粉末冶金零件等静压成形过程数值模拟
铍粉热等静压成型的数值模拟
F＝
(
σ１ －σ２) ＋ (
σ２ －σ３) ＋ (
σ３ －σ１)
１
＋
(
)
′R
２
f
{
[fσ(R)] }
２
m
２
１
２
２
２
－σs０ ,
(
２)
/３ 为 静 水 压;
式中:
σm ＝ (
σ１ ＋σ２ ＋σ３ )
固有缺陷,已 成 为 铍 生 产 领 域 的 主 流 工 艺[３]．HI
P工
艺,是将粉体材料封入一个具有近净形的橡胶或低碳
钢包套内,
将包套置于密闭容器中,利用氮气或者氩气
施以各向同性的静水压力作用,同时升高温度,在高温
高压共同作用下实现粉体的致密化及成型．
随着计算机软硬件水平的进步,计算机仿真作为
一种低成本高效率的辅助设计手段在实际生产得到
金粉末成型的模拟,致密化程度达到了 ９７
７％ ;张院
目前,关 于 铍 粉 末 冶 金 成 型 仿 真 模 拟 的 文 献 报
虑到金属铍价格昂贵、室温脆性的显著特点,若工艺
优化调整过程仅采 用 试 错 方 法,通 过 实 际 生 产 试 验
来完成,对铍企业而言,其时间和经济成本的投入将
是巨大的 ．这无疑会 限 制 企 业 开 发 更 高 性 能 铍 材 的
压成形状为圆柱体 ．
铍粉的 主 要 成 分 为:
Be,
BeO,
C,
Fe,
S
i,其 他 杂
质,其质量分数(％ )分别为:
９８
２~９９
５,
０
５~１
６,
０
０３~０
钛合金粉末成形技术及数值模拟研究
钛合金粉末成形技术及数值模拟研究马玉龙;周晚林;王昕【摘要】This paper makes a study of the effect of the temperature and pressure on the densification of TC4 powder and the effect of different pressing conditions on the sample density distribution.The results show that the friction of the mold wall in the process of powder forming causes the difference of the relative density distribution;The simulation of the cylinder specimen pressing process,points to conclusion that the density distribution of the samples along the pressing axis is non-uniform and this result is consistent with the result predicted by finite element analysis.%对TC4粉末压制成形过程中温度和压力对压胚密度的影响进行研究.同时,研究了不同压制条件对压胚密度分布的影响.结果表明,粉体成形过程中模壁摩擦导致了相对密度分布的不同;通过对圆柱体试样压制过程的模拟验证表明,样品沿挤压轴方向上密度分布不均匀,与有限元分析结果一致.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2017(046)003【总页数】4页(P140-143)【关键词】钛合金;粉末成形;数值模拟【作者】马玉龙;周晚林;王昕【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210000;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210000;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210000【正文语种】中文【中图分类】TP391.9钛及钛合金在20世纪中期逐渐发展成为一种重要金属，因其密度低，比强度高、抗腐蚀性，被广泛应用在航空、航天、汽车等很多领域[1-3]。
粉末冶金制备中颗粒流动行为的数值模拟与实验研究
粉末冶金制备中颗粒流动行为的数值模拟与实验研究粉末冶金是一种重要的材料制备工艺，广泛应用于金属、陶瓷、复合材料等领域。
在粉末冶金过程中，粉末颗粒的流动行为对最终产品的质量和性能具有重要影响。
因此，对于颗粒流动行为的研究成为了粉末冶金领域的一项重要任务。
为了更深入地了解颗粒流动行为，科研人员采用了数值模拟和实验研究相结合的方法。
数值模拟通过建立数学模型，利用计算机进行模拟计算，可以有效地预测颗粒流动过程中的各种参数和行为。
实验研究则通过设计实验装置，观察和测量颗粒在不同条件下的流动行为，得到实际数据。
在数值模拟方面，研究人员通常采用离散元方法（DEM）来模拟颗粒流动行为。
DEM基于颗粒之间的相互作用力，以及颗粒与周围介质之间的相互作用力，建立颗粒系统的动力学模型。
通过迭代计算，可以模拟出颗粒的位置、速度和受力等参数。
借助数值模拟，研究人员可以研究颗粒流动过程中的细节行为，如颗粒聚集、堆积和流动路径等。
同时，数值模拟还可以预测颗粒流动过程中的流动速度、液化现象等重要参数，为工程实践提供参考。
除了数值模拟，实验研究也是研究颗粒流动行为的重要手段。
实验研究可以直接观察和测量颗粒在不同条件下的流动行为，并得到实际数据。
常用的实验方法包括粉末堆积试验、流变学试验和图像分析等。
通过实验研究，研究人员可以验证数值模拟的结果，并对颗粒流动行为进行定量分析。
此外，实验研究还可以通过改变实验条件，如颗粒形状、粒径分布和包裹物质等，来研究不同影响因素对颗粒流动行为的影响。
综合数值模拟和实验研究，我们可以更准确地理解颗粒流动行为的本质。
通过数值模拟，我们可以模拟出颗粒流动中的微观行为，预测出颗粒流动的速度、流动路径等参数。
通过实验研究，我们可以验证数值模拟的结果，并通过定量分析得到更准确的数据。
基于这些研究成果，我们可以进一步优化粉末冶金工艺、改进产品质量和性能，推动粉末冶金技术的发展。
总之，粉末冶金制备中颗粒流动行为的数值模拟和实验研究对于提高工艺效率、改进产品质量具有重要意义。
粉末压制过程数值模拟的研究现状及展望
2.模拟结果与实验结果存在一定差异。这主要是由于实验过程中存在的因素， 如实验条件、粉末的物理性质和压制工艺参数等的影响。因此，在进行数值模 拟时，需要考虑这些因素对模拟结果的影响。
3.目前粉末压制过程数值模拟的研究还存在一些挑战，如如何提高模拟精度、 如何处理复杂边界条件等。未来的研究应该这些挑战，并提出有效的解决方案。
三、模拟方法及过程
粉末压制过程数值模拟的方法主要包括三个步骤：建立模型、进行模拟计算和 结果分析。
首先，需要根据实际情况建立合适的数学模型，包括粉末的本构方程、压制过 程中的边界条件等。然后，利用模拟软件（如ANSYS、FLUENT等）对数学模型 进行离散化处理，并将处理后的数据输入计算机进行模拟计算。
参考内容三
粉末压制成形最早可以追溯到20世纪初，当时这种方法主要应用于陶瓷和金属 材料的制备。随着科技的不断进步，粉末压制成形的应用领域逐渐扩展到药物、 催化剂、电子元器件等领域。粉末压制成形的基本原理是将粉末原料均匀混合， 然后将其放入模具中，在一定压力下压制成型，最后经过烧结或其它处理工艺 得到最终产品。
2.针对复杂边界条条件对于模拟结果的准确性至关重要。 3.粉末特性研 究。粉末的物理和化学性质对于粉末压制过程有着重要影响。未来的研究应该 更加粉末特性的研究，以便更好地描述和预测粉末压制过程。 4.压制工艺参 数优化的研究。粉末压制工艺参数对于压坯的性能有着重要影响。
为了对陶瓷粉末压制成型过程进行数值模拟，我们采用了有限元分析软件 ANSYS，结合实际实验数据，建立了陶瓷粉末压制成型的有限元模型。模型中 考虑了材料的弹性变形、塑性变形和热传导等因素，采用位移控制的方式对压 制过程进行模拟。在模拟过程中，通过调整压制压力、压制速度、烧结温度等 参数，研究了其对陶瓷粉末压制成型过程的影响。
DEFORM粉末冶金成形工艺数值模拟技术应用
DEFORM粉末冶金成形工艺数值模拟技术应用安世亚太公司晏建军1 前言金属粉末冶金成形已应用于多种工业机械零部件的成形工艺，包括齿轮、轮盘、汽车连杆等。
粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。
传统的成形方法有模压成形、等静压成形、挤压成形、轧制成形、注浆成形和热压铸成形等。
DEFORM金属粉末成形技术可实现粉末成形工艺过程的计算机数值模拟，预测粉末成形缺陷，优化加工工艺参数。
2 粉末冶金成形工艺优势及面临问题从制作机械零部件方面来看，粉末冶金法制作机械零部件是一种少切削、无切削工艺，可以大量减少切削加工量而节省机床，节约金属材料，提高劳动生产率。
用金属粉末冶金法制作机械结构零件时，比用其他加工方法的材料利用率高、能耗低。
粉末成形工艺过程的实现，涉及到工艺参数及模具结构设计等种种因素，粉末的初始装填密度、压机的锻压速度、压制力等对粉末冶金零件的成形形状、压实密度分布、成形应力应变等具有难以预测的影响，而成形零件的锻压质量又影响到产品的机械性能和使用寿命，因此如何更科学更准确地评估压实成形质量，是汽车齿轮、连杆等金属粉末加工产品的重要方面。
DEFORM塑性成形分析程度的金属粉末成形功能可预测成形过程中产品可能出现的缺陷、分析成形尺寸精度、各部位密度分布等现象，优化成形工艺参数，缩短研发周期。
3 DEFORM粉末冶金成形工艺方案的工业应用粉末冶金成形工艺模拟软件用于精确预测产品最终形状及机械加工件的密度分布，DEFORM数值模拟技术已成为产品及加工工艺设计和优化的有力工具。
在数值模拟计算系统中，可通过快速仿真分析，获得粉末成形模具粉料填充、材料流动、成形吨位、温度场分布、应力应变、能量及裂纹等信息，同时，该数值仿真系统可对粉末成形后的产品进行烧结工艺分析，预测烧结后的产品体积变化及内应力、密度，指导成形模具和工艺参数的优化设计。
在粉末冶金成形领域已获得良好的工业化应用。
TA15粉末冶金产品热等静压成形工艺过程的数值模拟
TA15粉末冶金产品热等静压成形工艺过程的数值模拟王冰;纪玮;邓太庆;赵丰;林岩松【摘要】针对高品质粉末冶金新产品的研发,为了减少其研发周期、降低试验成本,采用Marc模拟软件,对轴承座产品的热等静压近净成形过程进行了有限元数值模拟.结果表明:经工艺成形后,产品几何外形尺寸变化较大,相对密度整体达到0.98,局部尖端位置相对密度仅为0.85,对此提出了改进包套结构和芯模结构形式、局部增加装粉量等方案,提高局部位置致密度,保证产品整体质量,为产品的实际生产提供了理论指导作用.%In order to reduce development cycle and test costs of high quality powder metallurgy new products,hip near net-shape forming process of bushing bearing was simulated by Marc.The results show that product geometric dimensions change greatly and the relative density reached 0.98,the local tip position relative density is only 0.85 by the process of forming.In order to improve the local position density and ensure the overall quality of the product,an improvement program by improving the capsule and mold structure,the local increasing in the amount of powder is proposed.The result has provided theoretical guidance for the actual production by numerical simulation.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2017(047)004【总页数】4页(P19-22)【关键词】热等静压;数值模拟;相对密度【作者】王冰;纪玮;邓太庆;赵丰;林岩松【作者单位】航天材料及工艺研究所,北京 100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京 100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京 100076【正文语种】中文【中图分类】TG376文摘针对高品质粉末冶金新产品的研发，为了减少其研发周期、降低试验成本，采用Marc模拟软件，对轴承座产品的热等静压近净成形过程进行了有限元数值模拟。
Inconel 625粉末盘热等静压近净成形过程模拟与验证
Inconel 625粉末盘热等静压近净成形过程模拟与验证陆恒;魏青松;薛鹏举;王基维;史玉升【摘要】To once-forming Ni-based superalloys turbine disc,a NNS-HIP method was used. A shape follow-up and a longitudinal symmetry mold schemes were designed.A modified Shima's model was used to simulate the NNS-HIP process of inconel625 powder disk,and an optimal scheme was selected for the test.Simulation results show that the thin canning has large deformation and drives powder densification.The internal core has almost no deformation,and controls the complex internal shape of powder disk;The powder expands first and then compacts in a multi-stage mode. Experimental results show that the size simulation error is less than 3•5 7%,mainly caused by manu-facturing and measurement errors.The simulation values in low density areas is smaller than actual values,because the simulation process ignores some microscopic behaviors such as movement and re-arrangement of powder particles.The tensile strength of Inconel625 compacts is bigger than ASTM forging standard,and good plasticity can be received after solution treatment.The simulation can guide the mold's structure design of NNS-HIP.%为一次性成形复杂结构的镍基高温合金涡轮盘零件，采用热等静压近净成形(NNS-HIP)方法，设计了随形和上下对称两种模具方案。
w-cu20粉末板材轧制过程数值模拟与实验验证
摘要钨铜合金板材既有较高的强度、硬度和较低的热膨胀系数还有良好的导电导热性，在电触头，电子封装材料和热沉材料等方面应用较为广泛。
钨和铜熔点差大并且互不固溶，使得传统的铸锭轧制方法无法制备钨铜合金板材。
利用粉末轧制工艺结合后续烧结工序，是制备钨铜粉末合金的一条极佳途径。
并且粉末轧制具有很多优点，如生产的板材成分和组织均匀，工艺简单，生产成本低等。
本文采用有限元数值模拟和实际试验相结合的方法，研究W-Cu20粉末轧制规律。
以钨粉和铜粉为原料，构建W-Cu20粉末的Drucker-Prager/Cap模型，建立W-Cu20粉末轧制有限元模拟模型。
将模拟值和实际试验做对比验证，认为本文中的W-Cu20粉末轧制数值模拟是可信的。
根据模拟结果分析轧制过程中工艺参数对模拟结果的影响规律。
对粉末轧制制备出的W-Cu20生板进行烧结，并对烧结板材的相对密度，显微组织和力学性能进行了研究。
构建W-Cu20粉末的Drucker-Prager/Cap模型。
首先对金属钨粉和铜粉的相貌和粒度进行了分析，然后按质量比例4:1混合制备出W-Cu20粉末。
利用巴西圆盘试验、单轴压缩试验计算得到了参数d和β随相对密度变化关系。
又设计压缩模具，测量粉末压缩过程中受到的轴向力和径向力随压缩应变的关系，根据相关公式计算得到了模型参数R、p a和p b随相对密度变化的关系。
最后给出了Drucker-Prager/Cap关于相对密度的空间构形。
利用有限元软件Abaqus建立了W-Cu20粉末轧制数值模拟模型。
首先利用Abaqus自带的几何造型功能进行几何建模并合理划分网格。
赋予粉末材料Drucker-Prager/Cap模型参数，建立温度-位移耦合分析步，利用FORTRAN语言编写的子程序VUSDFLD更新W-Cu20粉末轧制过程中因粉末体变形改变相对密度引起的材料属性参数的变化。
有限元模拟结果发现，W-Cu20粉末轧制过程模拟值和实际值基本吻合，最大误差为4.73%，认为有限元模型的建立有效和可信。
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粉末冶金零件的冷等静压 ( CIP) 成形过程具 有几何非线性 、材料非线性 、边界条件非线性等特 点 ,因而采用了增量非线性有限元对非线性代数 方程组进行迭代求解 ,以满足每步结束时的平衡 方程 。迭代方法采用了修正的牛顿 —拉夫森法 。
在几何非线性方面 ,从大位移以及大应变角 度来对粉末冶金零件冷等静压成形过程进行分 析 ,并采用更新的拉格朗日法来描述坐标系 。
利用 30MnSi 钢的 50 组数据 ,对金属塑性变 形抗力利用 Modular 网络进行离线学习和预报 。 用 C + + 语言[3 ,4]在计算机 (联想 celeron466) 上编 制了基于 Modular 模糊神经网络的离线预报程序 , 网络训练次数 20 000 次 ,学习率 0. 1 ,专家网络学 习中止误差0. 000 1 ,隶属度学习中止误差0. 000 1。 预报结果见图 4。可见 30MnSi 钢金属塑性变形抗 力的实测值与预报值有很好的拟合程度 。
3. 2 粉末冶金零件成形过程中密度变化情况 粉末零件 CIP 成形后的密度变化情况如图 3
所示 。从图 3 中可以看到 ,由于 CIP 成形时施加 的各向均等的高压 ,因此粉末构件大部分部位的 压密效果较好 。而钢模压制时由于粉末坯料与凹 模之间的摩擦 ,使得一般钢模压制的粉末件的底 部 、顶部的密度有很大差别 ,出现了沿高度方向密 度不均匀 。因此 ,当加工的坯料高径比较大时 ,等 静压的压密效果比钢模压制的效果更好 。
寸精度高 、材料利用率高等一系列优点 ,因而在陶 瓷和粉末冶金生产中得到了广泛的应用 ,是现代 粉末冶金加工技术中制造结构件的一种重要方 法[1、2 ] 。
然而 ,粉末等静压成形过程是一个非常复杂的 成形过程 ,涉及到许多过程参数例如粉末材料的各 种成份 、含量 、模具的种类 、形状 、加工温度 、湿度 、 压力等 。在进行解析时还要考虑以下多方面因素 的影响 : (1) 粉末材料含有一定孔隙 ,是一个非连续 体 ,需要以各个颗粒之间的变形以及各颗粒之间的 协调关系来研究其整体变形 ,并且粉末材料对温 度、应变速率存在敏感性特点 ; (2) 工件、模具的复 杂形状、几何尺寸 ; (3) 摩擦边界条件 ; (4) 有限变形
α13J′2
+
α2J
2 1
=
α1 2
(σ1 - σ2) 2 + (σ2 - σ3) 2 +
(σ3 - σ1) 2
+ α2 (σ1 + σ2 + σ3) 2
1 2
(1)
式中 α1 、α2 ———相对密度的函数 f ———屈服函数
J1 ———应力张量第一不变量
J′2 ———应力偏量第二不变量
众多学者提出的屈服准则只是其中的材料常
来 ,随着粉末成形数值模拟技术的发展 ,粉末材料 屈服准则的研究引起了人们的重视 。许多学者提
出了如式 (1) 的粉末材料成形条件式[6] ,基本上都 是在经典的 Von Mises 屈服准则的基础上引伸出 来的 ,考虑了静水压力对粉体成形的影响 ,并且均 可以用如下的一个通式来表示 ,即 :
f = σs =
联系人 :贺 峻 ,博士生 ,北京市 (100083) 北京科技大学材料学院博 97
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Keywords powder metallurgy cold isostatic pressing FEM density
1 前 言
由于用传统的粉末冶金技术生产出来的粉末 冶金零件孔隙较多 ,强度和韧性大大降低 ,难以在 高负荷条件下使用 ,因此 ,近几十年来 ,出现了粉 末等静压成形技术 。等静压成形分冷等静压成形 (CIP) 和热等静压成形 ( HIP) 两类 。主要利用液体 介质不可压缩性和均匀传递压力的特性 ,将细微 的粉末材料装在弹性模具内 ,采用水 、油或氩气作 压力介质 ,把粉末材料加工成均质的高密度成形 件 ,再经过烧结即成为最终产品 。由于其形状 、尺 寸与要制造的粉末冶金制品的最终形状和尺寸非 常接近 ,并且具有高密度 、组织均匀 、致密性好 、尺
30MnSi 钢的变形抗力与变形温度 、变形程度 和变形速率有着密切的关系 ,所以影响变形抗力 的因素主要有 3 个 :变形温度 、变形程度和变形速 率。
建立 Modular 模糊神经网络的结构参数 ,输入 层为上述 3 个影响因素 ( t 、ε、ε) , 输出层为 1 个 , 即金属塑性变形抗力 (σ) ,共 50 组 200 个数值 。 4. 4 离线学习和预报结果分析
案应主要围绕以下几个方面来进行 : (1) 在 GX 产品尺寸精度许可的范围内考虑
稍许改变粉末产品的几何尺寸 ; (2) 考虑改善粉体和橡胶之间的摩擦 ,从而促
进低密度区域的压密 ; (3) 改变橡胶模具的几何形状 。 目前主要采用的方案是针对顶部的橡胶模具
的改进 ,这是目前最可行的方案 。图 5 所示的为 橡胶模具顶角的内表面改为圆角 ,外表面仍为直 角时的模拟结果 。
图 5 橡胶模具顶角改进后的压密效果
图 3 粉末冶金零件 CIP 成形后的密度变化情况
3. 3 粉末冶金零件成形时粉末流动情况 粉末零件 CIP 成形时粉末颗粒的流动情况如
图 4 所示 。从图 4 中可以看到 ,成形过程中粉末 零件在图 4 中 A 区的粉末颗粒流动情况较为混 乱 ,从而引起了低密度区域的形成 。其原因主要 是由于 A 区附近的模具几何形状存在难变形区 , 从而使得在 A 区附近的粉体颗粒流动较为困难 。
Synopsis The FEM numerical simulation to imitate the cold isostatic pressing process of pow2 der metallurgical component is introduced and the technical problem fully discussed and flow of the powder and distribution of the density analyzed with the aid of FEM software. It is shown that the geometrical demension of P/ M component and shape of mandril have great in fluence on the consol2 idation of the P/ M component. Improvement measures are proposed to prolong the service life of the component .
末材料坯体含有一定的孔隙 ,是一个非连续体。 这种非连续体的变形是一个非常复杂的过程 ,等 静压力影响粉末材料的屈服 ,因此 ,粉末材料的屈 服准则需要考虑如下 2 个问题[1] :
(1)粉末材料在塑性变形时的体积(密度)变化 ; (2) 粉末材料的屈服应力与相对密度有关系 , 相对密度越大 ,变形所需的应力也越大 。 从 20 世纪 80 年代中期开始 ,对粉末材料的 屈服准则进行了一系列的研究工作 。尤其是近年
等方面的因素。因此 ,难于用理论解析试验的方法来确定模具尺寸。 这种方法不仅不能保证等静压坯料的质量 ,而且还 存在着模具设计周期长 、产品尺寸精度差以及密度 不均等问题 ,消耗了大量的人力、物力和时间。
因此 ,采用有限元技术来对粉末冶金零件进 行等静压成形过程模拟就成为了一种快速有效的 设计方法[3～5] 。通过有限元模拟 ,可以给出成形 过程中粉末坯料几何形状 、应力应变场 、密度分布 等数据 ,并据此分析出现质量缺陷的原因 ,从而能 及时改进加工过程 ,快速有效地确定模具的最终 理想形状 ,达到提高生产效率 、降低成本的目的 。
在边界条件非线性方面 ,由于在加压变形过 程中粉体与橡胶模具的接触和相互间的摩擦起着
重要作用 ,其接触约束通过直接约束法来施加 ,同 时考虑到了加载方向随结构变化而变化的外力如
追随力的影响 。
2. 2 材料类型 粉末材料是由大量颗粒构成的 ,每一个颗粒
均可以视为完全致密体 ,其变形行为可以用传统 的塑性力学来描述 。但是由这些颗粒所组成的粉
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图 2 粉末冶金零件 CIP 成形后的形状及密度分布
图 4 粉末冶金零件 CIP 成形时粉末的流动情况
关键词 粉末冶金 冷等静压 有限元 密度
NUMERICAL SIMULATION OF COLD ISOSTATIC PRESSING OF P/ M COMPONENT
He Jun Wang Yanli Kang Yonglin (University of Science & Technology , Beijing)
数 α1 、α2 不同而已 。
3 模拟结果及分析
3. 1 粉末冶金零件成形后形状及密度分布 粉末冶金零件冷等静压成形后的形状及相对
密度分布如图 2 所示 。从图 2 中可以看到 ,成形 后该粉末零件绝大部分区域的相对密度可以达到 0. 92～0. 96 左右 ,压密效果较好 。但是 ,在内顶角 处存在有较大范围的低密度区域 ,最低达到了 0. 73左右 。
4 改进方案
由于粉末产品的几何形状 、尺寸 、模具形状对 产品的压密效果有极大影响 ,因此目前的改进方
成形后粉末零件绝大部分区域的密度可以达 到 0. 92～0. 97 左右 ,压密效果较好 。内顶角处的 低密度区域有所缩小 。