盡管實(shí)驗(yàn)與模擬的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但該誤差在可接受的范圍內(nèi)［14］，故本研究中壓制工藝模擬仿真的坯料密度分布數(shù)據(jù)是可靠的。

表1 實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 實(shí)驗(yàn)條件與模擬情況下，外殼壓坯的相對(duì)密度分布對(duì)比

2.2 殼體的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中殼體尺寸如圖5所示，成形模具采用“上一下一”結(jié)構(gòu)，模具包括：成形上沖、成形下沖、中模、芯棒。針對(duì)該產(chǎn)品本教學(xué)中研究模擬壓制成形中的浮動(dòng)壓制即雙向壓制方式，模擬運(yùn)動(dòng)參數(shù)：下沖固定，上沖行程為22 mm，壓制速度為5.5 mm／s；中模行程為10 mm，浮動(dòng)速度為2.5 mm／s；芯棒行程為10 mm，浮動(dòng)速度為2.5 mm／s。模擬總步數(shù)設(shè)定為200，步長(zhǎng)為0.11 mm。

圖5 殼體壓坯尺寸

基于上述壓制成形參數(shù)，對(duì)殼體進(jìn)行仿真模擬分析，得到如圖6所示的壓坯密度圖，由圖可知，壓坯的密度分布與前面實(shí)驗(yàn)中的外殼項(xiàng)目，密度分布趨勢(shì)一致，呈“兩頭大，中間小”的現(xiàn)象，這與雙向壓制方式有關(guān)，受模具和粉末體的摩擦力作用，壓坯上、下兩側(cè)受到的壓力最大，越往中間，壓力減弱。在粉體中間部位作用的壓力最小，成形密度最低，其密度分型面呈現(xiàn)在中間部位（密度分布圖中中間部位有一圈淡藍(lán)色的密度分型線）。不同壁厚處部位，在同一高度上，其密度不一樣，厚壁的密度要比薄壁密度高（P3＞P6，P2＞P5，P1＞P4），這是由于粉末在薄壁處充填量較小，而在受壓過程中薄壁處的粉末橫向移動(dòng)量更大，導(dǎo)致密度降低。針對(duì)殼體成形工藝的模擬仿真，可以讓學(xué)生了解雙向壓制方式和產(chǎn)品厚薄部位對(duì)密度的影響。

圖6 殼體壓坯密度分布圖

2.3 帶輪的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的VVT帶輪尺寸如圖7所示，該類產(chǎn)品為“工”字形，成形模具采用“上二下三”結(jié)構(gòu)，模具包括：上一沖、上二沖、下一沖、下二沖、下三沖、中模、芯棒針，對(duì)該產(chǎn)品本教學(xué)中研究模擬仿形移粉階段，中模浮動(dòng)，各沖頭同步壓制模式，其模擬整個(gè)壓制過程為5 s，行程和速度參數(shù)見表2。模擬總步數(shù)設(shè)定為300，步長(zhǎng)為0.085 mm。

圖7 帶輪壓坯尺寸

表2 帶輪成形工藝的模擬參數(shù)

項(xiàng)目中的帶輪模擬實(shí)驗(yàn)是基于伺服控制（CNC）壓機(jī)有浮動(dòng)移粉功能，在設(shè)計(jì)初始粉末體模型時(shí)其形狀是與壓坯的形狀相似，初始粉末體各段差高度為壓坯段差高度的2倍（該數(shù)據(jù)為粉末充填系數(shù)）。并根據(jù)表2的壓制參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到如圖8所示的壓坯密度分布圖。由圖8可見，齒部上端區(qū)域P1的相對(duì)密度值為0.847（密度為6.65 g／cm3），中間區(qū)域P2處相對(duì)密度值為0.842（密度為6.62 g／cm3），齒部下端區(qū)域P3相對(duì)密度值為0.878（密度為6.9 g／cm3），密度分型面位于肋板對(duì)應(yīng)的齒部區(qū)域（即P2處），該密度分布的壓坯在實(shí)際生產(chǎn)中具有較高的生坯強(qiáng)度。帶輪的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解成形過程中的仿形充填粉末的壓制方式和帶輪密度分布情況。

圖8 帶輪壓坯密度分布圖

2.4 轉(zhuǎn)子的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的VVT轉(zhuǎn)子尺寸如圖9所示，而成形模具采用“上二下三”結(jié)構(gòu)，模具包括：上一沖、上二沖、下一沖、下二沖、下三沖、中模、芯棒。成形模擬仿真強(qiáng)制移粉，中模浮動(dòng)壓制方式，其模擬整個(gè)壓制過程為5 s，行程和速度參數(shù)見表3，模擬總步數(shù)設(shè)定為300，步長(zhǎng)為0.085 mm。

圖9 轉(zhuǎn)子壓坯尺寸

項(xiàng)目中的轉(zhuǎn)子模擬實(shí)驗(yàn)是仿真成形過程的強(qiáng)制移粉壓制方式，所謂強(qiáng)制移粉是壓機(jī)主軸上的移粉桿強(qiáng)制移粉，當(dāng)壓制過程中主軸往下移動(dòng)，與其連接的移粉桿迫使下二沖與上一沖同步往下運(yùn)動(dòng)，直到設(shè)定的限位才停止同步運(yùn)動(dòng)，在此過程，芯棒Ⅰ對(duì)應(yīng)的盲孔處粉末一直處于松動(dòng)未壓制狀態(tài)。圖10為模擬強(qiáng)制移粉壓制方式下得到的壓坯密度分布圖，由圖10可見，盲孔P2處的仿真數(shù)據(jù)相對(duì)密度為0.88較理論的0.737（0.442 ×（5／3）＝0.737）大，芯棒Ⅰ對(duì)應(yīng)的P1處的仿真實(shí)際相對(duì)密度為0.818也較理論的0.442（0.442×（5／5）＝0.442）大。這正是由于強(qiáng)制移粉壓制方式原理造成的，在壓制過程前期安裝下二沖和芯棒Ⅰ（同一浮動(dòng)模板）的模板在壓機(jī)主軸的運(yùn)動(dòng)下同步下行，該部位的粉末處于未壓縮狀態(tài)，而其附近的粉末在模具的運(yùn)動(dòng)下會(huì)壓縮變形，故附近粉末發(fā)生橫向流動(dòng)，增加盲孔處和芯棒Ⅰ處的粉末量，提高其密度。轉(zhuǎn)子的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解成形過程中的強(qiáng)制移粉壓制方式和轉(zhuǎn)子的密度分布情況。

表3 轉(zhuǎn)子成形工藝的模擬參數(shù)

圖10 轉(zhuǎn)子壓坯密度分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將粉末冶金零件的成形壓制工藝的仿真研究引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于Deform模擬軟件對(duì)成形工藝的不同壓制方式進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果壓坯密度分布進(jìn)行分析。通過對(duì)外殼、殼體、帶輪及轉(zhuǎn)子的成形工藝進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)粉末冶金成形工藝的仿真模擬技術(shù)有更進(jìn)一步了解，由淺入深地熟練掌握該門技術(shù)。

通過壓制工藝的仿真實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)接觸科研前沿、提高實(shí)驗(yàn)技能平臺(tái)，學(xué)生通過操作實(shí)驗(yàn)過程、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以從中學(xué)習(xí)Deform的建模、網(wǎng)格劃分、仿真分析等方法，培養(yǎng)學(xué)生利用先進(jìn)仿真軟件解決實(shí)際科研問題的能力。將Deform仿真融入粉末冶金成形壓制工藝研究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)壓制方式、模具結(jié)構(gòu)和密度分布規(guī)律的理解，還能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問題的能力。