高速压制下不同锥度零件的致密度离散元探究

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不同形状金属粉末制品,其在高速压制下的压制行为不一致,从而导致其致密度以及致密均匀性发生改变;粉末制品零件多含有锥角部分,其在压制过程中颗粒体系的动态响应过程以及金属粉末的致密化影响因素需进一步探究。本文通过离散元PFC3D软件建立接近实际的金属粉末冲击模型,提出新的测量致密度方式,分析在三维情况下颗粒力链网络的内部结构、内部的应力变化等情况。探讨不同影响因素下锥形零件的致密度变化情况,以及压制实验等研究方法对不同粉末致密化规律进行了研究,得出致密度高且较均匀的锥角角度范围,得到以下结论。(1)固定测量球方法可以用于致密度分布的测量,其测量精度和稳定性随着颗粒目数的增大而增加。为保证基本的精度要求需满足测量球与内部颗粒间的半径比至少为5以上;针对整体致密度的测量提出大测量球插板删球的方式,在5组不同粒径下的致密度标准差为0.0014098,而小测量圆的标准差为0.0054226,比固定小测量球的方式更准确、精度更高。(2)使用PFC3D软件进行金属粉末高速冲击压制加载模拟。得到颗粒间摩擦系数较小时,力链的峰值的随着下行距离出现起伏波动,无法形成稳定的强力链;摩擦系数较大时,力链的峰值强度稳定增加;提高冲击加载速度能够加速粉体颗粒间的应力传播,同时也降低了摩擦系数对力链的影响程度;在冲击加载初始阶段,粉末颗粒内部应力lode角的变化范围在-30°~30°之间呈无规则抖动变化,最终逐渐趋于在28.2°~28.7°之间。加载速度的增大会减少前期内部应力不稳定时间,其应力波动比λ从5m/s时的7.779%下降至25m/s的1.552%,表明加载速度的增大能够使粉体内部更快的达到应力稳定状态。(3)建立锥形零件的三维压制模型,发现锥形零件在锥角为30°~60°阶段,致密度大小整体呈现出波动式上升,当大于60°后,致密度会再次下降;圆锥部分整体随着径高比的不断减小,致密度整体逐渐增大的趋势;模壁摩擦系数的增大,致密度在下降的同时,对小锥角角度的致密度影响程度增大。通过实验验证静压状态下锥形零件的致密度分布情况,与模拟一致呈现出波动式上升和下降的两个阶段,峰值主要集中在45°~60°之间。在同质量同压力状况下锥角部分致密度随着加载压力的增大,其致密度整体增大但总变化趋势不变。(4)通过对比高速冲击加载与静压加载下压坯的致密均匀度情况,其均匀度分别从10m/s的0.01728、0.01748,到40m/s的0.01159、0.01229,表明冲击加载相比于静压加载初始加载速度的提高有利于整体致密均匀度的提升。得到锥形零件压坯的轴向、径向致密度分布情况,锥角较小时,高密度部分主要集中于中心部分,而锥角较大时集中在边侧区域;随着锥角角度的变化,均匀度呈现波动式下降,锥角的增大在一定程度上有利于锥角的致密均匀系数的降低,提高其均匀性。
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