铁基粉末高速压制过程中粉体摩擦行为及致密化机理

发布时间：2020-06-08 21:09

【摘要】：当前我国制造业正处于迅猛提升的新阶段,在提高粉末冶金制品质量标准的同时,对其零部件的需求总量也大大增加。目前,高速压制技术这一短流程、低成本、高致密的先进成形技术对粉末冶金行业发展有着非常重要的现实意义。本文综合分析了国内外现有的高速压制设备和试验装置的技术特点,比较了当前不同类型高速压制成形装置的优缺点,应用高速压制理论,自行设计、研制了利用重力作为蓄能方式来进行粉末冲击压制的高速压制成形试验装置,以铁基粉末为研究对象,利用试验和有限元数值模拟两种手段,从宏观和微观两个角度,对粉末高速压制成形过程中的成形规律、摩擦行为及粉末致密化的机理,开展了系统性的研究工作。结果如下：设计并制造出了利用重力势能作为蓄能方式进行冲击压制的装置,通过提升冲锤的高度,以冲锤在重力加速度作用下产生的高速度和冲击力来压制粉末。加工了50kg、100 kg两种冲击锤,可实现50kg、100 kg及150kg三种不同的质量组合,以符合相应实验的要求。采用永磁吸盘这种新颖独特的提升冲击结构,调节重锤高度,获得相应的冲击速度及冲击能量。采用重力势能作为驱动力,可以简化设备整体结构,提高安全性,减少对环境的污染,造价低廉,且易于加工生产。数据表明,与相同功能的进口设备相比,价格仅为其7%左右,克服了液压驱动等方式的弊端。其理论速度经测算,最大可以达到9.49 m/s,冲击能量的最大值为5145J。各项指标经测试完全符合设计预期要求。其次,在自行设计加工的高速压制成形装置的基础上,选择运用合适该试验机的测试系统及数据的采集输出,设计采用采集参数传感器-响应快,实验数据输出精确的测试系统,为验证粉末高速压制成形装置的可行性,探索压制速度、压制高度和冲击锤质量与压坯密度的关系,采集了粉末高速压制成形装置的相关数据并进行了分析。在自行研制的粉末高速压制成形装置上使用低扩散性合金钢粉末进行了压制,从而进一步考察了该装置的实效性,实验结果表明,当使用50kg冲击锤,对质量8.09 g的试样在冲击高度为2m时进行压制,试样密度可达7.45g/cm3,相关实验结果符合设计的预期要求。再者,探讨了粉末高速压制过程中的重锤高度与压制速度、压制能量、压制力等参数与压坯密度的关系；对不同性质的粉末在不同压制力作用情况下,对其摩擦系数进行了相应的测定,得出摩擦系数、压制力的变化与压坯密度的之间的规律。为后期的模拟分析提供参考范围和校验标准。并对其制品表面划痕进行了分析。结果表明,在对粉末进行单向压制时,当压制力提高时,粉末体的致密度会逐渐增加,从而粉末颗粒与模具表面的接触面积也逐渐增大,又因为接触面积越大,所以在相同压力的条件下,有效压力越小,摩擦力也就越小,所以摩擦系数会有效降低。从而对粉末体致密度提高而摩擦系数会有效降低的现象给出了合理解释。最后,运用离散体建模的方法,选择了离散体有限元的具体模型、建立了粉末颗粒的二维模型、随机排布颗粒模型,定义了模型的材料属性,讨论了粉末高速压制过程中接触问题的算法、模拟过程中的关键问题如关于求解的收敛性、穿透现象的解决、单位统一等问题。探讨了微观角度下,在高速压制成形过程中粉末密度的变化规律,并对其进行模拟仿真。在压制速度、冲击锤的质量、界面摩擦状况等方面进行了分析,找出其与粉末颗粒的密度大小、变形规律、弹性后效、运动规律的关系；关联了单个颗粒行为、粉末的集合体宏观行为；先后对粉末在高速压制、静态压制两种不同条件下的成形特性进行了分析比较,结果发现,当平均压制力相同时,使用粉末高速压制成形,不仅可得到更高的制品密度,密度的分布上也更为均匀,而且对更大高径比零件的压制成形也更为方便；并与试验结果进行对比,验证了数值模拟模型的有效性和平台的实用性。以上结论,在改善粉末冶金技术工艺及提高粉末冶金产品的性能方面起到很好的参考及指导作用。
【图文】：

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高速压制是一个能量传递的过程，它通过冲击波对粉末进行成形拒制，大的逡逑冲击载荷使粉末体具有高的致密性。相对于传统足制而言，高速压制成形后压还逡逑的密度要高化３邋ｇ／ｃｒａ３Ｗ上，如图１．２所示Ｐｙ。Ｗ纯铁粉的高速压制为例，若采用逡逑模壁润滑技术其压巧的密度可Ｗ达到７．６邋ｇ／ｃｍ３，当对压屏进行多次压制时其密度逡逑近似于全致密逡逑ｇｉｃｍ＊逡逑７．８邋１逦１逡逑＂逦ｊｊ＾逡逑＂逦Ａ逦逡逑。节节如逡逑７．。＇—姦：逡逑ｕＰＭｊ邋ｕｒｎＫｊ＾逡逑Ｄ．ＡＥ邋＋邋０．３％Ｃ逦Ａｓｔａｌｏｙ邋ＣｒＭ邋＊邋０．３％Ｃ逦ＳＳ邋３１６逡逑Ｃ日ｎｖＭｔｉｃｎａｌ：邋８加邋Ｍｐａ邋巧８邋Ｗ｝逦ＨＶＣ邋ｃｏｍｐａｃｂｏｎ邋６ｗｒ９ｙ邋ＩＳＯＯｗｎ逡逑图１．２高速化制和传统压制成形密巧的区别ＰＳ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｈｉｇｈ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ［巧逡逑由于在高速压制时，压制能量是Ｗ应力波的形式传递的，当应力波至上而下逡逑传递到压远底端时会发生透射与反射，使此处的密度巧次得到提高ｆＷ。较传统的逡逑单向压制而言，粉末压泣密度高且其密度分布也较为均匀。高速压制技术扩展了逡逑粉末冶金的应用范围，为制造大型零件提供了

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【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF124

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