粉末注射成形的离散元模拟实验研究.pdf

粉末注射成形的离散元模拟实验研究８５粉末注射成形的离散元模拟实验研究Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ＳｔｕｄｙｏｎＤｉｓｃｒｅｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｏｗｄｅｒＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ刘煜。，李益民，夏卿坤，何浩，胡幼华（１中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙４１００８３；２长沙学院机电工程系，长沙４１００２２）———ＬＩＵＹｕ，ＬＩＹｉｍｉｎ，ＸＩＡＱｉｎｇｋｕｎ。，ＨＥＨａｏ，ＨＵＹＯＵｈｕａ（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００２２，Ｃｈｉｎａ）摘要：建立了粉末注射成形离散元颗粒模型，将粉末离散相不再简化为连续相，而是处理为符合牛顿定律、具有相互作—用的颗粒模型，用平行黏结模型近似模拟黏性液桥。将蜡基黏结剂与１７４ｐｈ不锈钢粉末经过混料和注射成型得到标准拉伸样和弯曲样注射坯，并进行了单轴拉伸和三点弯曲实验。将实验结果与离散元模拟结果对比分析，发现裂纹形态、位置和力一位移曲线具有一致性，验证了离散元颗粒模型的可靠性，校核了离散元颗粒模型的微观参数。关键词：粉末注射成形；离散元；颗粒模型—ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１４．０４．０１５中图分类号：ＴＦ１２４．３文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１４）０４００８５０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅｌｏｎｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｐｏｗｄｅｒ—ｗａｓｔｒｅａｔｅｄａｓｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅｌａｃｃｏｒｄｉｎｇｗｉｔｈＮｅｗｔｏｎＬａｗａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅａｃｈｏｔｈｅｒｒａｔｈｅｒｔｈａｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｈａｓｅ，ａｎｄｖｉｓｃｏｕｓｌｉｑｕｉｄｂｒｉｄｇｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｐａｒａｌｌｅｌｂｏｎｄｉｎｇｍｏｄｅ１．Ｗａｘ－ｂａｓｅｄｂｉｎｄｅｒ—ａｎｄ１７４ｐｈｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅｍｉｘｅｄａｎｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｅｄ，ＳＯｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｔｅｎｓｉｌｅｓａｍｐｌｅｓ—ａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｔｈｒｅｅｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｅｓｔｓａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ—ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｒａｃｋｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｆｏｒｃｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．ＴｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｉＳｖｅｒｉｆｉｅｄａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅ１ａｒｅｃｈｅｃｋｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ；ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅｌ粉末注射成形是一种适合于小型复杂零部件批量制备的近净成形技术，其成品缺陷基本是在注射成形过程中形成，如粉末密度分布不均、欠注、裂纹、孔隙、焊接线、粉末与黏结剂两相分离现象等，这些缺陷在脱脂和烧结后，通常又会导致变形、开裂、不规则收缩、水泡及翘曲等不良后果［１］。在注射成形阶段是无法通过简单的观察和测量来检测和控制的，因此对粉末微注射成形喂料充模机理的研究非常迫切。传统的粉末注射成形过程的模拟研究是沿用聚合物注射成形过程的研究方法，将喂料视为基于连续介质模型的单相流和双相流，忽略颗粒的尺寸效应和粉末相的非连续性，将填充过程简化为一个相对简单的非线性动力学系统［３］。连续介质理论模型，对于大尺寸的粉末注射成形的工艺控制有一定的作用，但对总体轮廓尺寸小于ｌｍｍ，或者虽然总体尺寸较大，但局部结构的尺寸小于ｌｍｍ的注射成形制品并不适合，因为无法忽略颗粒的微尺度效应，而且也不能解释粉末和黏结剂两相分离、粉末堆积以及尺寸精度的问题。离散单元法是一种模拟非连续介质的计算方法，在岩石力学、土力学、结构分析等领域的数值模拟中得到广泛应用，是一种新兴的非连续体分析方法。离散单元法允许单元间的相对运动，不一定满足位移连续和变形协调条件，计算速度快，所需存储空间小，特别适用于节理岩体等物质大位移，大变形分析＿７－１。离散单元法已经成为解决岩石力学问题的一种重要的数值方法，同样也能考虑用来解决离散粉末喂料的流动问题。本工作提出对粉末注射成形的研究重点在于构建９４材料工程／２０１４年４期ｆｉｌｍｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，９（３）：３５４～３６０．［８］ＲＡＤＴｃＨＥＮＫＯＩＬ，ＳＵＫＨＯＲＵＫＯＶＧＢ，ＧＡＰＯＮＩＫＮ，ｅｔ——ａ１．Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅｓｏｌｖｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｒｅｃｉｐｉ—ｔａｔｉｏｎｏｆｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＣｄＴｅｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓｏｎｌａｔｅｘｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ］．Ａｄ—ｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００１，１３（２２）：１６８４１６８７．［９］赵荣祥，李秀萍，徐铸德．离子液体对硫化镉粒径和光催化性能调—控研究口］．人工晶体学报，２０１２，４１（４）：９８８９９４．————ＺＨＡＯＲｏｎｇｘｉａｎｇ，ＬＩＸｉｕｐｉｎｇ，ＸＵＺｈｕｄｅ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｉｏｎｉｃｌｉｑｕｉｄｓｏｎｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆＣｄＳ［Ｊ］．—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｎｔｈｅｔｉｃＣｒｙｓｔａｌｓ，２０１２，４１（４）：９８８９９４．［１０］蒋茶，徐淑坤，杨冬芝，等．ＣｄＳ量子点的制备及细胞膜初步荧光—标记［刀．分析试验室，２００７，２６（５）：２４．ＪＩＡＮＧＣ，ＸＵＳＫ，ＹＡＮＧＤＺ，ｅｔａ１．ＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆａｑｕｅｏｕｓＣｄＳ——ｎａｎｏ。ｃｒｙｓｔａｌｓａｎｄｒｏｕｇｈｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌａｂｅｌｉｎｇｏｆｏｎｉｏｎｉｎｎｅｒｐｅｌ－ｌｉｃｌｅｃｅｌｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎａｌｙｓｉｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，２００７，２６—（５）：２４．［１１］许荣辉，汪勇先，贾广强．ＣｄＳ纳米晶的稳定化处理及介质极性—对荧光光谱的影响［Ｊ］．人工晶体学报，２００６，３５（６）：１３４１１３４５．————ＸＵＲｏｎｇｈｕｉ，ＷＡＮＧＹｏｎｇｘｉａｎ。ＪＩＡＧｕａｎｇｑｉａｎｇ．ＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｄＳｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｏｌｖｅｎｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｎ—ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ／ｅｍｉｓｓｉｏｎｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｎ—ｔｈｅｔｉｃＣｒｙｓｔａｌｓ，２００６，３５（６）：１３４１１３４５．——［１２］ＬＩＳｈｉ，ＺＨＥＮＧＪｉｎｇｔａｎｇ，ＹＡＮＧＷｅｉｙａ．Ａｎｅｗｓｙｎｔｈｅｓｉｓ—ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙｏｒｄｅｒｅｄｍａｃｒｏｐｏｒｏｕｓＺｒＯ２［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００７，６１（２６）：４７８４一［１３］［１４］［１５］［１６］４７８６．ＣＨＥＮＧＸＪ，ＺＨＡＯＱ，ＹＡＮＧＹＫ，ｅｔａ１．Ａｆａｃｉｌｅｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｅｐａｒｅｃｄｓ／ｐ０ｌｙｓｔｙｒｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ—ＣｏｌｌｏｉｄａｎｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００８，３２６（１）：１２１１２８．段明，刘长坤，付秀峰．分散聚合法制备聚丙烯酰胺水分散体—［Ｊ］．石油化工，２００７，３６（１０）：１００６１０１ｌ＿——ＤＵＡＮＭｉｎｇ，ＬＩＵＣｈａｎｇｋｕｎ，ＦＵＸｉｕｆｅｎｇ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙａｃｒｙｌａｍｉｄｅａｑｕｅｏｕｓｄｉｓｐｅｒｓｏｉｄｂｙｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ—口］．ＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３６（１０）：１００６１０１１．—ＳＯＷ，ＪＡＮＧＪ，ＲＨＥＥＹ，ｅｔａ１．ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｓｉｚｅｄｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＣｄＳｐａｒｔｉｃｌｅｓｂｙｔｈｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ—ｏｆＣｏｌｌｏｉｄａｎｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００１，２３７（１）：１３６１４１．卢南，孙瑾，程兴，等．ＣｄＳ的制备及其光催化性能研究［Ｊ］．广州—化工，２０１２，４０（２２）：７４７６．ＬＵＮａｎ，ＳＵＮＪｉｎ，ＣＨＥＮＧＸｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ—ＣｄＳａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｉｔｓｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＧｕａｎｇｚｈｏｕＣｈｅｍｉ—ｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ，２０１２，４０（２２）：７４７６．基金项目：国家自然科学基金资助项目（２１１７６２６０）；国家９７３项目子课题资助项目（２０１１ＣＢ６０５７０３）————收稿日期：２０１３０４０２；修订日期：２０１３１０１０作者简介：孙冠华（１９８７一），男，硕士研究生，从事新型环保材料研究工—作，Ｅｍａｉｌ：ａｘ＿ｄｔ２＠１６３．ｃｏｒｎ通讯作者：郑经堂（１９５５一），男，博士生导师，从事新型环保材料研究工作，联系地址：山东省青岛市中国石油大学（华东）化学工程学院重质油—国家重点实验室（２６６５８０），Ｅｍａｉｌ：ｊｔｚｈｅｎｇ０３＠１６３．ｃｏｍ∈米米米米米米米米米米米米米米米米栗米米米米米米米米米米｛Ｉ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８８页）—［７］ＳＯＬＬＩＥＷＥＨ，ＢＯＫＨＯＶＥＯ，ＶＡＮＤＥＲＶＥＧＴＪＪｗ．Ｓｐａｃｅｔｉｍｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕ０ｕｓＧａｌｅｒｋｉｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｗｏ－ｆｌｕｉｄ—ｆｌｏｗｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＰｈｙｓｉｃｓ，２０１１，２３０（３）：７８９８１７．［８］母福生，杨鹏．搅拌磨机介质运动离散元数值模拟分析［Ｊ］．中国—机械工程，２０１２，２３（２０）：２４６５２４６８．［９］［１０］［１１］——ＭＵＦｕｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧＰｅｎｇ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＥＭｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｄｉａｍｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒａｓｔｉｒｒｅｄｍｉｌｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＭｅｃｈａｎｉｃａｌ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，２３（２０）：２４６５２４６８．—０ＲＩＡＮＮＥＪ，ＤＡＮＩＥＬＤ，ＲＩＣＨＡＲＤＫ．Ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄ———ｃｌｉｎｇｏｆａｇｒａｎｕｌａｒｐｌａｔｆｏｒｍｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｐｉｌｅｓｉｎｓｏｆｔｓｏｉｌ－ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｎａｓｍａｌｌｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏａｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎａｃｏｎｔｉｎｕｕｍ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，２００９，３６—（６）：９１７９２７．ＣＵＭＭＩＮＳｓＪ，ＣＬＥＡＲＹＰＷ．Ｕｓｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔａｃｔｓｉｎ—ＤＥＭ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ，２０１１，３５（４）：１９０４１９１４．刘煜，李益民，夏卿坤，等．基于颗粒模型的取样钳粉末注射成形—［Ｊ］．中南大学学报，２０１２，４３（１０）：３８４７３８５１．——ＬＩＵＹｕ，ＬＩＹｉｍｉｎ，ＸＩＡＱｉｎｇｋｕｎ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｃｌａｍｐｂａｓｅｄｏｎｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２，４３（１０）：［１２］［１３］［１４］—３８４７３８５１．刘煜，李益民，夏卿坤，等．基于颗粒模型的二维矩形模腔粉末微—注射成型研究［Ｊ］．材料工程，２０１０，（５）：５９．———ＬＩＵＹｕ，Ｌ１Ｙｉｍｉｎ，ＸＩＡＱｉｎｇｋｕｎ，ｅｔａ１．Ｍｉｃｒｏｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｉｎｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｃａｖｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｇｒａｎｕｌａｒｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，（５）：—５９．ＰＲ０ＣＨＡＺＫＡＰＰ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏ—ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｓ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｒａｃｔｕｒｅＭｅ——ｃｈａｎｉｃｓ，２００４，７１（４６）：６０１６１８．ＴＡＭＡＧＮＩＮＩＣ。ＣＡＬＶＥＴＴＩＦ，Ｖ１ＧＧＩＡＮＩＧ．Ａｎａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈｅｏｒｉｅｓｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒ—ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｏｉｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｈｅｍａｔ——ｉｃｓ，２００５。５２（１３）：２６５２９１．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７５４０５）；长沙市科技计划资—“”助项目（Ｋ１１０７０７１１）；湖南省十二五重点建设学科资助项目（２０１２）———收稿日期：２０１２１１－１２；修订日期：２０１３０５２４作者简介：刘煜（１９７８一），男，副教授，硕士，从事粉末注射成型方面研究工作，联系地址：湖南省长沙市学府华庭１８栋１０１室（４１０００３），—Ｅｍａｉｌ：２４７１７３９５＠ｑｑ．ｃｏｍ