基于Deform 对粉末净成形压制工艺的仿真实验

申小平， 黄永强， 张 婷

（1.南京理工大学工程训练中心，南京210094；2.广州市工贸技师学院，广州510510）

0 引 言

科研驱动教学模式是研究大学教学改革的重要内容之一［1］，具有教学方法和教学内容上的创新。科学研究是高质量教学的有力保证［2］。在教学改革中，将专业前沿的科研课题融入教学中，使学生有机会接触到实际的工程实践，有助于提升学生的学习积极性，培养学生的科学素养和实际工程能力以至有所创新［3］。

随着粉末冶金行业的快速发展，粉末冶金零件在各个领域都得到了广泛的应用［4-5］，同时对零件的品质也提出了更高的要求，压坯密度和密度分布的均匀性影响着零件的品质。将数值模拟技术运用于金属粉末成形过程以预测压坯密度及密度分布，可以大大降低产品的设计成本和缩短产品的研发周期［6-7］。对压制成形工艺的模拟仿真研究具有重要意义［8］。

为加强培养学生的科研能力与创新能力，本文将粉末冶金件压制成形仿真研究内容引入到实验教学中，设计了“基于Deform的粉末冶金成形工艺的仿真实验”，给学生创建一个接触科研前沿、应用专业知识的平台，创建科学研究的情境，激发学生的科学探索热情。金属成形工艺仿真软件Deform作为当今计算仿真技术中有效、实用的工具之一，为仿真实验教学提供了工具［9］。将Deform仿真融入成形工艺实验教学中，不仅可以促进学生对成形压制工艺的理解，还能增强学生的仿真能力。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量，培养学生从中学到新的思维方式和运用实验手段解决科研问题的能力［10-12］。

1 仿真模型和参数的设定

1.1 材料模型和参数的设定

粉末实验用名义合金成分为铁-1%碳-2%铜（Fe-1wt.%C-2wt.%Cu），其初始密度采用霍尔实验测得为3.47 g／cm3，相对密度为0.442（致密体的密度为7.85g／cm3）；并通过实验法得到该牌号粉末的相对密度与弹性模量的关系模型，并对比其他学者的弹性模量模型（见图1（a））；泊松比采用概率密度的正态分布函数模型（Normal distribution model）［13］（见图1（b））；流动应力应变曲线（见图1（c））。热膨胀系数为1.068×10－5／℃。

图1 材料特性

1.2 几何模型和属性的设定

模具按照实际尺寸进行Solidworks三维建模，粉末体模型按照装粉态形状设定，并与模具装配在一起，转换成iges格式导入Deform模型中，粉末体设置为黏塑性多孔隙（porous）模型，模具为刚性（rigid）模型。粉末体按照4节点4面体进行网格划分，一般划分网格数量为（4～5）×105个，兼顾计算准确性和运算快捷性。

1.3 边界条件的设定

由于粉体材料特殊的物理性质，在粉体处于松装状态时，受到极小的作用力就会使原有的形状发生改变而具有流体的特性。但随着致密化过程的进行，粉体受到超过其屈服应力的作用力才会发生变形，此时具有固体的特性。粉体材料的力学性质介于流体与固体之间，考虑到粉末体与模壁处于动态接触状态，其接触条件极其复杂，难以精确设定。将边界条件设置为粉体表面与模具均有接触，其接触容限设为0.05，偏斜系数选取为0.2。摩擦条件选取剪切摩擦的冷压（cold forge）模型，摩擦参数设为0.12，采用更新的拉格朗日方法并基于Doraivelu屈服模型进行迭代和运算收敛。

1.4 粉末体密度测定及相对密度定义

粉末冶金零件具有特殊结构属性，其压坯中内有孔隙，需要特定测量，在阿基米德比重法测定前对坯料进行真空浸油处理，以封闭材料的表面孔隙。粉体坯料的密度：

式中：m为未浸油试样在空气中的质量，g；m1为浸油干燥后在空气中的质量，g；m2为浸油试样在吊篮支撑下浸没在水中的质量，g；m3为吊篮的质量，g；ρw为蒸馏水的密度，g／cm3。另外，材料的相对密度：

式中：ρ为相对密度；ρt为压坯的密度；ρ0为合金致密体密度［8］。

粉末冶金零件的力学性能在很大程度上取决于密度分布的均匀性，对复杂形状的压坯更是如此。如何了解零件的密度分布成为一个至关重要的问题。将计算机模拟技术运用于金属粉末成形过程以预测压坯的密度梯度和应力分布，可以有效提高产品的开发和生产效率。在上述的力学模型、建立的材料参数始终着眼于成分为Fe-1wt.%C-2wt.%Cu的三维复杂零件的模拟过程，其仿真模拟结果也是基于成形后压坯密度分布的研究。

2 成形工艺仿真模拟实验

为便于学生深入浅出地对粉末冶金零件的压制成形工艺的模拟仿真有更深入的了解和研究，本文中对汽车发动机可变正时气门（Variable Valve Timing，

VVT）系统中的零件：外壳，壳体、皮带轮及转子的压制成形工艺进行模拟仿真［14-16］。针对不同结构的产品和压制成形方式的模拟，分析、研究其压坯密度分布规律，为实际生产和教学研究作指导。

2.1 外壳的仿真模拟

本项目模拟实验中的外壳尺寸如图2所示，成形模具采用“上一下一，中模带台”结构，模具包括：成形上冲、成形下冲、台阶中模、芯棒。针对外壳产品本教学中主要研究模拟压制成形的中模台阶和浮动压制方式，整个压制过程为2 s，模拟运动参数：下冲固定，上冲行程为23 mm，上冲压制速度为11.5 mm／s；中模行程为18 mm，浮动速度为9 mm／s；芯棒行程为18 mm，浮动速度为9 mm／s。模拟总步数（step）设定为200，步长为0.113 mm。

图2 外壳压坯尺寸

本模拟根据外壳的模型及压制参数进行压制仿真得到压坯密度分布图，如图3所示，可知整体密度分布呈现“两端大，中间小”趋势。密度分型面位于齿部与boss轴交界处，而对于齿顶到齿根的齿部区域有较大密度（该区域显示红色），这是由于颈部（boss）轴先受压，部分粉末横向移动到该区域，相当于粉末充填量增多，boss轴密度是下端大于上端（这是由于各模具的相对运动造成，目前设置的工艺类似于下冲往上顶的单向运动）。外壳的模拟仿真实验主要让学生了解中模带台阶的浮动压制方式（类似单向压制）及该结构压坯的密度分布和造成原因。

图3 外壳压坯密度分布图

为验证模拟结果的可靠性，通过实验进行对比，模拟数据及实验结果见表1及图4。通过对比表1可知，模拟结果与实验结果大致吻合，密度呈“两端大，中间小”的趋势，齿部具有最大的密度，通过计算相对密度最大误差值为3.7%。分析产生该误差的原因为模拟中选取的数据为某区域内节点上的相对密度，而实验得到的数据为一个区域内所有点的平均相对密度。尽管实验与模拟的数据存在一定的误差，但该误差在可接受的范围内［14］，故本研究中压制工艺模拟仿真的坯料密度分布数据是可靠的。

表1 实验与模拟数据对比

图4 实验条件与模拟情况下，外壳压坯的相对密度分布对比

2.2 壳体的仿真模拟

本项目模拟实验中壳体尺寸如图5所示，成形模具采用“上一下一”结构，模具包括：成形上冲、成形下冲、中模、芯棒。针对该产品本教学中研究模拟压制成形中的浮动压制即双向压制方式，模拟运动参数：下冲固定，上冲行程为22 mm，压制速度为5.5 mm／s；中模行程为10 mm，浮动速度为2.5 mm／s；芯棒行程为10 mm，浮动速度为2.5 mm／s。模拟总步数设定为200，步长为0.11 mm。

图5 壳体压坯尺寸

基于上述压制成形参数，对壳体进行仿真模拟分析，得到如图6所示的压坯密度图，由图可知，压坯的密度分布与前面实验中的外壳项目，密度分布趋势一致，呈“两头大，中间小”的现象，这与双向压制方式有关，受模具和粉末体的摩擦力作用，压坯上、下两侧受到的压力最大，越往中间，压力减弱。在粉体中间部位作用的压力最小，成形密度最低，其密度分型面呈现在中间部位（密度分布图中中间部位有一圈淡蓝色的密度分型线）。不同壁厚处部位，在同一高度上，其密度不一样，厚壁的密度要比薄壁密度高（P3＞P6，P2＞P5，P1＞P4），这是由于粉末在薄壁处充填量较小，而在受压过程中薄壁处的粉末横向移动量更大，导致密度降低。针对壳体成形工艺的模拟仿真，可以让学生了解双向压制方式和产品厚薄部位对密度的影响。

图6 壳体压坯密度分布图

2.3 带轮的仿真模拟

本项目模拟实验中的VVT带轮尺寸如图7所示，该类产品为“工”字形，成形模具采用“上二下三”结构，模具包括：上一冲、上二冲、下一冲、下二冲、下三冲、中模、芯棒针，对该产品本教学中研究模拟仿形移粉阶段，中模浮动，各冲头同步压制模式，其模拟整个压制过程为5 s，行程和速度参数见表2。模拟总步数设定为300，步长为0.085 mm。

图7 带轮压坯尺寸

表2 带轮成形工艺的模拟参数

项目中的带轮模拟实验是基于伺服控制（CNC）压机有浮动移粉功能，在设计初始粉末体模型时其形状是与压坯的形状相似，初始粉末体各段差高度为压坯段差高度的2倍（该数据为粉末充填系数）。并根据表2的压制参数进行模拟实验，得到如图8所示的压坯密度分布图。由图8可见，齿部上端区域P1的相对密度值为0.847（密度为6.65 g／cm3），中间区域P2处相对密度值为0.842（密度为6.62 g／cm3），齿部下端区域P3相对密度值为0.878（密度为6.9 g／cm3），密度分型面位于肋板对应的齿部区域（即P2处），该密度分布的压坯在实际生产中具有较高的生坯强度。带轮的模拟仿真实验主要让学生了解成形过程中的仿形充填粉末的压制方式和带轮密度分布情况。

图8 带轮压坯密度分布图

2.4 转子的仿真模拟

本项目模拟实验中的VVT转子尺寸如图9所示，而成形模具采用“上二下三”结构，模具包括：上一冲、上二冲、下一冲、下二冲、下三冲、中模、芯棒。成形模拟仿真强制移粉，中模浮动压制方式，其模拟整个压制过程为5 s，行程和速度参数见表3，模拟总步数设定为300，步长为0.085 mm。

图9 转子压坯尺寸

项目中的转子模拟实验是仿真成形过程的强制移粉压制方式，所谓强制移粉是压机主轴上的移粉杆强制移粉，当压制过程中主轴往下移动，与其连接的移粉杆迫使下二冲与上一冲同步往下运动，直到设定的限位才停止同步运动，在此过程，芯棒Ⅰ对应的盲孔处粉末一直处于松动未压制状态。图10为模拟强制移粉压制方式下得到的压坯密度分布图，由图10可见，盲孔P2处的仿真数据相对密度为0.88较理论的0.737（0.442 ×（5／3）＝0.737）大，芯棒Ⅰ对应的P1处的仿真实际相对密度为0.818也较理论的0.442（0.442×（5／5）＝0.442）大。这正是由于强制移粉压制方式原理造成的，在压制过程前期安装下二冲和芯棒Ⅰ（同一浮动模板）的模板在压机主轴的运动下同步下行，该部位的粉末处于未压缩状态，而其附近的粉末在模具的运动下会压缩变形，故附近粉末发生横向流动，增加盲孔处和芯棒Ⅰ处的粉末量，提高其密度。转子的模拟仿真实验主要让学生了解成形过程中的强制移粉压制方式和转子的密度分布情况。

表3 转子成形工艺的模拟参数

图10 转子压坯密度分布图

3 结 语

本文将粉末冶金零件的成形压制工艺的仿真研究引入到实验教学中，基于Deform模拟软件对成形工艺的不同压制方式进行模拟，并对模拟结果压坯密度分布进行分析。通过对外壳、壳体、带轮及转子的成形工艺进行模拟实验，促进学生对粉末冶金成形工艺的仿真模拟技术有更进一步了解，由浅入深地熟练掌握该门技术。

通过压制工艺的仿真实验，可以给学生创建一个接触科研前沿、提高实验技能平台，学生通过操作实验过程、分析实验结果和撰写实验报告，可以从中学习Deform的建模、网格划分、仿真分析等方法，培养学生利用先进仿真软件解决实际科研问题的能力。将Deform仿真融入粉末冶金成形压制工艺研究的实验教学中，不仅可以促进学生对压制方式、模具结构和密度分布规律的理解，还能激发学生的科学探索热情。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高实验教学的质量，培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。