基于Deform 對粉末凈成形壓制工藝的仿真實(shí)驗(yàn)

申小平， 黃永強(qiáng)， 張 婷

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，南京210094；2.廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣州510510）

0 引 言

科研驅(qū)動教學(xué)模式是研究大學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一［1］，具有教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新。科學(xué)研究是高質(zhì)量教學(xué)的有力保證［2］。在教學(xué)改革中，將專業(yè)前沿的科研課題融入教學(xué)中，使學(xué)生有機(jī)會接觸到實(shí)際的工程實(shí)踐，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)際工程能力以至有所創(chuàng)新［3］。

隨著粉末冶金行業(yè)的快速發(fā)展，粉末冶金零件在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］，同時(shí)對零件的品質(zhì)也提出了更高的要求，壓坯密度和密度分布的均勻性影響著零件的品質(zhì)。將數(shù)值模擬技術(shù)運(yùn)用于金屬粉末成形過程以預(yù)測壓坯密度及密度分布，可以大大降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期［6-7］。對壓制成形工藝的模擬仿真研究具有重要意義［8］。

為加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力，本文將粉末冶金件壓制成形仿真研究內(nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了“基于Deform的粉末冶金成形工藝的仿真實(shí)驗(yàn)”，給學(xué)生創(chuàng)建一個接觸科研前沿、應(yīng)用專業(yè)知識的平臺，創(chuàng)建科學(xué)研究的情境，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。金屬成形工藝仿真軟件Deform作為當(dāng)今計(jì)算仿真技術(shù)中有效、實(shí)用的工具之一，為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了工具［9］。將Deform仿真融入成形工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對成形壓制工藝的理解，還能增強(qiáng)學(xué)生的仿真能力。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生從中學(xué)到新的思維方式和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問題的能力［10-12］。

1 仿真模型和參數(shù)的設(shè)定

1.1 材料模型和參數(shù)的設(shè)定

粉末實(shí)驗(yàn)用名義合金成分為鐵-1%碳-2%銅（Fe-1wt.%C-2wt.%Cu），其初始密度采用霍爾實(shí)驗(yàn)測得為3.47 g／cm3，相對密度為0.442（致密體的密度為7.85g／cm3）；并通過實(shí)驗(yàn)法得到該牌號粉末的相對密度與彈性模量的關(guān)系模型，并對比其他學(xué)者的彈性模量模型（見圖1（a））；泊松比采用概率密度的正態(tài)分布函數(shù)模型（Normal distribution model）［13］（見圖1（b））；流動應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖1（c））。熱膨脹系數(shù)為1.068×10－5／℃。

圖1 材料特性

1.2 幾何模型和屬性的設(shè)定

模具按照實(shí)際尺寸進(jìn)行Solidworks三維建模，粉末體模型按照裝粉態(tài)形狀設(shè)定，并與模具裝配在一起，轉(zhuǎn)換成iges格式導(dǎo)入Deform模型中，粉末體設(shè)置為黏塑性多孔隙（porous）模型，模具為剛性（rigid）模型。粉末體按照4節(jié)點(diǎn)4面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分網(wǎng)格數(shù)量為（4～5）×105個，兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性和運(yùn)算快捷性。

1.3 邊界條件的設(shè)定

由于粉體材料特殊的物理性質(zhì)，在粉體處于松裝狀態(tài)時(shí)，受到極小的作用力就會使原有的形狀發(fā)生改變而具有流體的特性。但隨著致密化過程的進(jìn)行，粉體受到超過其屈服應(yīng)力的作用力才會發(fā)生變形，此時(shí)具有固體的特性。粉體材料的力學(xué)性質(zhì)介于流體與固體之間，考慮到粉末體與模壁處于動態(tài)接觸狀態(tài)，其接觸條件極其復(fù)雜，難以精確設(shè)定。將邊界條件設(shè)置為粉體表面與模具均有接觸，其接觸容限設(shè)為0.05，偏斜系數(shù)選取為0.2。摩擦條件選取剪切摩擦的冷壓（cold forge）模型，摩擦參數(shù)設(shè)為0.12，采用更新的拉格朗日方法并基于Doraivelu屈服模型進(jìn)行迭代和運(yùn)算收斂。

1.4 粉末體密度測定及相對密度定義

粉末冶金零件具有特殊結(jié)構(gòu)屬性，其壓坯中內(nèi)有孔隙，需要特定測量，在阿基米德比重法測定前對坯料進(jìn)行真空浸油處理，以封閉材料的表面孔隙。粉體坯料的密度：

式中：m為未浸油試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m1為浸油干燥后在空氣中的質(zhì)量，g；m2為浸油試樣在吊籃支撐下浸沒在水中的質(zhì)量，g；m3為吊籃的質(zhì)量，g；ρw為蒸餾水的密度，g／cm3。另外，材料的相對密度：

式中：ρ為相對密度；ρt為壓坯的密度；ρ0為合金致密體密度［8］。

粉末冶金零件的力學(xué)性能在很大程度上取決于密度分布的均勻性，對復(fù)雜形狀的壓坯更是如此。如何了解零件的密度分布成為一個至關(guān)重要的問題。將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)運(yùn)用于金屬粉末成形過程以預(yù)測壓坯的密度梯度和應(yīng)力分布，可以有效提高產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)效率。在上述的力學(xué)模型、建立的材料參數(shù)始終著眼于成分為Fe-1wt.%C-2wt.%Cu的三維復(fù)雜零件的模擬過程，其仿真模擬結(jié)果也是基于成形后壓坯密度分布的研究。

2 成形工藝仿真模擬實(shí)驗(yàn)

為便于學(xué)生深入淺出地對粉末冶金零件的壓制成形工藝的模擬仿真有更深入的了解和研究，本文中對汽車發(fā)動機(jī)可變正時(shí)氣門（Variable Valve Timing，

VVT）系統(tǒng)中的零件：外殼，殼體、皮帶輪及轉(zhuǎn)子的壓制成形工藝進(jìn)行模擬仿真［14-16］。針對不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品和壓制成形方式的模擬，分析、研究其壓坯密度分布規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)研究作指導(dǎo)。

2.1 外殼的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的外殼尺寸如圖2所示，成形模具采用“上一下一，中模帶臺”結(jié)構(gòu)，模具包括：成形上沖、成形下沖、臺階中模、芯棒。針對外殼產(chǎn)品本教學(xué)中主要研究模擬壓制成形的中模臺階和浮動壓制方式，整個壓制過程為2 s，模擬運(yùn)動參數(shù)：下沖固定，上沖行程為23 mm，上沖壓制速度為11.5 mm／s；中模行程為18 mm，浮動速度為9 mm／s；芯棒行程為18 mm，浮動速度為9 mm／s。模擬總步數(shù)（step）設(shè)定為200，步長為0.113 mm。

圖2 外殼壓坯尺寸

本模擬根據(jù)外殼的模型及壓制參數(shù)進(jìn)行壓制仿真得到壓坯密度分布圖，如圖3所示，可知整體密度分布呈現(xiàn)“兩端大，中間小”趨勢。密度分型面位于齒部與boss軸交界處，而對于齒頂?shù)烬X根的齒部區(qū)域有較大密度（該區(qū)域顯示紅色），這是由于頸部（boss）軸先受壓，部分粉末橫向移動到該區(qū)域，相當(dāng)于粉末充填量增多，boss軸密度是下端大于上端（這是由于各模具的相對運(yùn)動造成，目前設(shè)置的工藝類似于下沖往上頂?shù)膯蜗蜻\(yùn)動）。外殼的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解中模帶臺階的浮動壓制方式（類似單向壓制）及該結(jié)構(gòu)壓坯的密度分布和造成原因。

圖3 外殼壓坯密度分布圖

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，模擬數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1及圖4。通過對比表1可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致吻合，密度呈“兩端大，中間小”的趨勢，齒部具有最大的密度，通過計(jì)算相對密度最大誤差值為3.7%。分析產(chǎn)生該誤差的原因?yàn)槟M中選取的數(shù)據(jù)為某區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)上的相對密度，而實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為一個區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的平均相對密度。盡管實(shí)驗(yàn)與模擬的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但該誤差在可接受的范圍內(nèi)［14］，故本研究中壓制工藝模擬仿真的坯料密度分布數(shù)據(jù)是可靠的。

表1 實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對比

圖4 實(shí)驗(yàn)條件與模擬情況下，外殼壓坯的相對密度分布對比

2.2 殼體的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中殼體尺寸如圖5所示，成形模具采用“上一下一”結(jié)構(gòu)，模具包括：成形上沖、成形下沖、中模、芯棒。針對該產(chǎn)品本教學(xué)中研究模擬壓制成形中的浮動壓制即雙向壓制方式，模擬運(yùn)動參數(shù)：下沖固定，上沖行程為22 mm，壓制速度為5.5 mm／s；中模行程為10 mm，浮動速度為2.5 mm／s；芯棒行程為10 mm，浮動速度為2.5 mm／s。模擬總步數(shù)設(shè)定為200，步長為0.11 mm。

圖5 殼體壓坯尺寸

基于上述壓制成形參數(shù)，對殼體進(jìn)行仿真模擬分析，得到如圖6所示的壓坯密度圖，由圖可知，壓坯的密度分布與前面實(shí)驗(yàn)中的外殼項(xiàng)目，密度分布趨勢一致，呈“兩頭大，中間小”的現(xiàn)象，這與雙向壓制方式有關(guān)，受模具和粉末體的摩擦力作用，壓坯上、下兩側(cè)受到的壓力最大，越往中間，壓力減弱。在粉體中間部位作用的壓力最小，成形密度最低，其密度分型面呈現(xiàn)在中間部位（密度分布圖中中間部位有一圈淡藍(lán)色的密度分型線）。不同壁厚處部位，在同一高度上，其密度不一樣，厚壁的密度要比薄壁密度高（P3＞P6，P2＞P5，P1＞P4），這是由于粉末在薄壁處充填量較小，而在受壓過程中薄壁處的粉末橫向移動量更大，導(dǎo)致密度降低。針對殼體成形工藝的模擬仿真，可以讓學(xué)生了解雙向壓制方式和產(chǎn)品厚薄部位對密度的影響。

圖6 殼體壓坯密度分布圖

2.3 帶輪的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的VVT帶輪尺寸如圖7所示，該類產(chǎn)品為“工”字形，成形模具采用“上二下三”結(jié)構(gòu)，模具包括：上一沖、上二沖、下一沖、下二沖、下三沖、中模、芯棒針，對該產(chǎn)品本教學(xué)中研究模擬仿形移粉階段，中模浮動，各沖頭同步壓制模式，其模擬整個壓制過程為5 s，行程和速度參數(shù)見表2。模擬總步數(shù)設(shè)定為300，步長為0.085 mm。

圖7 帶輪壓坯尺寸

表2 帶輪成形工藝的模擬參數(shù)

項(xiàng)目中的帶輪模擬實(shí)驗(yàn)是基于伺服控制（CNC）壓機(jī)有浮動移粉功能，在設(shè)計(jì)初始粉末體模型時(shí)其形狀是與壓坯的形狀相似，初始粉末體各段差高度為壓坯段差高度的2倍（該數(shù)據(jù)為粉末充填系數(shù)）。并根據(jù)表2的壓制參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到如圖8所示的壓坯密度分布圖。由圖8可見，齒部上端區(qū)域P1的相對密度值為0.847（密度為6.65 g／cm3），中間區(qū)域P2處相對密度值為0.842（密度為6.62 g／cm3），齒部下端區(qū)域P3相對密度值為0.878（密度為6.9 g／cm3），密度分型面位于肋板對應(yīng)的齒部區(qū)域（即P2處），該密度分布的壓坯在實(shí)際生產(chǎn)中具有較高的生坯強(qiáng)度。帶輪的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解成形過程中的仿形充填粉末的壓制方式和帶輪密度分布情況。

圖8 帶輪壓坯密度分布圖

2.4 轉(zhuǎn)子的仿真模擬

本項(xiàng)目模擬實(shí)驗(yàn)中的VVT轉(zhuǎn)子尺寸如圖9所示，而成形模具采用“上二下三”結(jié)構(gòu)，模具包括：上一沖、上二沖、下一沖、下二沖、下三沖、中模、芯棒。成形模擬仿真強(qiáng)制移粉，中模浮動壓制方式，其模擬整個壓制過程為5 s，行程和速度參數(shù)見表3，模擬總步數(shù)設(shè)定為300，步長為0.085 mm。

圖9 轉(zhuǎn)子壓坯尺寸

項(xiàng)目中的轉(zhuǎn)子模擬實(shí)驗(yàn)是仿真成形過程的強(qiáng)制移粉壓制方式，所謂強(qiáng)制移粉是壓機(jī)主軸上的移粉桿強(qiáng)制移粉，當(dāng)壓制過程中主軸往下移動，與其連接的移粉桿迫使下二沖與上一沖同步往下運(yùn)動，直到設(shè)定的限位才停止同步運(yùn)動，在此過程，芯棒Ⅰ對應(yīng)的盲孔處粉末一直處于松動未壓制狀態(tài)。圖10為模擬強(qiáng)制移粉壓制方式下得到的壓坯密度分布圖，由圖10可見，盲孔P2處的仿真數(shù)據(jù)相對密度為0.88較理論的0.737（0.442 ×（5／3）＝0.737）大，芯棒Ⅰ對應(yīng)的P1處的仿真實(shí)際相對密度為0.818也較理論的0.442（0.442×（5／5）＝0.442）大。這正是由于強(qiáng)制移粉壓制方式原理造成的，在壓制過程前期安裝下二沖和芯棒Ⅰ（同一浮動模板）的模板在壓機(jī)主軸的運(yùn)動下同步下行，該部位的粉末處于未壓縮狀態(tài)，而其附近的粉末在模具的運(yùn)動下會壓縮變形，故附近粉末發(fā)生橫向流動，增加盲孔處和芯棒Ⅰ處的粉末量，提高其密度。轉(zhuǎn)子的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解成形過程中的強(qiáng)制移粉壓制方式和轉(zhuǎn)子的密度分布情況。

表3 轉(zhuǎn)子成形工藝的模擬參數(shù)

圖10 轉(zhuǎn)子壓坯密度分布圖

3 結(jié) 語

本文將粉末冶金零件的成形壓制工藝的仿真研究引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于Deform模擬軟件對成形工藝的不同壓制方式進(jìn)行模擬，并對模擬結(jié)果壓坯密度分布進(jìn)行分析。通過對外殼、殼體、帶輪及轉(zhuǎn)子的成形工藝進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對粉末冶金成形工藝的仿真模擬技術(shù)有更進(jìn)一步了解，由淺入深地熟練掌握該門技術(shù)。

通過壓制工藝的仿真實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生創(chuàng)建一個接觸科研前沿、提高實(shí)驗(yàn)技能平臺，學(xué)生通過操作實(shí)驗(yàn)過程、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以從中學(xué)習(xí)Deform的建模、網(wǎng)格劃分、仿真分析等方法，培養(yǎng)學(xué)生利用先進(jìn)仿真軟件解決實(shí)際科研問題的能力。將Deform仿真融入粉末冶金成形壓制工藝研究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對壓制方式、模具結(jié)構(gòu)和密度分布規(guī)律的理解，還能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問題的能力。