【摘要】：當前我國制造業(yè)正處于迅猛提升的新階段,在提高粉末冶金制品質(zhì)量標準的同時,對其零部件的需求總量也大大增加。目前,高速壓制技術(shù)這一短流程、低成本、高致密的先進成形技術(shù)對粉末冶金行業(yè)發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義。本文綜合分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的高速壓制設(shè)備和試驗裝置的技術(shù)特點,比較了當前不同類型高速壓制成形裝置的優(yōu)缺點,應用高速壓制理論,自行設(shè)計、研制了利用重力作為蓄能方式來進行粉末沖擊壓制的高速壓制成形試驗裝置,以鐵基粉末為研究對象,利用試驗和有限元數(shù)值模擬兩種手段,從宏觀和微觀兩個角度,對粉末高速壓制成形過程中的成形規(guī)律、摩擦行為及粉末致密化的機理,開展了系統(tǒng)性的研究工作。結(jié)果如下：設(shè)計并制造出了利用重力勢能作為蓄能方式進行沖擊壓制的裝置,通過提升沖錘的高度,以沖錘在重力加速度作用下產(chǎn)生的高速度和沖擊力來壓制粉末。加工了50kg、100 kg兩種沖擊錘,可實現(xiàn)50kg、100 kg及150kg三種不同的質(zhì)量組合,以符合相應實驗的要求。采用永磁吸盤這種新穎獨特的提升沖擊結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)重錘高度,獲得相應的沖擊速度及沖擊能量。采用重力勢能作為驅(qū)動力,可以簡化設(shè)備整體結(jié)構(gòu),提高安全性,減少對環(huán)境的污染,造價低廉,且易于加工生產(chǎn)。數(shù)據(jù)表明,與相同功能的進口設(shè)備相比,價格僅為其7%左右,克服了液壓驅(qū)動等方式的弊端。其理論速度經(jīng)測算,最大可以達到9.49 m/s,沖擊能量的最大值為5145J。各項指標經(jīng)測試完全符合設(shè)計預期要求。其次,在自行設(shè)計加工的高速壓制成形裝置的基礎(chǔ)上,選擇運用合適該試驗機的測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的采集輸出,設(shè)計采用采集參數(shù)傳感器-響應快,實驗數(shù)據(jù)輸出精確的測試系統(tǒng),為驗證粉末高速壓制成形裝置的可行性,探索壓制速度、壓制高度和沖擊錘質(zhì)量與壓坯密度的關(guān)系,采集了粉末高速壓制成形裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行了分析。在自行研制的粉末高速壓制成形裝置上使用低擴散性合金鋼粉末進行了壓制,從而進一步考察了該裝置的實效性,實驗結(jié)果表明,當使用50kg沖擊錘,對質(zhì)量8.09 g的試樣在沖擊高度為2m時進行壓制,試樣密度可達7.45g/cm3,相關(guān)實驗結(jié)果符合設(shè)計的預期要求。再者,探討了粉末高速壓制過程中的重錘高度與壓制速度、壓制能量、壓制力等參數(shù)與壓坯密度的關(guān)系；對不同性質(zhì)的粉末在不同壓制力作用情況下,對其摩擦系數(shù)進行了相應的測定,得出摩擦系數(shù)、壓制力的變化與壓坯密度的之間的規(guī)律。為后期的模擬分析提供參考范圍和校驗標準。并對其制品表面劃痕進行了分析。結(jié)果表明,在對粉末進行單向壓制時,當壓制力提高時,粉末體的致密度會逐漸增加,從而粉末顆粒與模具表面的接觸面積也逐漸增大,又因為接觸面積越大,所以在相同壓力的條件下,有效壓力越小,摩擦力也就越小,所以摩擦系數(shù)會有效降低。從而對粉末體致密度提高而摩擦系數(shù)會有效降低的現(xiàn)象給出了合理解釋。最后,運用離散體建模的方法,選擇了離散體有限元的具體模型、建立了粉末顆粒的二維模型、隨機排布顆粒模型,定義了模型的材料屬性,討論了粉末高速壓制過程中接觸問題的算法、模擬過程中的關(guān)鍵問題如關(guān)于求解的收斂性、穿透現(xiàn)象的解決、單位統(tǒng)一等問題。探討了微觀角度下,在高速壓制成形過程中粉末密度的變化規(guī)律,并對其進行模擬仿真。在壓制速度、沖擊錘的質(zhì)量、界面摩擦狀況等方面進行了分析,找出其與粉末顆粒的密度大小、變形規(guī)律、彈性后效、運動規(guī)律的關(guān)系；關(guān)聯(lián)了單個顆粒行為、粉末的集合體宏觀行為；先后對粉末在高速壓制、靜態(tài)壓制兩種不同條件下的成形特性進行了分析比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當平均壓制力相同時,使用粉末高速壓制成形,不僅可得到更高的制品密度,密度的分布上也更為均勻,而且對更大高徑比零件的壓制成形也更為方便；并與試驗結(jié)果進行對比,驗證了數(shù)值模擬模型的有效性和平臺的實用性。以上結(jié)論,在改善粉末冶金技術(shù)工藝及提高粉末冶金產(chǎn)品的性能方面起到很好的參考及指導作用。
【圖文】：

高速壓制是一個能量傳遞的過程，它通過沖擊波對粉末進行成形拒制，大的逡逑沖擊載荷使粉末體具有高的致密性。相對于傳統(tǒng)足制而言，高速壓制成形后壓還逡逑的密度要高化３邋ｇ／ｃｒａ３Ｗ上，如圖１．２所示Ｐｙ。Ｗ純鐵粉的高速壓制為例，若采用逡逑模壁潤滑技術(shù)其壓巧的密度可Ｗ達到７．６邋ｇ／ｃｍ３，當對壓屏進行多次壓制時其密度逡逑近似于全致密逡逑ｇｉｃｍ＊逡逑７．８邋１邐１逡逑＂邐ｊｊ＾逡逑＂ 邐Ａ邐逡逑。節(jié)節(jié)如逡逑７．。＇—姦：逡逑ｕＰＭｊ邋ｕｒｎＫｊ＾逡逑Ｄ．ＡＥ邋＋邋０．３％Ｃ邐Ａｓｔａｌｏｙ邋ＣｒＭ邋＊邋０．３％Ｃ邐ＳＳ邋３１６逡逑Ｃ日ｎｖＭｔｉｃｎａｌ：邋８加邋Ｍｐａ邋巧８邋Ｗ｝邐ＨＶＣ邋ｃｏｍｐａｃｂｏｎ邋６ｗｒ９ｙ邋ＩＳＯＯｗｎ逡逑圖１．２高速化制和傳統(tǒng)壓制成形密巧的區(qū)別ＰＳ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｈｉｇｈ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ［巧逡逑由于在高速壓制時，壓制能量是Ｗ應力波的形式傳遞的，當應力波至上而下逡逑傳遞到壓遠底端時會發(fā)生透射與反射，使此處的密度巧次得到提高ｆＷ。較傳統(tǒng)的逡逑單向壓制而言，粉末壓泣密度高且其密度分布也較為均勻。高速壓制技術(shù)擴展了逡逑粉末冶金的應用范圍，為制造大型零件提供了

邋１１＞一面｜｜泌＾－…ｉ＿ｉ… … 逡逑畫。，。２邋ａ．Ｗ邋＆。６。．＜＾謝苗。．；２邋Ｗ６邋＂３。＇２逡逑~枠o姦邐沖擊波壓制曲線逡逑圖１．１高速拒制成形技術(shù)原理ｔｓｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆｈｉｇｈ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［５６１逡逑１．３．２粉末高速成形技術(shù)的特點逡逑（１）高密度逡逑高速壓制是一個能量傳遞的過程，它通過沖擊波對粉末進行成形拒制，，大的逡逑沖擊載荷使粉末體具有高的致密性。相對于傳統(tǒng)足制而言，高速壓制成形后壓還逡逑的密度要高化３邋ｇ／ｃｒａ３Ｗ上，如圖１．２所示Ｐｙ。Ｗ純鐵粉的高速壓制為例，若采用逡逑模壁潤滑技術(shù)其壓巧的密度可Ｗ達到７．６邋ｇ／ｃｍ３，當對壓屏進行多次壓制時其密度逡逑近似于全致密逡逑ｇｉｃｍ＊逡逑７．８邋１邐１逡逑＂邐ｊｊ＾逡逑＂ 邐Ａ邐逡逑。節(jié)節(jié)如逡逑７．。＇—姦：逡逑ｕＰＭｊ邋ｕｒｎＫｊ＾逡逑Ｄ．ＡＥ邋＋邋０．３％Ｃ邐Ａｓｔａｌｏｙ邋ＣｒＭ邋＊邋０．３％Ｃ邐ＳＳ邋３１６逡逑Ｃ日ｎｖＭｔｉｃｎａｌ：邋８加邋Ｍｐａ邋巧８邋Ｗ｝邐ＨＶＣ邋ｃｏｍｐａｃｂｏｎ邋６ｗｒ９ｙ邋ＩＳＯＯｗｎ逡逑圖１．２高速化制和傳統(tǒng)壓制成形密巧的區(qū)別ＰＳ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｈｉｇｈ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ［巧逡逑由于在高速壓制時，壓制能量是Ｗ應力波的形式傳遞的，當應力波至上而下逡逑傳遞到壓遠底端時會發(fā)生透射與反射，使此處的密度巧次得到提高ｆＷ。較傳統(tǒng)的逡逑單向壓制而言
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TF124

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本文編號：2703655