金属粉末温压成形的力学建模和数值模拟

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1、摘要粉末冶金成形技术作为一种应用广泛的精密成形技术，具有少无切削加工、材料利用率高、制造过程清洁高效、生产成本低的优点，并可用于制造形状复杂和难加工的产品，因此对粉末冶金成形领域新工艺新技术的研究备受国内外工业界和学术界的关注。在粉末冶金成形流程中，压制工序的技术水平直接影响着最终成形零件的品质。在理论分析和实验基础上建立的数学模型，有助于了解粉末压制过程的致密化机理，预测金属粉末冶金材料压制过程中的变形，为制定合理的压制工艺、优化模具的设计、改进和创立粉体成形新工艺提供理论指导。本论文主要研究了金属粉末温压过程的力学建模理论和数值模拟方法。在现有粉末压伟4研

2、究方法和理论基础上，对金属粉末在温压过程中的流动应力、弹性模量、泊松比以及摩擦等参数的变化规律进行了实验研究和理论探讨，在此基础上实现了工业生产中三维复杂零件的温压数值模拟。主要研究内容如下：首先，本文概述了粉末体成形的研究方法和进展，介绍了常见的金属粉末材料力学模型、温压致密化机理研究概况和数值模拟技术。在此基础上，本文阐述了金属粉末温压建模和模拟工作的未来发展方向，提出了本文的主要目标。在分析和总结已有模型的基础上，本文选择了具有坚实理论基础的椭球型力学模型作为主要研究对象，推导了此类模型的热弹塑性增量本构关系的通式，得到了适于粉末成形数值模拟的大变形uL

3、法的有限元列式，建立了该本构关系的积分算法格式以及实现模拟所必需的一系列算法和公式。在Msc．Marc软件平台的基础上开发了用户接口模块，实现了上述的通式和算法，进而实现了大位移、大变形条件下的温压过程三维数值模拟。分析了粉末弹性模量和泊松比随相对密度变化的规律，得到了温压情况下相对应的修正弹性参数函数。通过点测法测量了粉末压坯不同高度处的侧压力，进而得到了粉末温压过程中粉末与模具侧壁的摩擦力和摩擦系数，为温压数值模拟提供了依据。通过单向压缩温压实验所得到的相对密度与流动应力的关系，拟合得到了符合铁基粉末材料温压过程的流动应力模型。讨论了Park、Doraiv

4、elu、Kuhn和Lee等人提出的不同流动应力模型以及本文新模型对模拟结果的影响。与实验值的对比显示，采用本文新模型计算得到的密度分布和载荷行程曲线与实验测量结果吻合较好。通过对主应力空间中应力张量不变量之问的比值变化分析了椭球型力学模型理论误差。温压实验和数值模拟所得到的粉末密度分布表明，压坯在轴线上的密度分布呈现先增加后降低的趋势，与模壁处的密度分布趋势相差较大。本文通过对圆柱华南理工大学博士学位论文体压坯扇形块的受力分析，导出了压坯径向截面上结点的轴向应力计算式，分析了影响轴向应力传递的因素以及产生粉末由上表面边缘向轴线下方流动的原因。应用文中建立的模型

5、、公式、算法和开发的程序，本文模拟了上二下三多台面零件和同步带轮的压制过程，优化了多台面零件成形过程中各零部件的相对运动关系。分析了台面截面转接处出现低密度区域的原因及解决方案。研究了复杂三维同步带轮零件压制过程中粉末在模具中的流动规律，讨论了不同装粉方案和压制参数设计方案对此类零件生坯密度均匀性的影响。关键词金属粉末：温压；力学建模；数值模拟IIAbstractAbstractPowdermetallurgy(P／M)isawidelyusedprecisionprocessingtechnology．MoreaIldmoreresearchesarefoc

6、usedonnewP／Mtechn0109ybecausethiskindoftechniquebringslesssubsequentmachining，higherefncicency，10werpollutionandcost．P／l证technologyisalsousedinproducingcomplexshapepartsdif靠culttocut．InP／Mmanufhcturingprocess，qualityofthegreencompactsobtainedinthemanufacturingprocedureisessentialtot

7、heperformanceandprecisionofnnalproducts．AccuratemathematicalmodelbasedonexperimentandtheoreticalanalysiscanrevealthedensificatiOnmechanicsofcompactionandpredictthedeformationofpowdermetal_Withtheaccuratesimulationresults，engineerscanoptimizethemoulddesignandcompactionparameters，also

8、newcompactiontechni