WC-Co粉末壓制過程有限元模擬研究

張京，蔣炳炎

（中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

壓制成形是硬質(zhì)合金刀片生產(chǎn)工藝中一個重要環(huán)節(jié)，它是將粉末在成型機上壓制成具有一定尺寸、形狀、密度和強度的待燒壓坯體［1］。另外，壓制工藝與模具設(shè)計對產(chǎn)品尺寸精度的影響最大，目前產(chǎn)品加工工藝和模具設(shè)計仍然采用的是比較傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計法，往往耗時、耗力、耗財?shù)剡M(jìn)行重復(fù)性設(shè)計［2］，通過這樣不斷試驗與改進(jìn)優(yōu)化來達(dá)到產(chǎn)品的尺寸精度，無疑造成了很大的浪費，拖延了產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)周期。粉末壓制成型過程的計算機仿真模擬技術(shù)基于有限元法、圖形學(xué)和塑性力學(xué)等技術(shù)，對粉末壓制過程進(jìn)行仿真模擬［3］。同時，粉末成形是一個集材料、幾何和邊界條件的組合非線性過程［4］，Msc.Marc 以其強大的非線性功能模擬出粉末成形過程中應(yīng)力分布、粉末相對密度分布以及顯示粉末顆粒流動規(guī)律等，了解壓制成形過程中出現(xiàn)的問題以及問題所處的部位，從而做到了早期評價，可優(yōu)化工藝參數(shù)。由于壓制工藝參數(shù)能改變壓坯坯體的密度分布，其密度分布影響毛坯經(jīng)燒結(jié)后的變形趨勢。因此，如能通過理論研究完全了解壓坯密度變化分布于趨勢，這不但能提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少人力物力，同時對工藝技術(shù)的改進(jìn)也具有指導(dǎo)作用。

1 粉末成形過程模擬

1.1 本構(gòu)模型簡述

式中系數(shù)q 和b 通過單軸壓縮試驗和三向壓縮試驗得到。

1.2 模型建立

圖1 壓制仿真模型圖

1.3 其他仿真條件設(shè)置

在求解時，沖頭和頂出器施加位移約束，模體施加固定約束的邊界條件，由于此壓制過程屬于冷壓成型工藝，所以未考慮溫度的影響。

仿真模型接觸類型為全自動接觸（Contact），WC-Co粉末為可壓縮的變形接觸體（Deformable Body），沖頭、頂出器、模體均設(shè)置為剛體（Rigid Body），選用修正的基于節(jié)點應(yīng)力（Nodal Stress）的庫侖摩擦模型定義變形過程中的摩擦行為。對于求解方程的設(shè)置，采用修正的牛頓拉夫森法，采用大位移、大應(yīng)變以及更新拉格朗日方法的觀點來描述。

1.4 結(jié)果分析

從雙向、單向壓制這兩大類進(jìn)行仿真試驗分析。雙向壓制分為上下沖頭相向運動，模體靜止；上沖頭、模體同向運動，頂出器靜止；單向壓制分為上沖頭或頂出器運動；沖頭和頂出器的行程比或頂壓值的設(shè)定，通過研究以上幾種壓制方式或者壓制參數(shù)改變對壓坯相對密度分布的影響。

在仿真模型中，所設(shè)置的粉末填料高度和壓制高度都保持不變。取模體壁處A 點到B 點相對密度值的變化來分析不同的壓制方式對壓坯密度分布變化的影響與趨勢，其結(jié)果如圖2～圖6 所示。

圖2 雙向壓制時沿AB 相對密度圖

圖3 沖程比1∶2 時沿AB 相對密度圖

圖4 單向壓制時沿AB 相對密度圖（沖頭靜止）

圖5 單向壓制時沿AB 相對密度圖（頂出器靜止）

圖6 頂壓值0.5 時沿AB 相對密度圖

從圖2 可以看出，采用雙向壓制方式時，壓坯相對密度值上下呈對稱分布，但是壓制位置發(fā)生變化，沖頭和頂出器的行程比為1∶2。從圖3 中可以看出，密度中線位置向上移，壓坯底部相對密度比上部大。從圖4、圖5 可知，采用單向壓制方式時，壓坯底部與頂部相對密度差值較大，其上下密度分布對稱性差，當(dāng)沖頭運動時，上部密度比底部大；頂出器運動時，下部密度要比頂部大。從圖6和圖2 對比可知，當(dāng)施加頂壓后，使壓坯的上部相對密度值比下部整體要大。因此，采用不同的壓制方式或者壓制參數(shù)，能改變壓坯軸線方向上的相對密度分布，進(jìn)而影響壓坯燒結(jié)后毛坯的尺寸變形情況。

2 V、D 形刀片刀尖對比仿真分析

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

針對生產(chǎn)中VNMG、DNMG 系列產(chǎn)品出現(xiàn)刀尖處的尺寸精度問題，對產(chǎn)品進(jìn)行有限元仿真分析。通過對V、D形刀片刀尖處壓坯的相對密度分布對比試驗，了解刀尖圓弧、夾角對刀尖處密度分布的影響，從而找出影響刀尖處密度分布的主、次因素。

2.2 試驗方法

建立以刀尖圓弧和夾角為試驗因素，刀尖處相對密度分布均勻性為性能指標(biāo)的正交試驗。每個因素取二種水平，列表如表1 所示。

建立V 形和D 形刀尖圓弧分別為R04、R12 時仿真模型，得出刀尖處密度分布均勻性值（通過比較刀尖處高密度所占區(qū)域與總體刀尖區(qū)域面積比來確定該值）。通過有限元仿真計算得到的刀尖處相對密度分布云圖如圖7～圖10 所示。

表1 因素水平表

圖7 V 形刀片R04 壓坯相對密度分布云圖

圖8 V 形刀片R12 壓坯相對密度分布云圖

圖9 D 形刀片R04 壓坯相對密度分布云圖

圖10 D 形刀片R12 壓坯相對密度分布云圖

通過分析各相對密度云圖大致可以確定刀尖處黃色區(qū)域占總體刀尖的比例大約分別為95%、20%、80%、10%。在正交試驗中，以刀尖相對密度分布均勻性為性能指標(biāo)，確定試驗號1、2、3、4 的試驗值分別為0.05、0.8、0.2、0.9。

給定α=5%，查表得Fα（1，1）=161.4。易見FB＞161.4，這表明刀尖圓弧對刀尖處密度分布有顯著影響；又FA＜161.4，表明刀尖角度對刀尖處密度分布無顯著影響。

因此，在刀片設(shè)計中，在滿足刀尖圓弧的要求下，盡量加大刀尖圓弧設(shè)計，這樣能減小壓坯刀尖處的燒結(jié)變形。

表2 正交實驗方案與結(jié)果

表3 方差分析表

3 結(jié)論

1）通過有限元分析軟件marc 對不同的壓制方式對壓坯密度分布的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，雙向壓制要比單向壓制時壓坯的相對密度分布對稱性好；沖程比、頂壓都能改變軸線上壓坯的相對密度分布。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)壓坯燒結(jié)后軸向的變形情況，對壓制方式以及沖程比、頂壓值進(jìn)行壓制參數(shù)的相應(yīng)修改。

2）針對實際生產(chǎn)的數(shù)控刀片出現(xiàn)刀尖處變形大的情況，對影響V、D 形刀尖處相對密度分布的因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，刀尖處圓弧值對刀尖處的密度分布有顯著影響。

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