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金属粉末流动温压的成形装置设计与成形过程基础理论研究

高红云  
【摘要】: 粉末冶金流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形技术的优点,既克服了传统粉末冶金在成形复杂几何形状零件方面的不足,又避免了金属注射成形技术的高成本,是一项极具潜力的新技术,具有广阔的应用前景。 本文通过理论分析和试验研究相结合的方法,在流动温压专用生产设备和试验装置设计的基础上,以国产雾化铁粉和羰基铁粉为研究对象,通过粉末流动温压过程的试验研究、粉末颗粒堆积过程和流动温压成形过程的数值模拟研究,揭示了流动温压致密化机制,完善了流动温压成形工艺,为制备高性能粉末冶金零件提供理论和技术指导。 首先,综合分析了国内外主要金属粉末压机和多层模架的技术特点,比较了粉末微波加热、热油加热和电阻加热等不同加热方式的优缺点,应用生产试验设计理论,详细设计出流动温压系统的框架式压机系统、多层模架系统和搅拌式粉末加热系统的机械结构试验平台,建立了压机系统和模架系统三维实体模型,利用有限元分析软件对压机变形和应力分布状况进行了有限元模拟和计算,优化压机和模架结构设计,满足了生产系统的强度和刚度使用要求,实现快速加热、连续供粉、供粉量满足零件成形的要求。 设计、研制了一套直接、连续、动态测量流动温压典型“十”字形零件压制过程中各种力变化的专用试验装置,能方便调整压坯不同横向位置的距离,可直接测量平均侧压力的变化,满足了金属粉末流动温压的试验要求。 然后,以国产雾化铁粉和细羰基铁粉并添加聚乙二醇粘结剂/润滑剂的混合粉为试验原材料,在材料特性研究的基础上,利用流动温压专用试验装置,通过对不同工况下流动温压中的侧压力、摩擦系数、压坯密度分布、压坯生坯强度、弹性后效的试验研究,阐明了金属粉末流动温压的成形过程;并通过对流动温压的不同压制压力、速度、温度和粘结剂含量等因素对“十”字形零件的横向方向上不同位置处的侧向压力影响的研究,分析压制参数对粉末成形性以及压坯质量的影响,揭示了流动温压致密化机制。 在粉末颗粒运动和碰撞的受力状况以及相互作用力模型分析的基础上,建立了颗粒堆积的数据程序结构,在网格计算平台上开发了粉末颗粒堆积过程数值模拟平台ParticleSim系统,对单一粒径粉末的颗粒堆积过程和十倍径不同数目比的二元颗粒混合体的相对堆积密度进行了数值模拟,得到颗粒堆积过程和密度分布规律,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。 在金属粉末流动温压所遵循的弹塑性力学问题基本方程和椭球形屈服准则分析的基础上,研究了流动温压用粉末材料的泊松比、弹性模量、初始屈服强度等材料特性,探讨了不同流动应力模型对流动温压的适用性,并对椭球形屈服准则的流动应力假设和典型的“十”字形试样流动温压过程进行数值模拟,分析压制过程中的压坯密度分布变化规律,并与试验结果进行对比,验证了流动温压模型的有效性,也为生产和试验提供了理论指导。


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