WC-Co粉末压制的模拟研究

1模型建立

本文以WC-Co合金粉末作为研究对象，粉末粒度5μm，粉末密度为3.5×103kg/m3，通过对准12×5圆柱形产品采用不同压制参数进行压制成形分析，了解相对密度的分布状况，其建立的仿真模型如图1所示。其中泊松比与相对密度的关系为v=12e12.5（1－ρ）2，当粉末完全致密时，相对密度为1，泊松比此时最大为0.5；弹性模量与相对密度的关系为E=E0（1－ρ）3.2，ρ为粉末的相对密度，E0为粉末弹性模量。

2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（DeformableBody），冲头、顶出器、模体均设置为刚体（RigidBody），选用修正的基于节点应力（NodalStress）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。

3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。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。

4V、D形刀片刀尖对比仿真分析

4.1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。

4.2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。

5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。

作者：张京 蒋炳炎 单位：中南大学机电工程学院