粉末热锻模具磨损特性与机理的仿真及实验研究

摘要

粉末冶金是一种少、无切削的制造工艺，具有节约原材料、节省工时、节约能源等特点，经济效益突出。粉末热锻(P/F)是指将烧结的预成型坯经加热后在闭式模中锻造成零件的工艺，是一种少无切削的近净成形加工工艺。粉末热锻工艺过程复杂，模具的磨损形式是粉末多孔烧结材料与致密的模具钢材料之间的磨损，是一个热（温度）—力（摩擦力）—化学介质（润滑剂）等多因素相互耦合作用下的非线性动力学问题，导致了模具寿命偏短、生产成本过高。因而研究粉末热锻过程中模具的磨损特性以及探究模具的磨损机理，对于找到延缓模具磨损的方法具有重要的意义。
　　文章选用H13钢作为模具用钢，通过优化热处理工艺、设计和制造模具、搭建实验装置，进行粉末热锻实验，实验结果表明:模具磨损量大小均是随着锻造密度的增加而增加，模具沿轴向上磨损不均匀，靠近上端的磨损量最大。对实验模具解剖后的微观分析得出:粉末热锻模具的磨损过程一个包含典型磨粒磨损在内的氧化和剥落交替进行的动态平衡过程。
　　有限元模拟是当前工程技术领域较为常用的数值分析方法，本文建立粉末热锻有限元模型，借助DEFORM-3D有限元软件对粉末热锻工艺过程进行了数值模拟，反推求出广义Archard磨损理论中针对粉末热锻的磨损系数k，其大小为1.272e-6。在此基础上进行模具的仿真分析，仿真结果表明:模具的磨损量大小随着锻造密度的增加而增加，锻件相对密度在92％以上时模具越靠近上端磨损越为严重。
　　本文最后基于修正的广义Archard磨损理论，选取锻造方式、锻造温度以及锻造速度三个参数对模具磨损量进行仿真优化，优化结果表明:最佳的锻造方式为坯料与芯棒和阴模的两侧均留有流动间隙，采取两侧流动致密的方式进行锻造，最佳锻造温度范围为1050～1100℃，最佳锻造速度范围为200～300mm/s。通过锻造方式和锻造工艺的优化有效地减缓了模具的磨损，提高了粉末热锻模具的寿命，这对于粉末热锻工艺技术的改进具有重要的借鉴价值。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 粉末锻造工艺概况

1．1．1 粉末冶金工艺

1．1．2 粉末锻造的原理

1．1．3 粉末锻造工艺分类

1．2 粉末锻造技术的发展现状

1．2．1 国外粉末锻造技术的发展现状

1．2．2 我国粉末锻造技术的发展现状

1．3 锻造模具磨损特性的研究进展

1．3．1 锻造模具的磨损失效

1．3．2 锻造模具磨损的国内外研究进展

1．4 闭式模锻工艺过程的数值模拟方法简介

1．4．1 DEFORM-3D有限元软件简介

1．4．2 热力耦合模型概述

1．5 本文研究的目的、意义与主要内容

第二章 粉末热锻模具磨损特性的实验研究与机理分析

2．1 实验方案的选择与依据

2．1．1 热锻模具设计

2．1．2 模具钢热处理工艺的优化

2．1．3 预锻坯的制取

2．1．4 热锻工艺参数的选择

2．2 模具磨损特性的实验研究与机理分析

2．2．1 磨损特性随锻造密度的变化规律

2．2．2 磨损特性沿轴向的变化规律

2．3 本章小结

第三章：粉末热锻工艺过程及模具磨损特性的数值模拟

3．1 模型的建立与模拟参数的设置

3．1．1 有限元模型的建立

3．1．2 铁基粉末烧结材料本构方程的求解与导入

3．1．3 模拟参数的设置

3．2 锻件成形过程的数值模拟

3．2．1 热辐射与热传递过程的温度场模拟

3．2．2 不同压下量下锻件密度的均匀性

3．3 模具应力与磨损特性的数值模拟

3．3．1 模具等效应力的数值模拟

3．3．2 针对粉末热锻的模具磨损系数修正

3．3．3 模具磨损特性的数值模拟

3．4 修正的Archard磨损理论可行性验证

3．5 本章小结

第四章 基于修正的Archard磨损理论的粉末热锻模具寿命优化

4．1 预锻坯与模具间隙量的优化

4．1．1 间隙方式的选取

4．1．2 不同间隙方式下锻件密度均匀性

4．1．3 不同间隙方式下模具应力分布

4．1．4 不同间隙方式下模具磨损分布

4．2 锻造温度的优化

4．2．1 锻造温度的选取

4．2．2 不同锻造温度下锻件密度均匀性

4．2．3 不同锻造温度下模具应力分布

4．2．4 不同锻造温度下模具磨损分布

4．3 锻造速度的优化

4．3．1 锻造速度的选取

4．3．2 不同锻造速度下锻件密度均匀性

4．3．3 不同锻造速度下模具应力分布

4．3．4 不同锻造速度下模具磨损分布

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果