粉末冶金及數(shù)據(jù)處理工程綜合訓練報告(共19頁)

1、PAGE PAGE 10 材料科學與工程學院工程(gngchng)綜合訓練報告學 生 姓 名：學 號： 專業(yè)：材料科學與工程訓練題目：金屬粉末壓制、燒結過程的數(shù)值模擬研究指 導 教 師:2014年10月30日 工程訓練任務要求(教師填寫)課題的目的意義： 粉末冶金包括粉末制備和粉末經(jīng)過壓制、燒結得到冶金制品兩部分，它既可制造出傳統(tǒng)冶煉技術難以得到的金屬材料，又可直接由粉末制成最終制品或接近最終形狀的制品，而不需或只需少量機加工便可以達到制品的技術需求。與傳統(tǒng)的金屬加工方法相比，粉末冶金的材料利用率高、能耗低、經(jīng)濟效益好，是節(jié)能節(jié)材的先進工藝技術。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量用于金屬零件的制備，特別

2、是在汽車制造業(yè)領域有著廣泛的應用。 粉末材料是由大量顆粒構成，內(nèi)部含有一定的孔隙，是一個非連續(xù)體。這種非連續(xù)體的變形是一個非常復雜的過程，在壓制成形過程中，需要以各個顆粒的變形以及各顆粒之間的協(xié)調(diào)關系來研究其整體變形。由于目前非連續(xù)介質(zhì)力學的基礎還不完善，對粉末材料塑性變形理論的研究還很欠缺，因此，加強對粉末材料塑性變形過程的研究和掌握粉末材料變形規(guī)律的研究對粉末塑性成形的工藝優(yōu)化方法將是十分必要的。在燒結固化過程中，由于空隙的存在不僅影響粉末材料的導熱、導電性能，而且空隙的數(shù)量、形狀和分布差異也改變著溫度場、位移場和力場。因此，研究粉末冶金材料的相對密度和及隙變化規(guī)律對優(yōu)化燒結工藝起著至關重

3、要的作用。 目前，大部分企業(yè)在粉末壓制、燒結工藝設計和模具設計方面，一般都依賴于設計者的經(jīng)驗，采用反復試驗即試錯法來確定工藝步驟和模具形狀、尺寸。這種方法不僅不能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而且要消耗大量的人力、物力和時間，更重要的是對成形、燒結過程中許多復雜問題難以考慮，特別在開發(fā)新產(chǎn)品時存在很大的盲目性，設計效率低下。隨著現(xiàn)代科學技術和計算機技術的快速發(fā)展，這種反復試驗法已越來越不能適應現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的要求。因此，了解粉末壓制成形及燒結過程中的影響因素，改進工藝優(yōu)化設計方案，提高工藝設計效率及產(chǎn)品質(zhì)量，成為粉末冶金工藝理論必須研究的重要問題。計算機技術的快速發(fā)展和相關科學理論的逐步完善，以數(shù)學、力學

4、為基礎，以計算機為工具的現(xiàn)代數(shù)值分析方法逐漸被人們所重視。因此，采用計算機有限元模擬對粉末材料壓制、燒結過程進行模擬就成為一種有效的設計方法。通過有限元模擬，不僅可以得到粉末壓制、燒結過程中的所有的宏觀力學參數(shù)、變形參數(shù)，而且還能直觀地放映出粉末冶金制品中的應力應變分布、密度分布、溫度場、速度場以及粉末顆粒流動規(guī)律。此外，還可以觀察到實際生產(chǎn)過程中存在的問題，并提出有效的改進措施，從而做到早期評價，優(yōu)化工藝參數(shù)，快速有效地確定模具的最終理想形狀，提高生產(chǎn)效率，降低成本。對于認識了解粉末材料壓制、燒結過程，有限元數(shù)值模擬分析是一種切實可行的有效途徑。 指導教師簽名：工 程 綜 合 訓 練 報 告

5、1結合工程綜合訓練課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述： 粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術的優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。1 廣義的粉末冶金制品業(yè)涵括了鐵石刀具、硬質(zhì)合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狹義的粉末冶金制品業(yè)僅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件(占絕大部分)、含油軸承和金屬射出成型制品等。 粉末冶金相關企業(yè)主要

6、是適用于汽車行業(yè)、裝備制造業(yè)、金屬行業(yè)、航空航天、軍事工業(yè)、儀器儀表、五金工具、電子家電等領域的零配件生產(chǎn)和研究，相關原料、輔料生產(chǎn)，各類粉末制備設備、燒結設備制造。產(chǎn)品包括軸承、齒輪、硬質(zhì)合金刀具、模具、摩擦制品等等。軍工企業(yè)中，重型的武器裝備如穿甲彈，魚雷等，飛機坦克等剎車副均需采用粉末冶金技術生產(chǎn)。粉末冶金汽車零件近年來已成為為中國粉末冶金行業(yè)最大的市場，約50%的汽車零部件為粉末冶金零部件。2 粉末冶金產(chǎn)品的制備過程：首先生產(chǎn)粉末。粉末的生產(chǎn)過程步驟有粉末原材料的制取、粉料的混合等。一般選擇加入機油、橡膠或石蠟等增塑劑來改善粉末的成型性和可塑性。之后是壓制成型。將粉末在一定壓力下，在模

7、具中壓制成所需形狀。之后在保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結成型。類似于熟化現(xiàn)象，燒結過程中粉末顆粒間通過擴散、再結晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學過程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。燒結之后進行后處理。一般情況下，燒結好的制件可直接使用。但對于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進行燒結后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。 粉末冶金作為一種冶金技術，不同于傳統(tǒng)冶金工藝，其特點有： 粉末冶金具有獨特的化學組成和機械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運用粉末冶金技術可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、

8、凸輪、導桿、刀具等，是一種少無切削工藝。（1）粉末冶金技術可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結構材料等）具有重要的作用。（2）可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學、磁學、光學和力學性能。（3）可以容易地實現(xiàn)多種類型的復合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復合材料的工藝技術。（4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)

9、的具有特殊結構和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結構陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。（5）可以實現(xiàn)近凈形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。（6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術。3 由于粉末冶金的種種性質(zhì)，因此應用面比較特殊，粉末冶金相關企業(yè)主要是適用于汽車行業(yè)、裝備制造業(yè)、金屬行業(yè)、航空航天、軍事工業(yè)、儀器儀表、五金工具、電子家電等領域的零配件生產(chǎn)和研究，相關原料、輔料生產(chǎn)，各類粉末制備設備、燒結設備制造。產(chǎn)品包括軸承、齒輪、硬質(zhì)合金刀具、模具、摩擦制品等等。軍工企業(yè)

10、中，重型的武器裝備如穿甲彈，魚雷等，飛機坦克等剎車副均需采用粉末冶金技術生產(chǎn)。粉末冶金汽車零件近年來已成為為中國粉末冶金行業(yè)最大的市場，約50%的汽車零部件為粉末冶金零部件。 粉末冶金于上世紀90年代在美國已經(jīng)有所出現(xiàn)，但是由于其技術要求高，成本與以往冶金方式比有差距，外形不同模具不同的原因?qū)е缕浒l(fā)展受阻，但是即便如此，其發(fā)展速度依舊是可觀的。就我國為例，我國粉末冶金行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了近10年的高速發(fā)展，但與國外的同行業(yè)仍存在以下幾方面的差距：(1)企業(yè)多，規(guī)模小，經(jīng)濟效益與國外企業(yè)相差很大。(2)產(chǎn)品交叉，企業(yè)相互壓價，競爭異常激烈。(3)多數(shù)企業(yè)缺乏技術支持，研發(fā)能力落后，產(chǎn)品檔次低，難以與國

11、外競爭。(4)再投入缺乏與困擾。(5)工藝裝備、配套設施落后。(6)產(chǎn)品出口少，貿(mào)易渠道不暢。 隨著我國加入WTO以后，以上種種不足和弱點將改善，這是因為加入WTO后，市場逐漸國際化，粉末冶金市場將得到進一步擴大的機會；而同時隨著國外資金和技術的進入，粉末冶金及相關的技術水平也必將得到提高和發(fā)展。 據(jù)2013-2017年中國粉末冶金制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預測與轉(zhuǎn)型升級分析報告 目前，中國粉末冶金零件及含油軸承總產(chǎn)值超過55億元，占全球市場比重較小，發(fā)展空間也較為廣闊。根據(jù)中國機協(xié)粉末冶金專業(yè)協(xié)會對53家企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年中國粉末冶金零件行業(yè)實現(xiàn)主營業(yè)務收入48.41億元，同比增長39.75

12、%;利潤總額為3.76億元，較上年增加了一倍。在產(chǎn)值方面，粉末冶金零件行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值50.57億元，其中新產(chǎn)品產(chǎn)值6.28億元，新產(chǎn)品率(新產(chǎn)品產(chǎn)值/工業(yè)總產(chǎn)值)為12.37%;工業(yè)銷售產(chǎn)值49.73億元，其中出口交貨值6.28億元，出口率(出口交貨值/工業(yè)銷售產(chǎn)值)為16.62%。41.粉末冶金制取粉末的方法中國摩擦材料商務網(wǎng) 引用日期2013-03-29 2.解讀粉體材料科學與工程（粉末冶金專業(yè)） 材料人網(wǎng) 引用日期2014-01-17 3.2016年我國車用粉末冶金零部件需求將超過16萬噸 產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng) 引用日期2013-12-17 4. 2013-2017年中國粉末冶金制造行業(yè)產(chǎn)銷需

13、求預測與轉(zhuǎn)型升級分析報告工 程 綜 合 訓 練 報 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的方法（途徑）1 基于粉末材料可壓縮連續(xù)介質(zhì)的假設，重點研究其屈服準則和本構方程，通過物理實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化參數(shù)，建立合理的材料模型，并通過與其它模型的對比，探討模型參數(shù)的意義及各參數(shù)的變化對模擬結果的影響。2 對于金屬粉末壓制成形工藝，主要研究模具的形狀、粉末的粒度、壓制力、壓制方式、溫度、壓制速率、模壁系數(shù)七個影響因素對粉體的密度及密度分布規(guī)律的影響，并通過密度分布和壓制曲線的實驗結果，分析并驗證有限元模擬的有效性。3 模擬燒結工藝的設定：在燒結加熱階段，運用deform軟件的熱-力耦合，對平均相對密度為0.

14、7、0.8、0.9的壓坯分別在900、1000、1100的燒結溫度下進行燒結，探討密度及密度分布對溫度分布的變化規(guī)律。在燒結硬化階段，運用deform軟件的相轉(zhuǎn)變模塊，模擬不同的冷卻速率下，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的演變規(guī)律。4 對燒結坯進行顯微組織觀察及力學性能測試：對不同密度的燒結坯進行硬度測定和拉伸試驗，并在掃描電鏡進行斷裂形貌組織觀察，研究密度與硬度的關系及密度對斷裂方式的影響，進而探討密度、組織、性能三者間的關系。5 對復雜三維零件進行模擬：零件的形狀根據(jù)工廠提供，引入本文中的材料模型，設計模具并進行計算機模擬。模擬工藝參數(shù)與工廠實際生產(chǎn)工藝參數(shù)完全一致，分析并對比模擬結果與實驗結果，驗證

15、有限元模擬在復雜零件上的有效性，為工廠的實際生產(chǎn)做出指導。工 程 綜 合 訓 練 報 告總結報告（5000字） 此次工程綜合訓練，從2014年9月初起至2014年9月28日結束，我們工程訓練的課題是“金屬粉末壓制、燒結過程的數(shù)值模擬研究”，在這一個月的學習中，通過范倉教授和黃永強學長的指導下，我初步了解了粉末冶金的概念，現(xiàn)狀與未來發(fā)展前景，學習了粉末冶金的原理以及操作方式，同時掌握了solidworks軟件和deform軟件，來設計并建立模具和對金屬粉末的的壓制過程進行分析。 粉末冶金工藝的先進性體現(xiàn)在具有獨特的化學組成和機械、物理性能，尤其具有用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的組成和性能。 （成分范

16、圍高度可調(diào)=不同的性能），同時大批量高效生產(chǎn)（一般每分鐘4 10件）。粉末冶金成形（無機加工或極少的機加工，高材料利用率最高可以達到95%以上），降低生產(chǎn)能耗和成本。根據(jù)具體應用環(huán)境與要求，密度從70%至100%廣范圍可調(diào)（減輕零件的重量，含油自潤滑，省能，省材等）。低溫燒結，節(jié)省能耗；排放氣體主要是空氣中主要成分的氮氣和純凈水蒸汽；冷卻為循環(huán)水冷卻，無水資源浪費和污染。 粉末冶金包括粉末制備和粉末經(jīng)過壓制、燒結得到冶金制品兩部分，它既可制造出傳統(tǒng)冶煉技術難以得到的金屬材料，又可直接由粉末制成最終制品或接近最終形狀的制品，而不需或只需少量機加工便可以達到制品的技術需求。與傳統(tǒng)的金屬加工方法相比

17、，粉末冶金的材料利用率高、能耗低、經(jīng)濟效益好，是節(jié)能節(jié)材的先進工藝技術。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量用于金屬零件的制備，特別是在汽車制造業(yè)領域有著廣泛的應用。 粉末冶金產(chǎn)品的制備過程：首先生產(chǎn)粉末。粉末的生產(chǎn)過程步驟有粉末原材料的制取、粉料的混合等。一般選擇加入機油、橡膠或石蠟等增塑劑來改善粉末的成型性和可塑性。之后是壓制成型。將粉末在一定壓力下，在模具中壓制成所需形狀。之后在保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結成型。類似于熟化現(xiàn)象，燒結過程中粉末顆粒間通過擴散、再結晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學過程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。燒結之后進行后處理。一般情況下，燒結好的制件可直接使用。但對

18、于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進行燒結后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。 金屬粉末冶金的發(fā)展非常迅速，尤其是計算機技術已經(jīng)達到了一個較高程度的現(xiàn)在，對于粉末壓制過程中的力學等性質(zhì)能有較好較全面的分析。眾所周知粉末材料是由大量顆粒構成的，每一個顆?？梢钥醋鍪且粋€致密的球，顆粒與顆粒之間結合必定有間隙，也就是非連續(xù)體，這種非連續(xù)體的成形是一個幾何非線性、材料非線性、邊界非線性的組合非線性問題。因此，粉末冶金工藝的模擬是建立在致密體求解基礎上作出的假設和修正，但該假設的材料模型又不完全符合粉體的塑形屈服強度模型和本構方程。目前，將粉末彈塑性模型

19、與有限元技術相結合對粉末冶金制品的壓制、燒結過程進行數(shù)值模擬的研究有限。 在初步確立金屬粉末冶金的壓制方式和過程中力學性能分析手段之后，我們就模型設計和壓制過程模擬進行了學習。 本次訓練我們使用solidworks軟件進行零件繪制，模具繪制和組裝。完成后通過deform軟件進行壓制中力學性能的分析。 我所選擇的成品件如下： 首先是使用solidworks軟件進行零件的繪制，之后進行模具設計分析，由于該零件是三個臺階的拉伸，因此需要建立三個草圖，從而來進行立體圖拉制。在繪圖過程中需要注意視圖的統(tǒng)一，以及中心的選擇。 零件草圖如下： 零件立體圖如下： 之后通過零件粉坯長度比，設計繪制模具圖，由于模

20、具較復雜，直接展示立體圖和剖面圖： Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，這使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。 對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windo

21、ws資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領導者?！痹趶姶蟮脑O計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個產(chǎn)品設計是可百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間

22、的是全相關的。 在建模之后，通過deform軟件，將數(shù)據(jù)文件錄入，從而模擬壓制過程，通過微元分析，之后得到一系列動畫以及相對壓縮狀態(tài)的物理性能數(shù)值。 Deform壓制模擬過程圖片如下：由上圖可以分析，隨著壓制壓力越大，也就是壓制過程達到后期，壓制的相對密度越高，200KN960KN相對應的密度由0.6071.000。由上圖可以分析，隨著壓力增加，壓制過程接近尾聲，等效應力越大，200KN960KN對應等效應力由0MPa989MPa。 運用DEFORM軟件時，首先導入幾何模型將solidworks軟件制作的模型以STL模式保存，之后導入，之后進行網(wǎng)格劃分，越細致的網(wǎng)格，分析時間越長，分析數(shù)據(jù)也越

23、精密，可以以微分，微元法進行比照。DEFORM-3D的前處理中網(wǎng)格劃分有兩種方式，一種是用戶指定單元數(shù)量(絕對網(wǎng)格劃分），系統(tǒng)默認劃分方式，用戶指定的網(wǎng)格單元數(shù)量只是網(wǎng)格劃分的上限約數(shù)，實際劃分的網(wǎng)格單元數(shù)量不會超過這個值。用戶可以通過拖動滑塊修改網(wǎng)格單元數(shù)，也可以直接輸入指定數(shù)值，該數(shù)值和系統(tǒng)計算時間有著密切的關系，該數(shù)值越大，所需要的計算量越大，計算時間越長。有些加工過程是在變溫環(huán)境下進行的，比如熱軋，在軋制過程中，工件，模具與周圍環(huán)境介質(zhì)之間存在熱交換，工件內(nèi)部因大變形生成的熱量及其傳導都對產(chǎn)品的成形質(zhì)量產(chǎn)生主要的影響，對此問題，仿真分析應按照瞬態(tài)熱一機禍合處理。DEFORM材料庫可以提

24、供各個溫度下材料的特性。在DEFORM-3D軟件中，用戶可以根據(jù)分析的需要，輸入材料的彈性、塑性、泊松比、楊氏模量、電阻、熱物理性能數(shù)據(jù)，如果需要分析熱處理工藝，還可以輸入材料的每一種相得相關數(shù)據(jù)以及硬化、擴散等數(shù)據(jù)。 為了更方便的使用戶模擬塑性成形工藝，該軟件提供了100余種材料（包括碳鋼、合金鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等）的塑性性能數(shù)據(jù)，以及多種材料模型。在材料庫中，對每一種支持的材料提供了不同溫度和應變率下材料流動應力應變曲線和膨脹系數(shù)，彈性模量，泊松比，熱導率等隨溫度的變化曲線。 接觸菜單用于定義工件與所有用到的模具之間以及模具之間可能產(chǎn)生的接觸關系。工件在變形過程中的溫度，變形量是待

25、求量，工件通常被定義成為可變形接觸體。通常，最簡單，計算效率最高的定義是用二維曲線(ZD平面或是軸對稱鍛造)或是三維空間曲面(3D鍛造)描述模具參與接觸部分的外表面輪廓，用剛性接觸體描述。剛性接觸體上只具有常溫，起主動傳遞剛體位移或合力作用。如果需要關心模具的溫度變化，可將模具上所關心的部分離散成單元(二維平面單元或是三維軸對稱實體單元)，定義成為允許傳熱的剛性接觸體，分析過程中，模具既有傳遞位移或合力作用，同時又有內(nèi)部熱量的傳導和與外界的換熱。實際鍛造過程中，模具或多或少都存在變形，當要分析模具的溫度和變形時，可將模具離散成為具有溫度和位移自由度的有限單元，定義成為可變形的接觸體，這會使計算的規(guī)模增加，但是分析結果更加合乎實際情況。還有一類剛性接觸體為對稱面，定義在工件上具有對稱邊界條件位置處，起施加對稱邊界條件的約束作用。定義的對稱剛性平面可以滿足法向的零位移約束和法向零熱流約條件。 DEFORM后處理菜單為用戶提供了直觀方便的評價成形過程，成形產(chǎn)品質(zhì)量，以及應力、應變、溫度、速度、位移、破壞系數(shù)等。工具損傷的必須信息以