CN104765909A - 多台阶状粉末压坯的压缩成型过程的分析法 - Google Patents

Abstract

在粉末冶金方面，如何达到密度均匀且没有裂纹等缺陷是制造上的最重要课题。一般在粉末压坯的模具成型中，由于作用于凹模与压坯之间的摩擦，很难保持高度方向的密度均匀。尤其是所要的成型体越是多台阶形状，就越需要控制多个凹模、冲头的动作，制造工艺变得复杂。现实中为了实现多台阶状粉末压坯的密度均匀化，很大程度上只是依靠制造现场的“尝试&错误”的经验法则。本发明是以多台阶状粉末压坯的压缩成型品的密度均一化为目的的多台阶粉末压坯的压缩成型过程的解析法。

Description

多台阶状粉末压坯的压缩成型过程的分析法

技术领域

本发明与多台阶状粉末压坯的压缩成型过程的分析法有关。

背景技术

要想制造出高品质的粉末冶金部品，不仅是形状，如何达到密度均匀且没有裂纹，也是最重要的课题。然而一般在粉末压坯的模具成型中，由于作用于凹模和压坯之间的摩擦，要保持高度方向的密度均匀是极其困难的。尤其是所要的成型品越是多台阶状，就越需要控制多个凹模及冲头的动作，制造工艺变得复杂。具体地说，像这种厚度方向的台阶较多的多台阶状的成型，为了使成型品各部分的密度均匀，在将原料粉充填到模具中后，在进行正式加压之前要让粉末移动(传送)。为了将复杂的形状尽可能地生产成近净型，确定这个传送形状就成为了重要的关键技术。但是现在这种制造方法尚未确立，很大程度上只能单单依靠制造现场的“尝试&错误”的经验法则。

近年，有学者在研究试图通过基于有限元法的电脑分析来解决这个问题，但至今仍未确立实用性的分析方法。利用网格将连续体离散化的有限元法，必须要有连接网格要素之间的数据，因而使得复杂形状的模型数据生成变得极其困难。另外，多台阶成型过程中局部性网格的位置关系会产生很大变化，可能会导致网格崩溃无法计算。再加要考虑到压缩成型过程中的热处理的影响，计算相当复杂，因此历来的有限元分析法，对于多台阶形状粉末压坯的压缩成型过程的分析从原理上来说是不适用的。

在对多台阶状粉末压坯的压缩成型过程进行分析时，需要有克服了以上所有问题的分析体系。

用粒子取代了网格对连续体进行离散化，将粒子作为计算要素的粒子法，是一种根据粒子间定义好的相互作用力计算其运动、将连续体的举动表达出来的无网格分析手法。粒子的相邻关系不固定，因此可以对从大规模的变形开始直到破坏为止的非线性的变形过程从原理上进行计算。

适用于从初期阶段的粉体粒子间存在相对较大空隙的状态开始，随着压缩成型的进展，直到成为粉体粒子间没有空隙的连续体为止的一系列的粉末压坯的压缩成型过程的分析。并且还考虑了压缩成型过程中热处理的影响，使粉末压坯的压缩成型过程的分析精度更高。

发明内容

本发明是以实现多台阶状的粉末压坯的压缩成型品的密度均一化为目的的多台阶状粉末压坯的压缩成型过程的分析法。(要求书中第1条)

将多台阶状粉末压坯通过粒子进行离散化，作为粒子间的属性赋予决定其宏观特性的粒子间相互作用力函数的参数，根据需要进行操作计算。(要求书中第2条)

为了计算因温度变化而变化的多台阶状粉末压坯的成型过程，作为粒子的属性赋予温度，粒子间相互作用力函数，作为考虑了材料的温度依存性的定义进行计算。(要求书中第3条)。

上述发明内容包括要求中1、2、3条所述的计算的程序及其记录媒体(要求书中第4条

附图说明

图1、有关多台阶状粉末压坯的压缩成型工艺、多台阶粉末压坯的压缩成型的分析法的流程图

图2、粒子间相互作用的范围

图3、2个粒子间的热传递机制

图4、粒子间相互作用力函数

具体实施方式

下面根据附图对本发明的最佳实施形态进行说明。

图1为有关多台阶粉末压坯的压缩成型工艺、多台阶粉末压坯的压缩成型的分析法的流程图。多台阶粉末压坯的压缩成型工艺由以下几部分组成：将粉末材料充填到模具、使粉末移动(传送)、加压。本发明所涉及的以多台阶粉末压坯的压缩成型品的密度均一化为目的的分析法，是根据粉末移动后的传送形状的CAD模型和模具初期配置CAD模型来直接制作粒子模型，以由粒子间相互作用模型定义好的仿真模型为基本的压缩成型仿真。仿真模型将粉末的流动分析及影响其流动的热分析(粉体模具间发生的摩擦热以及热的传递、传导)作为主要的构成要素，它是这些要素耦合后的模型。多台阶状的压缩成型品内部的密度以及是否有裂纹，会因传送形状以及使用多个凹模、冲头的加压方法而产生很大差异。使用本手法的压缩成型仿真，旨在通过将压缩成型过程根据物理性要素用粒子进行模型化，确定制造无裂纹、密度均匀的压缩成型品的最佳条件，为高品质的粉末冶金部品的制造方法作贡献。下面就图2、图3、图4中使用粒子的压缩成型仿真的计算方法进行说明。

图2表示的是粒子间的相互作用力的范围。就着眼粒子P_a来说，以其自己为中心，与存在于半径r_n以内的空间中的粒子(相邻粒子)之间会产生相互作用力。另一方面，与粒子间距离大于r_n的粒子P₀之间则不产生相互作用力。所有的粒子都按每个计算间隔Δt自动探查相邻粒子。也就是说粒子的相邻关系是依存于粒子间距离动态变化的，因此能够应付大规模的流动及变形。

图3为2个粒子间的热传递机制。相邻的2个粒子(高温粒子iと低温粒子j)间的流入或流出热量(Q)，可以用温度差(ΔT)、热传递率(a)、接触面积(S)来表示(算式1)。粒子i(或粒子j)的温度上升率(或下降率)ΔT，可以通过粒子的比热(c)和质量(m)来计算(算式2)。

Q＝a·S·ΔT...(算式1)...(算式2)

如果是连续体的话，粒子i的流入或流出热量，则取其与存在于相邻范围内的所有相邻粒子(图2)之间的流入或流出热量的合计、计算温度。

图4为相邻2个粒子间的粒子间相互作用力函数。相邻的2个粒子(粒子i与近旁粒子j)间会产生与粒子间距离(u_ji)相对应的粒子间力(F_ji)作用。传送状态(计算初期)时，所有的粒子间距离都为R₀，呈没有相互作用力的稳定状态。随着加压的开始，当粒子间距离小于R₀时，粒子间产生与其距离相对应的斥力。本函数中，有粒子间距离从R_c到R₀的领域和粒子间距离在R_e以下的领域，斥力的倾斜度不同(算式3)。这是将从粉体的压缩成型的初期阶段粉体粒子间存在较大空隙的状态开始到随着压缩成型的进展粉体充分密集直至达到接近连续体的状态为止的粒子间相互作用力连续性地模型化了。

F_ji＝k·u_ji···(算式3)

但，斥力参数k、当R_e＜U_ji＜R₀时，k＝k1、U_ji＜R_e时k＝k2(K2＞＞k1)。

表现压缩成型过程中的粉末压坯的流动举动所需的模型化项目中，除上述粒子间相互作用力以外，还有粉体粒子间的内部粘性摩擦力以及粉体粒子与模具粒子间的摩擦力。粉体粒子间的内部粘性摩擦力(FC_ji)通过相邻2个粒子的相对速度(v_ji)和内部粘性摩擦系数(c)来定义(算式4)。

Fc_ji＝c·v_ji...(算式4)

粉体粒子与模具粒子间的摩擦力(Ff_ji)通过相邻2个粒子间的压力(p_ji)和摩擦系数(μ)来定义(算式5)。

Ff_ji＝μ·p_ji...(算式5)

最终各粒子的相互作用，是作用于其与相互作用波及范围(图2)中所有的粒子之间的、从算式3到算式5所定义的力的合力。加上计算运动所需的外力F后的基础方程式用算式6表示。

$m\·\frac{d^2{u}_i}{{\mathrm{dt}}^2}=\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{F}_{\mathrm{ji}}+\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Fc}}_{\mathrm{ji}}+\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Ff}}_{\mathrm{ji}}+F$ ···(算式6)

还有，在表现粉末压坯的压缩成型过程时，在上述基本定义的基础上，还需要考虑力的温度依存性。正如本手法在图3中所示，在进行粒子间的相互作用力的计算的同时热的传递及传导的计算也可独立进行。将上述粒子间的相互作用力中设定的参数作为随温度变化的函数来定义，从而进行力和热的耦合分析。

综上所述，将粉末压坯的压缩成型过程的基本特性通过粒子间相互作用力来定义，同时将对其过程影响较大的因热导致的特性变化也考虑在内进行模型。

Claims (4)

1.以实现多台阶状粉末压坯的压缩成型品的密度均一化为目的的多台阶状粉末压坯压缩成型过程的分析法。

2.上述要求书第1条中所述的分析，是将多台阶状粉末压坯通过粒子进行离散化，作为粒子间的属性赋予决定其宏观特性的粒子间相互作用力函数的参数，根据需要进行操作计算。

3.为了计算因温度变化而变化的多台阶状粉末压坯的成型过程，将影响上述要求书第2条中所述的粒子间相互作用力的温度作为粒子间相互作用力函数的参数来赋予粒子间的属性，计算材料的温度依存性。

4.具备进行上述第1、2、3条所述的计算的程序及其记录媒体。