铁-碳-铜粉末冶金成形工艺的数值模拟

摘要

随着粉末冶金行业的快速发展，粉末冶金零件在各个领域都得到了广泛地应用，但同时对零件的品质也提出了更高的要求，压坯密度和密度分布的均匀性显著影响着零件的品质。将数值模拟技术运用于金属粉末成形过程以预测压坯密度及密度分布，可以大大降低产品的设计成本和缩短产品的研发周期。故此本文对粉末塑性成形机理、材料模型的建立、成形工艺的数值模拟以及力学性能与相对密度的关系进行了以下研究:
　　1.基于金属塑性力学的椭球形屈服准则，并通过实验建立Fe-1wt.％C-2wt.％Cu粉体材料模型。采用二维回转体圆柱模型及三维凸轮模型，对其成形过程进行有限元数值模拟及实验验证。将密度分布的模拟结果与实验结果对比，验证材料模型及屈服准则的合理性。
　　2.运用有限元分析法对圆柱模型及凸轮模型进行成形工艺优化。对于圆柱模型，研究压制方式、压制速率、摩擦系数、成形温度、保压时间五组变量对压坯密度分布的影响，并得到最佳组合压制工艺方案。对于凸轮模型，在压制过程中主要研究单向压制、双向压制、浮动压制和摩擦压制四种成形方式对压坯密度的影响。在热锻过程中研究锻压速率、摩擦系数、坯料加热温度、模具预热温度和坯料初始相对密度五组因素对烧结体密度分布的影响，从而获得最佳的凸轮成形工艺方案。
　　3.基于材料模型和屈服准则合理的前提下，结合最佳组合压制工艺方案，将数值模拟应用于实际生产的零件中。本文主要对三维零件直齿轮和油量控制套筒的成形过程进行模拟分析。针对齿轮，研究端面上不同尺寸孔洞的齿轮压坯密度分布，并进行结构优化。针对油量控制套筒，研究在模具的不同改进方案（改进假芯棒、上浮动冲分型、设计漏粉穴、调整局部装粉系数）下的压坯密度分布。
　　4.最后研究Fe-1wt.％C-2wt.％Cu粉体的压制曲线及烧结体的横向断裂强度、拉伸强度、硬度等物理性质，并建立相对密度与力学性能一种相应的关系模型，同时对烧结体的表观形貌及显微组织进行微观分析。因而可直接通过数值模拟得到的相对密度来预测零件品质和制备工艺的好坏。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 粉末压制数值模拟法

1．2．1 屈服准则的本构方程

1．2．2 粉末塑性成形数值模拟的难点

1．3 国内外的研究现状

1．4 本文研究的主要内容及意义

2 模型参数及材料参数

2．1 引言

2．2 摩擦模型分析

2．2．1 库伦摩擦模型

2．2．2 剪切摩擦模型

2．3 接触模型分析

2．4 材料参数的设置

2．4．1 粉末颗粒的形貌

2．4．2 铁粉的粒度分布

2．4．3 粉体相对密度

2．4．4 粉体松装密度

2．4．5 粉末流动性

2．4．6 弹性模量

2．4．7 泊松比

2．4．8 热膨胀系数

2．5 本章小结

3 模型验证及粉末成形工艺优化

3．1 引言

3．2 二维回转体圆柱模型实验验证及成形工艺优化

3．2．1 验证材料模型及屈服准则

3．2．2 压制工艺的优化设计

3．3 三维凸轮零件的实验验证及成形工艺优化

3．3．1 验证材料模型及屈服准则

3．3．2 凸轮成形工艺优化

3．4 本章小结

4 典型三维零件成形过程的数值模拟

4．1 引言

4．2 直齿轮零件

4．3 柴油机油量控制套筒

4．3．1 成形工艺及模具设计

4．3．2 改进方案下的成形工艺模拟

4．4 本章小结

5 Fe-1wt．％C-2wt．％Cu粉末材料密度与性能的研究

5．1 引言

5．2 粉末压制性能

5．3 硬度

5．4 横向断裂强度

5．5 拉伸强度

5．6 表观形貌

5．7 显微组织

5．8 本章小结

6 结论、创新之处及工作展望

6．1 结论

6．2 创新之处

6．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况