高长径比粉末冶金零件成形过程的数值模拟

　　摘要:针对粉末冶金法生产高长径比产品尺寸变形大和产品精度低等问题，提出分段成形控制工艺。通过ABAQUS进行数值分析，采用更新的Lagrange方式和大变形弹塑性理论从Mises应力、节点位移、径向最远端密度分布方面进行对比，结果表明，该方法可有效提高密度分布均匀性，显著减小零件双向成形腰部尺寸偏小问题。与现有高长径比产品生产工艺进行对比，节省原材料并简化后续加工工艺。

　　关键词:粉末冶金;分段成形;数值分析;密度分布

　　1引言

　　粉末冶金是将原材料金属或非金属粉末与金属粉末混合物通过成形和烧结制造金属材料、复合材料及零部件的方法，具有绿色性、低成本和近净成形的特点[1]，广泛应用于航空航天、汽车、精密仪器、切削刀具和国防等行业。高长径比零件加工是粉末冶金法生产的难点，长径比越大，其摩擦积聚效应越明显，造成产品密度分布不均匀，使零件尺寸精度降低，影响产品性能[2，3]。高长径比产品应用广泛，如合金棒材和合金排气阀等[4，5]，多采用沿径向而非轴向成形工艺，必须增加工艺台等结构，造成材料浪费和后续工艺增加。本文提出一种沿轴向成形高长径比产品的方法。

　　2分段成形方法

　　粉末冶金模压成形中成形施压方法有单向、双向和浮动成形[1]三种。因粉末颗粒与模壁、颗粒之间存在摩擦作用，使轴向成形方向的成形压力逐渐衰减。同零件高度下，单向成形的衰减大于双向成形，长径比越大粉末的密度均匀性越低[3，6]。成形密度差异是造成产品尺寸精度不高的主要原因，当产品长径比较高时，其密度差可达0.5g/cm3。粉末冶金成形过程中，混合料的流动与流体成形类似但又有区别，双向成形可显著提高零件密度分布均匀性[7]。当零件长径比增加超过3后，沿轴向的成形力降低，零件的成形性变差[8]。

　　研究表明，提高模壁表面粗糙度可以缓解摩擦效应时密度分布均匀性提高，但工业应用级粉末冶金模具已达到镜面级，面临进一步提高表面粗糙度成本较高的问题[9]。从运动控制的角度提出分段成形控制法。双向成形其压力降从端面到中间逐渐降低，在中间部位达到最低，产品表现为靠近端面镜像尺寸大，中间部位尺寸小。分段成形将一次双向成形分为多次成形，以两段成形为例，第一步完成总重量对应体积一半的混合料，第二步上模冲完成预压，此时顶部密度增加，第三步装填剩余混合料，第四步进行同步双向成形，此时两端的密度增加，中间增加量最小，最后脱模。单段成形则仅进行第一、二、五步。

　　3数值模拟对比分析

　　粉末冶金模具成形是典型的材料非线性、粉末变形非线性、成形过程非线性过程，目前尚无较完善的解析方法，常见的有滑移线方法、上限法、均匀变形法等[10-13]。粉末成形过程具有粉末位移大、变形大的特点，采用更新Lagrange求解，将当前时刻的应变和应力作为下一时刻的求解初始条件，其方程组的系数矩阵和变量不断变化，如此不断进行求解[14]。与欧拉法相比，其计算载荷增量采用现实构型来描述，更适合大变形和非线性的场合[15，16]。

　　3.1试验条件

　　将Φ10.5×12mm材料作为研究对象，三维结构见图4a，取3465混合料牌号。该型号填料高度为24mm，成形后生坯高度为15mm。零件为回转体，为便于计算将其简化为径向1/2矩形截面。划分网格480个，节点1557个(见图4b)，摩擦系数取0.2和0.3。取第一次成形预压量3mm，第二次成形到位。

　　3.2试验结果及分析

　　(1)施压方式

　　单次双向成形时，轴线方向应力上下对称分布，边缘位置两端应力大于中间应力;径向方向，端面靠近中心的应力小于靠近远端的应力。两段成形的应力分布趋势相近，但是中间应力最小位置略微上移，因为分段方法为两次填料的混合料体积均分，第二次成形时，将第一次预压后的密度增加点下移，但是第二次装填后的混合料经过成形后，其应力最低处位于第二次成形范围内;根据VonMises准则，分两次后所需要的成形力大于单次成形力，故其屈服时间较早，塑性变形充分;两段成形的Mises应力大于单段成形。

　　(2)摩擦影响

　　取径向最外端某一条线上的节点为分析对象，研究不同施压方式下摩擦系数对相对密度的影响。可见单次双向成形密度整体分布呈“纺锤形”;摩擦系数越大，相对密度越小，造成相对密度差越大;两次双向成形其相对密度最小点出现在中间偏上的位置，与Mises分析结果相符，同理，摩擦系数越大，其相对密度越小;两段成形的相对密度差显著小于单段成形的密度差。分两端成形后，第一段成形按压缩量为3mm，第二阶段成形为再次填料后，成形位置从21mm成形到15mm，两段成形的摩擦距离较单段减少13%。

　　(3)节点位移

　　以径向最远端的5个节点(即密度差异最大处)为分析对象，取5个节点，其中Node543和Node1539对称，Node825与Node1329不对称，Node1077为对称轴处偏上1个单元，在成形过程中的节点位移量不同。单段成形中节点位移以轴向对称轴对称分布，中间节点Node1077节点位移最小几乎为0，上下完全对称，Node543和Node1539的位移曲线完全重合;两段成形的节点均在压力作用下发生移动，上部三个部位的节点其初始值为3，是因为叠加了第一阶段预成形的量，其中间节点的位移量大于单段成形位移量。分两段成形的第一阶段的压缩量主要作用在该节点，增加了单段成形的该节点密度，但第一阶段的压缩量需控制致密化程度，不能影响第二段再次成形，造成后续烧结工序的分层、孔隙等问题，且不同的混合料牌号具有不同的预压缩量。

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　　4结语

　　(1)以单、双段成形方法对比Mises应力分布，分析表明轴向最远端的Mises应力差异最大，而两段成形的应力大于单段;两段成形法显著提高了高长径比粉末冶金零件的密度分布差异。(2)模壁摩擦作用会影响零件密度分布的均匀化。摩擦系数增加使零件密度差异增大，进而影响零件的尺寸精度。降低摩擦系数和减小摩擦作用距离是增加粉末冶金法生产零件的有效手段。(3)分段成形是显著提高粉冶零件密度分布均匀性的方法。每段压缩量需要根据零件结构和混合料条件来确定分段量，需要以产品性能为基准反复进行试验优化。

　　参考文献

　　[1]黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社，1997.

　　[2]谷曼.铁基粉末高速压制过程中粉体摩擦行为及致密化机理[D].合肥:合肥工业大学，2015.

　　[3]李达，杨丽，钟飞，等.模壁摩擦对颗粒压制成形影响的细观模拟分析[J].科技与创新，2016(17):78-79.

　　作者：江凌燕1，江湘颜2，刘爱强1

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