CN102855356A

CN102855356A - 一种硬质合金致密化压制成形模拟方法

Info

Publication number: CN102855356A
Application number: CN2012103071936A
Authority: CN
Inventors: 张瑞珠; 苏万山; 李勇; 严大考
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，采用如下步骤：步骤A，建立有限元模型；步骤B，切分模型；步骤C，在有限元模型上设置对称边界条件SymmetryB.C，模拟整个坯料的压制变形规律：在有限元ANSYS环境中，下压模设置为刚性面，其自由度自动约束为零，上压模建立的刚性目标面通过PILOT控制节点来控制烧结多孔材料的下压量，整个目标面的力、力矩、转动及其位移都通过PILOT节点来表示；步骤D，设置边界条件和载荷后，进行分析求解。本发明通过多孔烧结材料的建模到进入有限元软件进行模拟分析，对研究烧结多孔材料变形规律具有借鉴意义，通过整个加压致密化的模拟，研究烧结多孔材料变形区应力应变分布，最终得到其加压致密化的规律。

Description

一种硬质合金致密化压制成形模拟方法

技术领域

本发明涉及材料成型领域模拟分析方法，具体涉及一种硬质合金致密化压制成形模拟方法。

背景技术

自蔓延高温合成（SHS）技术研究应用一直是国际学术和产业界的研究热点之一，其可以用来制备多孔烧结材料，通过加压致密化制备高强度硬质合金，但对其加压致密化的成型过程模拟分析较少。

发明内容

本发明的目的在于通过多孔烧结材料的建模到进入有限元软件进行模拟分析，提供了一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，对研究烧结多孔材料变形规律具有借鉴意义，通过整个加压致密化的模拟，研究烧结多孔材料变形区应力应变分布，最终得到其加压致密化的规律。

本发明采用以下技术方案：

一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其中，采用如下步骤：

步骤A，建立有限元模型：多孔烧结材料有限元模型在SOLIDWORKS软件中建立，通过圆柱状坯料实体模型与小球孔模型之间的布尔运算，得到烧结多孔材料的模型，通过通用的IGES格式，导入到有限元软件ANSYS中；

步骤B，切分模型：采用有限元软件中映射网格划分技术得到较为规则的网格形状，得到所需的坯料有限元模型；

步骤C，有限元模型建立后，在ANSYS首先建立接触对，将上下压模设置为刚性体，在ANSYS中用TARGE170和CONTA174单元来识别接触对，坯料具有轴对称性，建立四分之一模型即可，在有限元模型上设置对称边界条件Symmetry B.C，模拟整个坯料的压制变形规律：在有限元ANSYS环境中，下压模设置为刚性面，其自由度自动约束为零，上压模建立的刚性目标面通过PILOT控制节点来控制烧结多孔材料的下压量，整个目标面的力、力矩、转动及其位移都通过PILOT节点来表示；

步骤D，对下压模的上的所有节点约束Z向自由度为0，同时运用ANSYS的非线性接触分析，设置时间为10S，1个载荷步，22个载荷子步，打开非线性大变形选项，设置边界条件和载荷后，进行分析求解。

作为优选，多孔烧结材料的有限元模型数据为：密度，弹性模量

Figure DEST_PATH_899330DEST_PATH_IMAGE002

，泊松比屈服极限

Figure DEST_PATH_700375DEST_PATH_IMAGE004

，摩擦系数

Figure DEST_PATH_701698DEST_PATH_IMAGE005

。

作为优选，所述步骤D中，控制上压模的下压量分别为30%，40%，50%。

作为优选，多孔烧结材料坯料模型为高径比为3/4。

本发明的有益效果为：

1、本发明将多孔烧结材料在各个下压量下的变形规律和变形区应力应变分布进行对比，得到各个下压量下坯料模型的变形程度和致密化程度，而随着下压量的增大，坯料的鼓形也越来越大，压坯内的小孔变形量也在增大，当下压量达到50%时，小孔的形变几乎达到最大值，此时孔隙最小，致密化效果也比压下量为30%和40%有了明显提高。

2、本发明通过对比多孔烧结材料和致密化无孔材料的加压变形规律，并通过拟合出多孔材料和致密化材料在相同下压量下的作用力曲线，比较分析得到单次下压量大，不同实验至相同下压量时需要作用力较小，对于多孔材料的压制过程，压制力较致密材料低，压制过程中会出现应力刚化效应现象。

3、本发明所采用的有限元软件ANSYS采用基于更新的拉格朗日算法，比较耗费内存资源，当计算机配置比较高时，可以采用非线性分析中的PCG算法，加快计算速度，保证计算收敛。

4、通过将CAD/CAE软件的有机结合，将三维软件的建模优势和有限元软件的模拟分析优势得到更好的发挥，进一步将CAD/CAE技术应用于材料成型的各个领域。

具体实施方式：

本发明采用多孔材料为TC4（Ti-6Al-4V）碳化钛材料，通过在自蔓延烧结装置中烧结后得到初始非致密化坯料，烧结过后得到高为60mm,直径为80mm的坯料模型，该模型为非致密化多孔材料，致密化效果不明显。通过在三维软件SOLIDWORKS中建立坯料有限元模型，然后以IGES格式导入到有限元软件ANSYS中进行压制模拟。

具体工艺过程如下：

材料特性：选用的硬质合金烧结母材料TC4在有限元性能参数如下所示：

表1压坯材料性能参数

Figure DEST_PATH_524160DEST_PATH_IMAGE006

首先将模型进行规则切分，然后采用映射网格划分技术将模型划分为规整的有限元模型。在进行有限元分析前，首先对材料模型进行必要的处理，从三维软件导入有限元软件中的模型存在一些缺陷，对模型进行布尔运算，将零散的模型整体化，将多余的线面删除，得到较为合理的有限元模型。

上下压模具与坯料之间采用刚柔接触，采用RIGID建立刚性目标面，而在上压模上通过PILOT控制节点来控制坯料的下压量。采用有限元软件ANSYS12.0，对于上下压模，采用刚性TARGE170目标单元划分为刚性体，圆柱体压坯基体的上下表面采用CONTA174单元划分为柔性体，用PILOT节点控制上压模的运动。建立完有限元模型后，对压坯模型施加对称边界条件Symmetry B.C，便可以模拟整个坯料的压制变形规律。在有限元ANSYS环境中，下压模设置为刚性面，其自由度自动约束为零，上压模建立的刚性目标面通过PILOT控制节点来控制烧结多孔材料的下压量。整个目标面的力，力矩，转动及其位移都通过PILOT节点来表示。

对下压模的上的所有节点约束Z向自由度为0，同时运用ANSYS的非线性接触分析，设置时间为10S，1个载荷步，22个载荷子步，打开非线性大变形选项。施加完边界条件和载荷后，进行分析求解。整个模拟共采用三组实验：分别控制上压模的压下量至30%、40%、50%的时候，烧结压坯带孔截面的变形和等效应变分布情况。分析完毕后，进入ANSYS的POST1，POST26后处理器进行结果分析。

多孔烧结材料坯料模型为初始高径比为3/4，高为60mm,直径为80mm。在有限元环境中进行模拟分析时，通过控制上压模的下压量，便可得到烧结多孔坯料在下压量为30%，40%，50%时坯料变形，变形区应力应变分布，孔形状尺寸变化及其加压致密化规律，材料变形力的变化，通过拟合压制力可得出存在孔的材料在烧结致密化过程中变形力的变化规律。分别对压坯施加30%，40%，50%的下压量，分析完成后得压坯的截面变形图：随着下压量的增大，鼓形也越来越大，小孔变形量也在增大，当下压量达到50%时，小孔的形变几乎达到最大值，此时孔隙最小。

在有限元的后处理模块中，通过变形区应力应变云图和变形图，可以看出由于压坯和上冲模和凹模之间存在摩擦，切向力使其横向产生变形，压坯在外形上出现明显的鼓形，随着下压量的增大，鼓形更加明显，在压坯内部，小球孔孔径变小，出现了孔变形。孔边缘处的等效应力相比于停滞区（非变形区）仅自由变形比较小，这与孔在坯料中的位置有关。同时材料在镦粗成形过程中等效应变的分布是不均匀的，对于不同的下压量，压坯内部的等效应变分布大致相似，等效应变由中间向两端扩展，随着压制的进行，坯料内部出现剧烈变形区域，中心区域和小孔周围的等效应变要高于其他区域，随着小孔变形量的增大，压坯的致密度也在不断提高，而随着致密度的增加，塑性变形也上升为主要特征。为进一步在有限元中对比致密化材料与非致密化多孔材料的变形规律发，通过拟合出多孔材料和致密化材料在相同下压量下的作用力曲线，比较分析得到单次下压量大，不同实验至相同下压量时需要作用力较小，对于多孔材料的压制过程，压制力较致密材料低，压制过程中会出现应力刚化效应。

本发明在三维软件建模的基础上，利用有限元软件ANSYS强大的非线性分析功能，对粉末烧结多孔材料在下压量为30%，40%，50%时分别进行了分析，研究了其多孔材料成型机理和变形区应力应变分别，变形规律，对于推动新材料研发具有一定的学术意义，为促进硬质合金制品的大批量生产，具有重要的经济价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其特征在于：采用如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其特征在于：多孔烧结材料的有限元模型数据为：密度，弹性模量

Figure 2012103071936100001DEST_PATH_IMAGE004

，泊松比

Figure 2012103071936100001DEST_PATH_IMAGE006

屈服极限，摩擦系数。

3.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其特征在于：所述步骤D中，控制上压模的下压量分别为30%，40%，50%。

4.根据权利要求3所述的一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其特征在于：多孔烧结材料坯料模型为高径比为3/4。