陶瓷粉末压制成型过程数值模拟的研究

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1、中文摘要陶瓷材料具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、耐放射性等一系列优点，己广泛应用于冶金、机械、国防、航天航空等诸多领域。陶瓷粉末干压成型和冷等静压成型是制备陶瓷结构部件的重要方法。干压法成型主要适用于制备圆形、薄片状的小部件，由于干压成型的加压方向只限于轴向，压成的坯体结构具有明显的各向异性。冷等静压成型可用于制备大尺寸陶瓷部件，所得坯体致密均匀性较好。目前，一般采用反复试验的方法来确定陶瓷粉末成型工艺和模具形状尺寸。随着现代计算机模拟技术的发展，通过有限元法数值模拟可以从根本上解决粉末成型工艺设计过于

2、依赖经验的问题，达到改进产品质量，提高生产效率，降低成本，优化模具和工艺设计的目的。本文主要对陶瓷粉末的干压成型和湿式等静压成型进行数值模拟和应用研究。模拟工作在大型有限元软件Msc．Mare／Mentat2003中完成。首先，通过对Zr02陶瓷粉末干压成型小圆片过程进行了模拟，分析了陶瓷粉料在加压过程中的密度场、应力场变化、粉末材料的流动情况以及粉料和模壁之间的摩擦对坯体性能的影响，并精确预测了坯体的尺寸。此外，本文重点对湿式等静压成型Zr02陶瓷柱塞过程进行了模拟，分析了陶瓷粉末变形过程中的应力场、应变

3、场和密度场分布，精确预测了坯体的形状和成型前后的尺寸变化，研究陶瓷粉末在成型过程中的变形规律以及各工艺参数对成型过程的影响，并进行了模具优化设计。本文分析了干压成型所得坯体密度缺陷成因；定量分析了粉料和模壁之间的摩擦对坯体密度分布的影响；模拟所得成型坯体的尺寸收缩率为120％，与实验测得的尺寸收缩率n9％很接近。另外，本文对湿式等静压成型21"02陶瓷柱塞过程进行了模拟，所得坯体密度与实测密度吻合性好；精确预测了坯体的形状和尺寸，模拟结果和实验结果的误差在1％之内。并且应用有限元数值模拟方法对湿式等静压成型

4、模具进行了优化设计，将橡胶塞的外直角面改为球面后，坯体各部分受力更均匀，可得到密度更均一的坯体。同时，分析了橡胶袋的厚度对坯体形状和尺寸的影响：当橡胶袋的厚度大于2．5nun时，橡胶袋对坯体形状和尺寸的影响不明显；当橡胶袋的厚度小于2．5mm时，所得坯体变形较大且坯体表面较粗糙。关键词：有限元模拟；干压成型；湿式等静压；模具优化ABSTRACTBecauseofsuch900dqualitiesashighstrengthandtoughness，heat-resistance，abrasion-resis

5、tanceandradioaetivity-resistance，ceramicproductsalewidelyusedinthefieldsofmetallurgy,mechanicalengineering，nationaldefenceandaviation．Diepressingprocessandcoldisostatiepressingprocessaretheimportantmethodsofmakingceramicparts．Diepressingmethodismainlyusedt

6、oproducethinceramiccomponents．However,thestructureofthecompactproducedbydiepressingprocessisobviouslyinhomogeneousastheappliedpressureisrestrictedintheaxialOrientafion．ManyLargeandcomplicatedcomponentsCallbemadebycoldisostaticpressingprocess，andthedens畸oft

7、hecompactismoreuniformthantheoneobtainedbydiepressing．Finiteelementsimulationofthepressingprocessistheeffectivemethodtooptimizetherubbermoulddesignprocess，improvetheproductquality,heightenthee佑ciencyandreducethenumberofincreasingtrialanderrorcyclesusedincu

8、rrentindustrialpractice．T11ispaperstudiedthediepressingprocessandwetisostaticpressingprocess·ofceramicpowderswi也fimteelementsimulationmetho正andthelargefiniteelementsoftwarenamedMsc．Marc／Mentat2003wasemployed．