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金属粉末注射成形计算机模拟

蒋忠兵  
【摘要】:本文用有限元软件ANSYS中的CFX模块对金属粉末注射成形(Metal Injection Molding, MIM)充模过程进行了数值模拟,针对MIM充模过程模拟中亟待解决的一些问题进行了一系列的基础理论研究和数值模拟分析。 在详细分析MIM喂料充模机理的基础上,假定喂料熔体为混合均匀、不可压缩的非牛顿流体,充模流动为层流。结合流体动力学和热力学理论,假设固体粉末颗粒用Euler法描述为拟流体,认为粉末颗粒与粘结剂是共同存在且相互渗透的连续流体,从Boltzmann方程出发详细推导了充模过程的质量、动量和能量守恒方程,建立了MIM粉末—粘结剂两相流模型。针对金属粉末注射成形喂料熔体的流变特性选择综合流变本构方程进行描述,并通过粘度实验数据进行了拟合修正。给出了MIM充模流动边界条件和传热边值条件的数学描述,采用VOF法对喂料熔体前沿流动进行跟踪分析。 基于大型有限元分析软件ANSYS的CFX模块,给出了MIM充模过程的数学模型的算法和流程图,对MIM喂料的粘度模型进行了二次开发,并用CEL语言对其进行编译和系统集成,首次成功地将两相流模型通过ANSYS CFX应用于MIM充模过程的模拟。以试样件Ⅰ为例,模拟了MIM喂料在该试样件模腔内的流动情况,通过ANSYS CFX提供的后处理,讨论了浇口位置、注射温度、注射速度、注射压力等工艺参数对熔体充模过程的影响,并预测了MIM充模过程中部分常见缺陷产生的条件。通过对工艺参数优化的模拟结果分析,与实际注射生产的注射坯的性能一致,从而证明了两相流模型对于充模流动3D模拟的可行性和准确性。


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