铜基粉末压制成形过程的数值模拟与实验研究

摘要

本文采用有限元模拟软件MSC.Marc对铜基粉末的压制成形过程进行数值模拟研究。在研究过程中建立了一套粉末体压制成形过程中摩擦系数变化曲线的测试装置，通过该装置得到了铜基粉末压制成形过程中的摩擦系数变化曲线，并将其成功导入到有限元模拟分析的模型中。
　　 有限元模拟结果表明：铜基粉末成形过程中模壁摩擦作用导致的粉末颗粒位移滞后现象决定了压坯最终的相对密度分布状况，粉末的位移变化规律与压坯的密度分布相似，降低压制速度可以明显改善弹性后效导致的压坯变形和密度下降等不利现象。
　　 通过二维有限元模型分析了铜基粉末压制成形过程的主要影响因素，研究结果表明：润滑条件的改善可以明显减小粉末颗粒位移滞后现象带来的不利影响；粉末的高径比H/D≤1.5时，压坯的密度均匀性比较理想，当H/D＞1.5时，其密度分布均匀性较差，尤其是H/D≥4时，密度分布差异过大，易造成粉末体压坯密度薄弱处的开裂甚至坍塌；增加压制速度易使压坯密度分布不均；压制方式的转变可以改变压坯密度的分布状况，双向压制比单向压制可获得到更均匀的压坯；压制结束后的保压一定时间可以给很好地降低弹性后效带来的负面影响；脱模方式也会影响压坯密度的均匀性，顶出式脱模比压下式脱模更合理。
　　 针对圆筒形铜基粉末冶金制品的生产工艺进行了深入的模拟研究分析，建立了9种不同的压制工艺方案，并对其成形影响因素进行分析。研究结果表明：双向压制时，采用相同的上下模冲压制速度，得到的压坯均匀性较好。采用带浮动芯棒的双向压制时，上下模冲压制速度比值为10/1的时侯，得到的压坯密度分布比上下模冲速度相同时要均匀很多。采用带浮动芯棒的单向压制时，其模具内壁的摩擦作用是有害的，芯棒外壁的摩擦作用则有利于得到密度分布均匀的压坯，但是芯棒外壁过于粗糙也会使得压坯密度均匀性下降。

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致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2粉末成形的数值模拟研究现状

1.3本文的研究目的、内容及意义

第二章 铜基粉末压制成形的理论分析

2.1压制成形过程的分析

2.2压制力和压坯密度之间的关系

2.3金属粉末材料的力学建模

2.3.1金属塑性力学方法

2.3.2广义塑性力学方法(土塑性力学方法)

2.3.3微观力学方法

2.3.4内蕴时间理论方法

2.4本章小结

第三章 有限元数值模拟技术研究

3.1 MSC.Mare软件模拟过程的简介

3.2前处理分析

3.2.1建模以及粉末材料定义

3.2.2接触分析

3.2.3接触体的运动定义以及接触探测

3.2.4定义初始条件和边界条件

3.3高度非线性问题的分析

3.3.1非线性方程组的求解

3.3.2非线性迭代的收敛检查

3.4本章小结

第四章 摩擦系数测试装置的设计与实验

4.1摩擦模型的分析

4.2摩擦系数测试装置的设计

4.3摩擦系数测试原理及误差消除

4.4铜粉压制的摩擦系数测试

4.5本章小结

第五章 铜基粉末压制成形的有限元模拟分析

5.1相对密度分析

5.2位移分析

5.3弹性后效分析

5.4粉末体压坯密度分布影响因素的分析

5.4.1不同润滑条件

5.4.2不同高径比

5.4.3不同压制速度

5.4.4不同压制方式

5.4.5不同保压方式

5.5.6不同脱模方式

5.5本章小结

第六章 圆筒形铜基粉末冶金制品的生产工艺优化

6.1圆筒形铜基粉末冶金制品的模拟分析

6.2圆筒形铜基粉末冶金制品的生产工艺优化

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2本文的创新之处

7.3工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文