【摘要】：當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),對(duì)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(jìn)成形技術(shù)對(duì)粉末冶金行業(yè)發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實(shí)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(yàn)裝置的技術(shù)特點(diǎn),比較了當(dāng)前不同類型高速壓制成形裝置的優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)用高速壓制理論,自行設(shè)計(jì)、研制了利用重力作為蓄能方式來進(jìn)行粉末沖擊壓制的高速壓制成形試驗(yàn)裝置,以鐵基粉末為研究對(duì)象,利用試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬兩種手段,從宏觀和微觀兩個(gè)角度,對(duì)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(jī)理,開展了系統(tǒng)性的研究工作。結(jié)果如下：設(shè)計(jì)并制造出了利用重力勢能作為蓄能方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)50kg、100 kg及150kg三種不同的質(zhì)量組合,以符合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的要求。采用永磁吸盤這種新穎獨(dú)特的提升沖擊結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)重錘高度,獲得相應(yīng)的沖擊速度及沖擊能量。采用重力勢能作為驅(qū)動(dòng)力,可以簡化設(shè)備整體結(jié)構(gòu),提高安全性,減少對(duì)環(huán)境的污染,造價(jià)低廉,且易于加工生產(chǎn)。數(shù)據(jù)表明,與相同功能的進(jìn)口設(shè)備相比,價(jià)格僅為其7%左右,克服了液壓驅(qū)動(dòng)等方式的弊端。其理論速度經(jīng)測算,最大可以達(dá)到9.49 m/s,沖擊能量的最大值為5145J。各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)測試完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求。其次,在自行設(shè)計(jì)加工的高速壓制成形裝置的基礎(chǔ)上,選擇運(yùn)用合適該試驗(yàn)機(jī)的測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的采集輸出,設(shè)計(jì)采用采集參數(shù)傳感器-響應(yīng)快,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出精確的測試系統(tǒng),為驗(yàn)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(jìn)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(kuò)散性合金鋼粉末進(jìn)行了壓制,從而進(jìn)一步考察了該裝置的實(shí)效性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)使用50kg沖擊錘,對(duì)質(zhì)量8.09 g的試樣在沖擊高度為2m時(shí)進(jìn)行壓制,試樣密度可達(dá)7.45g/cm3,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)的預(yù)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(duì)不同性質(zhì)的粉末在不同壓制力作用情況下,對(duì)其摩擦系數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。并對(duì)其制品表面劃痕進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在對(duì)粉末進(jìn)行單向壓制時(shí),當(dāng)壓制力提高時(shí),粉末體的致密度會(huì)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?yàn)榻佑|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(huì)有效降低。從而對(duì)粉末體致密度提高而摩擦系數(shù)會(huì)有效降低的現(xiàn)象給出了合理解釋。最后,運(yùn)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(jī)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(duì)其進(jìn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系；關(guān)聯(lián)了單個(gè)顆粒行為、粉末的集合體宏觀行為；先后對(duì)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(jìn)行了分析比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)平均壓制力相同時(shí),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(duì)更大高徑比零件的壓制成形也更為方便；并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的有效性和平臺(tái)的實(shí)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(dǎo)作用。
【圖文】：

高速壓制是一個(gè)能量傳遞的過程，它通過沖擊波對(duì)粉末進(jìn)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(duì)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(dá)到７．６邋ｇ／ｃｍ３，當(dāng)對(duì)壓屏進(jìn)行多次壓制時(shí)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(shí)，壓制能量是Ｗ應(yīng)力波的形式傳遞的，當(dāng)應(yīng)力波至上而下逡逑傳遞到壓遠(yuǎn)底端時(shí)會(huì)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(kuò)展了逡逑粉末冶金的應(yīng)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(diǎn)逡逑（１）高密度逡逑高速壓制是一個(gè)能量傳遞的過程，它通過沖擊波對(duì)粉末進(jìn)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(duì)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(dá)到７．６邋ｇ／ｃｍ３，當(dāng)對(duì)壓屏進(jìn)行多次壓制時(shí)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(shí)，壓制能量是Ｗ應(yīng)力波的形式傳遞的，當(dāng)應(yīng)力波至上而下逡逑傳遞到壓遠(yuǎn)底端時(shí)會(huì)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(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF124

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本文編號(hào)：2703655