WC-Co粉末压制过程有限元模拟研究

张京，蒋炳炎

（中南大学 机电工程学院，长沙 410083）

0 引言

压制成形是硬质合金刀片生产工艺中一个重要环节，它是将粉末在成型机上压制成具有一定尺寸、形状、密度和强度的待烧压坯体［1］。另外，压制工艺与模具设计对产品尺寸精度的影响最大，目前产品加工工艺和模具设计仍然采用的是比较传统的经验设计法，往往耗时、耗力、耗财地进行重复性设计［2］，通过这样不断试验与改进优化来达到产品的尺寸精度，无疑造成了很大的浪费，拖延了产品设计生产周期。粉末压制成型过程的计算机仿真模拟技术基于有限元法、图形学和塑性力学等技术，对粉末压制过程进行仿真模拟［3］。同时，粉末成形是一个集材料、几何和边界条件的组合非线性过程［4］，Msc.Marc 以其强大的非线性功能模拟出粉末成形过程中应力分布、粉末相对密度分布以及显示粉末颗粒流动规律等，了解压制成形过程中出现的问题以及问题所处的部位，从而做到了早期评价，可优化工艺参数。由于压制工艺参数能改变压坯坯体的密度分布，其密度分布影响毛坯经烧结后的变形趋势。因此，如能通过理论研究完全了解压坯密度变化分布于趋势，这不但能提高产品质量，减少人力物力，同时对工艺技术的改进也具有指导作用。

1 粉末成形过程模拟

1.1 本构模型简述

式中系数q 和b 通过单轴压缩试验和三向压缩试验得到。

1.2 模型建立

图1 压制仿真模型图

1.3 其他仿真条件设置

在求解时，冲头和顶出器施加位移约束，模体施加固定约束的边界条件，由于此压制过程属于冷压成型工艺，所以未考虑温度的影响。

仿真模型接触类型为全自动接触（Contact），WC-Co粉末为可压缩的变形接触体（Deformable Body），冲头、顶出器、模体均设置为刚体（Rigid Body），选用修正的基于节点应力（Nodal Stress）的库仑摩擦模型定义变形过程中的摩擦行为。对于求解方程的设置，采用修正的牛顿拉夫森法，采用大位移、大应变以及更新拉格朗日方法的观点来描述。

1.4 结果分析

从双向、单向压制这两大类进行仿真试验分析。双向压制分为上下冲头相向运动，模体静止；上冲头、模体同向运动，顶出器静止；单向压制分为上冲头或顶出器运动；冲头和顶出器的行程比或顶压值的设定，通过研究以上几种压制方式或者压制参数改变对压坯相对密度分布的影响。

在仿真模型中，所设置的粉末填料高度和压制高度都保持不变。取模体壁处A 点到B 点相对密度值的变化来分析不同的压制方式对压坯密度分布变化的影响与趋势，其结果如图2～图6 所示。

图2 双向压制时沿AB 相对密度图

图3 冲程比1∶2 时沿AB 相对密度图

图4 单向压制时沿AB 相对密度图（冲头静止）

图5 单向压制时沿AB 相对密度图（顶出器静止）

图6 顶压值0.5 时沿AB 相对密度图

从图2 可以看出，采用双向压制方式时，压坯相对密度值上下呈对称分布，但是压制位置发生变化，冲头和顶出器的行程比为1∶2。从图3 中可以看出，密度中线位置向上移，压坯底部相对密度比上部大。从图4、图5 可知，采用单向压制方式时，压坯底部与顶部相对密度差值较大，其上下密度分布对称性差，当冲头运动时，上部密度比底部大；顶出器运动时，下部密度要比顶部大。从图6和图2 对比可知，当施加顶压后，使压坯的上部相对密度值比下部整体要大。因此，采用不同的压制方式或者压制参数，能改变压坯轴线方向上的相对密度分布，进而影响压坯烧结后毛坯的尺寸变形情况。

2 V、D 形刀片刀尖对比仿真分析

2.1 试验目的

针对生产中VNMG、DNMG 系列产品出现刀尖处的尺寸精度问题，对产品进行有限元仿真分析。通过对V、D形刀片刀尖处压坯的相对密度分布对比试验，了解刀尖圆弧、夹角对刀尖处密度分布的影响，从而找出影响刀尖处密度分布的主、次因素。

2.2 试验方法

建立以刀尖圆弧和夹角为试验因素，刀尖处相对密度分布均匀性为性能指标的正交试验。每个因素取二种水平，列表如表1 所示。

建立V 形和D 形刀尖圆弧分别为R04、R12 时仿真模型，得出刀尖处密度分布均匀性值（通过比较刀尖处高密度所占区域与总体刀尖区域面积比来确定该值）。通过有限元仿真计算得到的刀尖处相对密度分布云图如图7～图10 所示。

表1 因素水平表

图7 V 形刀片R04 压坯相对密度分布云图

图8 V 形刀片R12 压坯相对密度分布云图

图9 D 形刀片R04 压坯相对密度分布云图

图10 D 形刀片R12 压坯相对密度分布云图

通过分析各相对密度云图大致可以确定刀尖处黄色区域占总体刀尖的比例大约分别为95%、20%、80%、10%。在正交试验中，以刀尖相对密度分布均匀性为性能指标，确定试验号1、2、3、4 的试验值分别为0.05、0.8、0.2、0.9。

给定α=5%，查表得Fα（1，1）=161.4。易见FB＞161.4，这表明刀尖圆弧对刀尖处密度分布有显著影响；又FA＜161.4，表明刀尖角度对刀尖处密度分布无显著影响。

因此，在刀片设计中，在满足刀尖圆弧的要求下，尽量加大刀尖圆弧设计，这样能减小压坯刀尖处的烧结变形。

表2 正交实验方案与结果

表3 方差分析表

3 结论

1）通过有限元分析软件marc 对不同的压制方式对压坯密度分布的影响进行分析，结果表明，双向压制要比单向压制时压坯的相对密度分布对称性好；冲程比、顶压都能改变轴线上压坯的相对密度分布。在实际生产中，根据压坯烧结后轴向的变形情况，对压制方式以及冲程比、顶压值进行压制参数的相应修改。

2）针对实际生产的数控刀片出现刀尖处变形大的情况，对影响V、D 形刀尖处相对密度分布的因素进行分析，结果表明，刀尖处圆弧值对刀尖处的密度分布有显著影响。

［1］周洁，陆建生，左孝青，等，铝粉末压制过程有限元模拟研究［J］.云南冶金2005，34（5）：45-49.

［2］董林峰.粉末金属成形过程计算机仿真与缺陷预测［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

［3］刘心宇，张继忠，占美燕.粉末体成型的有限元数值模拟［J］.中南工业大学学报，1999（6）：279-282.

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［5］MORI K.Finite element simulation of powder forming and sintering［J］.ComputMethodsAppl Mech Engry，2006，195：6737-6749.

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