粉末高速压制成形密度分布的数值模拟及影响因素分析.pdf

　１Ｏ　　　材料工程／２０１２年７期　粉末高速压制成形密度分布的　　数值模拟及影响因素分析　　　　　　　ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｌｕｅｎｔｉａｌＦａｃｔｏｒｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ　　　　　　ＤｅｎｓｉｔｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ　　　　　　　　　　郑洲顺，徐丹，雷湘媛，应仁仁，周文，张梦轩　　　　（１中南大学数学科学与计算技术学院，长沙４１００８３；　　　　　　２中南大学商学院，长沙４１００８３）　—　　　”　—　　—　　ＺＨＥＮＧＺｈｏｕｓｈｕｎ，ＸＵＤａｎ，ＬＥＩＸｉａｎｇｙｕａｎ，ＹＩＮＧＲｅｎｒｅｎ，　　　　　　—　ＺＨＯＵＷｅｎ。ＺＨＡＮＧＭｅｎｇｘｕａｎ　　　　　　　　　　（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｅｎｔｒａｌ　　　　　　ＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＢｕｓｉｎｅｓｓ，　　　　ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　摘要：将研究不连续体力学行为的离散单元法应用于粉末高速压制致密化过程的研究，将粉末视为黏弹性的离散颗粒，　　　　　　　建立粉末高速压制过程颗粒接触模型及每个颗粒的基本运动方程，推导了力与位移表达的粉末高速压制黏弹性本构关　　　　　　　　系。基于ＰＦＣ软件实现了铁粉高速压制过程中粉末颗粒二维流动情况及压坯密度分布的数值模拟，模拟结果的密度分　　　　　　　　　　　　　　　布规律与实际压制的密度分布规律较为一致；利用数值模拟结果对影响压坯密度分布的摩擦因数、高径比、双向压制因　　　素进行了具体分析。　　　　关键词：高速压制；离散单元法；ＰＦＣ；压坯密度分布　　　　中图分类号：ＴＧ３９　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　文章编号：１００ｌ一４３８１（２０１２）０７００１０－０５　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｉＳｕｓｅｄｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕａｎｃｅ　　　　　　　　　　　　　　　ｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｗｄｅｒｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｏｗｄｅｒａｓｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｄｉｓｃｒｅｔｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｍｏｄｅｌｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　　　ｏｆｅａｃｈｐａｒｔｉｃｌｅａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｐｏｗｄｅｒｉｎｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　　—　　　　　　　　　　　—　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙｆｏｒｃｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｄｅｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＢａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＰＦＣｆｏｒｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌ　　　　　—　　　　　　　　ｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｏｗａｎｄｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｈｉｇｈ　　　　　　　　　　　　ｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｃｏｉｎｃｉｄｅ　　　　　　　　　　　　　—　ｗｅｌｌｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎ　　—　　　—　　　　　ｃｌｕｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｈｅｉｇｈｔｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏａｎｄｔｗｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｉｎｃｔｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ＰＦＣ；ｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　粉末高速压制技术是一项低成本、高效率制备高　　　　　　　　　　　　　　密度粉末冶金零件的新技术口］，因其具有良好的性　　　　　　　　　　　　价比而备受关注。在压制致密化过程中，粉末与粉末、　　粉末与模壁和模冲之间由于存在着摩擦，使压制过程　　　中力的传递和分布发生改变。由于压力分布不均匀，　　压坯各个部分的密度和强度分布不均匀，在压制过程　　　　　　　　　　　　中产生一系列的复杂现象。目前国内外对粉末高速压　　　　　　　　　　　　　　　　制过程的研究多是将粉末视为连续体ｌ＿３］，与粉末实　　　　　　　　　　　　际的非连续特性不符。离散单元法（ＤｉｓｔｉｎｃｔＥｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ，ＤＥＭ）是研究不连续体力学行为的一种数值　　　　　　　　　　　　方法，该方法在粉末的堆积、流动和压制等过程的模拟　　　中获得了成功应用　　　　　　　　。本工作将离散单元法应用于　　　　　　　　　　　　　　　　　粉末高速压制致密化过程的研究，把粉体视为颗粒的　　　集合体，以分析粉末高速压制过程中微观颗粒的运动　　特性、单个颗粒行为与粉末集合体宏观行为的联系以　　　　　及致密化机理。　　　　１模型建立　　　　　粉末高速压制成形工艺过程如图１所示，上模冲　　　与粉末接触，液压驱动的锤头高速撞击压模产生应力　　　　波，在０．２ｓ左右的时间内对粉体进行高能锤击，使其　　双相钢激光拼焊板温成形拉深性能分析研究　１９　　　　３结论　　　　　　　　　　（１）通过温单拉实验，盒形件温拉深数值模拟与实　　　　　　　　　　验分析对Ｂ３４０／５９０ＤＰ双相钢激光拼焊板的温拉深性　　　　　　　　　　能进行了研究。通过实验分别得到了Ｂ３４０／５９０ＤＰ双　　　　　　℃　　　　　　　相钢激光拼焊板从室温到５００的力学性能和盒形件　　　　　　　　　　　　　　　　温拉深的极限拉深高度，为实际工程应用提供了一定　　　　的参考价值。　　　　　　　　　　　　　　（２）成形温度对双相钢激光拼焊板盒形件极限拉　　　　　　　　　　　深高度的影响比较显著，随着温度的上升，拼焊板盒形　　　　件的极限拉深高度呈上升趋势，但在２００～４００￣Ｃ温度　　　　　　　　　　　　　　　　　　范围内出现了蓝脆现象。研究表明双相钢拼焊板在　　℃　　　　　　　　　　　　　　４００５００温度范围内进行温成形，能获得较好的成　　　形性能。　　　　参考文献　　　　［１］马鸣图，吴宝榕．双相钢一物理和力学冶金ＦＭ］．２版．北京：冶金　　　　　工业出版社，２００９．　　　　　　　　　　［２］陈炜，薛雷，陈康敏，等．双相钢激光拼焊板温拉伸性能及微观　　—　组织ＥＪ］．材料工程，２０１０，（７）：５４５８．　　　　　　　　　　ｒ３］ＴＳＩＰＯＵＲＩＤＩＳＰ，ＷＥＲＮＥＲＥ，ＫＲＥＭＰＡＳＺＫＹＣ，ｅｔａ１．　　　　—　　—　Ｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｄｕａｌｐｈａｓｅｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＳｔｅｅｌＲｅ　　—　　ｓｅａｒｃｈ，２００６，７７（９１０）：６５４６６７．　　　　　　　［４］ＢＨＡＴＴＡＣＨＡＲＹＡＤ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎａｄｖａｎｃｅｄｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ　　—　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｉｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，２００５，４０：６９７５．　　　　　　　　　　［５］陈炜，彭志刚，侯波，等．激光拼焊板成形极限图的理论建立方　—　法ＥＪ］．机械工程学报．２００９，４５（４）：１８３１８６．　［６］　［７］　Ｅ８］　Ｅ９］　［１Ｏ］　［１１］　　　　　　陈炜，薛雷，承善，等．双相钢激光拼焊板温拉伸流变应力模型　　　　　研究［Ｊ］．功能材料，２００９，１２（４０）：２０３４２０３７．　　　　　　　　　　　ＨＡＲＴＬＥＹＢ，ＯＮＯＭ．Ｌａｓｅｒｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｕａｌｐｈａｓｅｓｔｅｅｌｓｉｎ　　　　　—　ｔａｉｌｏｒｅｄｂｌａｎｋａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＳＡＥ２０Ｏ２ＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ＆Ｅｘ　　　　　—　ｈｉｂｉｔｉｏｎ．Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ：ＳＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒＳｅｒｉｅｓ，２００２—　　０１０１５Ｏ．　　　　　　　　Ｔ０Ｒ０ＳＳ．０ＺＴＵＲＫＦ．ＫＡＣＡＲＩ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｗａｒｍｆｏｒｍｉｎｇｏｆ—　　　　　　ａｌｕｍｉｎｕｍｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓＥＪ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ—　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２０７：１１２．　　　　　　　　　　ＤＲＹＤ，ＨＵＧＨＥＳＤ，ＯＷＥＮＲ．Ｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｓｓｅｓｓｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　　　　　　　　　　ｏｆｗｅｌｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｅｄｔａｉｌｏｒｅｄｂｌａｎｋｓ　　　　　［Ｊ］．ＩｒｏｎｍａｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，２００１，２８（２）：８９９５．　　　　　　　　　　　ＤＲＹＤ，ＷＡＤＤＥＬＬＷ。ＯＷＥＮＲ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄ　　　　　　　　　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｅｄｔａｉｌｏｒｅｄ　　　　　　　ｂｌａｎｋｓ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＪｏｉｎｉｎｇ，—　　２００２，７（１）：１１１８．　　　　　　　　　　—　ＫＩＭＨＳ，Ｋ０ＣＭ，ＮＩＪ，ｅｔａ１．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａ　　　　　　　—　　ｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｒｍｆｏｒｍｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｖａｌｉｄａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈ　　　　　　　　—　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆａｆａｉｌｕｒｅｃｒｉ　　　　　　ｔｅｒｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　　　　２００６，１２８（８）：６１３６２１．　　　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７７５１０２）；上海市数字化汽车　车身工程重点实验室开放基金课题（２００９００３）　　—　　　　收稿日期：２０１１０７２６；修订日期：２０１１－１２一Ｏ５　　　　　　　　　　作者简介：陈炜（１９６５一），男，教授，博士生导师，主要研究方向为板料　　　　　　　　　　　　　　塑性成形技术、精密成形与微成形、模具ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化技　　　　　　　　　　　　　　—　术，联系地址：江苏大学机械工程学院模具技术研究所（２１２０１３），Ｅ　　　ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｗｅｉ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米　　　（上接第１４页）　　　　　　　　　　　Ｅ８］ＭＡＲＴＩＮＣＩ，ＢＯＵＶＡＲＤＤ．Ｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｃｏｌｄｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　—　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｗｄｅｒｓｂｙｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａ　　　ｔｅｒｉａｌｉａ，２００３，５１：３７３３８６．　　　　　　　　—　［９］ＭＡＲＴＩＮＣＬ，ＢＯＵＶＡＲＤＤ，ＳＨＩＭＡＳ．Ｓｔｕｄｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｒｅａｒ　　　　　　　　　ｒａｎｇｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｐｏｗｄｅｒｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｂｙｔｈｅＤｉｓｃｒｅｔｅＥｌｅｍｅｎｔ　　　　　　　　Ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓｏｆＳｏｌｉｄｓ，—　　２００３，５１：６６７６９３．　　　　　　　　　［１０］果世驹，迟悦，孟飞，等．粉末冶金高速压制成形的压制方程＿Ｊ］．　　　　粉末冶金材料科学与工程，２００６，１１（１）：２４２７．　　　　　　　　　　［１］］程远方．粉体致密化过程的离散元模拟ＥＤ］．北京：北京科技大　—　　学，２０００．２２２５．　　　　　　　　　　［１２］ＭＩＮＤＬＩＮＲＤ，ＤＥＲＥＳＩＥＷＩＣＺＨ，Ｅｌａｓｔｉｃｓｐｈｅｒｅｓｉｎｃｏｎｔａｃｔ　　　　　　—　ｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇｏｂｌｉｑｕｅｆｏｒｃｅ［Ｊ］．ＪＡｐｐｌＭｅｃｈ，１９５３，２Ｏ：３２７　３４４．　　　　　　　　　—　［１３］ＬＩＹＪ，ＸＵＹ，ＴＨＯＭＴＯＮＣ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅ　　　　　　‘’　　ｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｆｏｒｓａｎｄｐｉｌｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ　　　ｓｐｈｅｒｉｃａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，１６０：２１９　２２８　［１４］　［１５］　［１６］　［１７］　　　　　　　　　　孙其诚，王光谦．颗粒流动力学及其离散模型评述［Ｊ］．力学进　—　　展，２００８，３８（１）：８７１００．　　　　　　　　　　　　孙其诚，王光谦．颗粒物质力学导论［Ｍ］．北京：科学出版社，　　　２００９．１５１７．　　　　　　温彤，ＣＯＣＫＳＡＣ．粉末材料压制过程的ＤＥＭ分析［Ｊ］．重庆　　　　大学学报：自然科学版，２００７，３０（７）：１４．　　　　　黄培云．粉末冶金原理［Ｍ］．２版．北京：冶金工业出社，２００８．２０４—　２０６．　　　　　　　基金项目：国家自然科学基金（５０８７４１２３，５１１７４２３６）；国家重点基础研　　　究发展规划（２０１ＩＣＢ６０６３０６）；国家大学生创新实验项目（ＬＡ０９０４０）；中　　　　　　　南大学优博扶植基金（２０１０ＹＢＦＺ０７４）；中南大学研究生创新教育工程　　（２０１０ｓｓｘｔｌ１５。２０１１ｓｓｘｔｌ３９）　　　　　　—　收稿日期：２０１１１０－０８；修订日期：２Ｏ１２一Ｏ３１Ｏ　　　　　　　　　　　作者简介：郑洲顺（１９６４一），男，教授，博士生导师，从事偏微分方程数　　　　　　值解法及其应用研究，联系地址：湖南省长沙市麓山南路中南大学南校　—　区数学院（４１００８３），Ｅｍａｉｌ：ｚｓｚｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ＣＳＵ．ｅｄｕ．ｅｎ