陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理及其ＣＡＥ分析的探索研究

摘要 本文在陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理的基礎上，對粉料壓制成形過程中變形及運動特點進行了分析，借助粉末冶金技術中的流變學理論，建立起適合陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理的數學模型，為后期的CAE優化分析工作奠定了基礎。

關鍵詞 壓制成形，流變學，CAE優化分析

1前 言

計算機輔助工程（CAE）是利用計算機輔助求解復雜工程、產品結構的力學性能分析計算以及結構性能優化設計的重要工具。對于陶瓷墻地磚模具領域，CAE技術的應用尚未見相關報導。結合目前陶瓷墻地磚模具技術比較落后的現狀，利用CAE技術對陶瓷墻地磚模具設計及其粉料壓制成形機理，以及墻地磚產品綜合力學性能等方面展開研究，可揭示模具設計過程中模具的受載特性、運動特性及其與粉料壓制成形的相互影響，從而獲得陶瓷墻地磚模具的優化設計方案。CAE技術為陶瓷墻地磚模具的設計提供了虛擬的設計平臺，設計人員可以提前對設計過程中模具存在的缺陷進行修改并提出優化方案，縮短了設計周期，減少了模具生產成本，并提高了陶瓷墻地磚模具及磚坯的質量。

2陶瓷墻地磚粉料壓制的成形機理

2.1 陶瓷墻地磚壓制成形的過程

墻地磚坯體致密度和強度的提高是由于陶瓷粉料在適宜的成形壓力作用下發生了以下變化：（1）固體顆粒的塑性變形和彈性變形；（2）固體顆粒互相移近和靠攏；（3）氣體和水份在顆粒間隙中的移動；（4）氣體受壓后，有一部分溶解在水份中，其余部分經壓模、底模與模框的縫隙逸出。由此可見，墻地磚坯體的壓制成形過程實質上是陶瓷粉料各組分互相移動、變形，迫使孔隙率減少和坯體結構致密化的過程。

2.2 陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理的基本假設

墻地磚因形狀簡單，通常采用單向壓制成形的工藝，如圖1所示。坯體的受力分析如圖2a所示，坯體在成形壓力Py，側壓力Pc，底模反力Pm及摩擦力Pf的作用下保持平衡。由于在墻地磚坯體的壓制過程中，陶瓷粉料中的顆粒在互相移動、靠攏以致壓實成形的過程中需要克服摩擦阻力等，由此可見側壓力Pc沿壓坯高度方向逐漸減弱至最底層；同時因坯體與模壁之間存在摩擦力的作用，致使底模反力Pm小于成形壓力Py。但因墻地磚的厚度尺寸通常較小，并忽略摩擦力Pf的作用，致使底模反力Pm小于成形壓力Py。

我們可近似地認為側壓力Pc沿壓坯高度方向均勻分布，且底模反力Pm與成形壓力Py近似相等，那么可得理想狀態下坯體的受力分析示意（如圖2b所示）。如果再進一步將分布力簡化為集中力，可得坯體的受力分析示意圖（如圖2c所示）。顯然它是建立在基本假設基礎上的：（1）假設坯體為一剛性整體；（2）假設坯體在壓制成形時，坯體與模腔內壁等產生的摩擦力忽略不計；（3）假設側壓力Pc沿壓坯高度方向均勻分布。

2.3 成形壓力對坯體壓制成形過程的影響

當作用于陶瓷粉料上的成形壓力大于固體顆粒的變形阻力、受壓氣體的變形阻力、固體顆粒之間的摩擦力及陶瓷粉料與模腔內表面的摩擦阻力時，固體顆粒就開始移動、變形，并互相靠近，結果迫使陶瓷粉料壓實成形。其具體過程就是靠近壓模上表面的陶瓷粉料層最先被壓實，當這個陶瓷粉料層的顆粒互相靠近時，顆粒間的摩擦阻力就急劇地增大。此時，要使坯體壓得更實就必須施加更大的成形壓力，此成形壓力同時還通過壓模上表面的粉料層依次傳遞到鄰近的粉料層上，直至最低層，由于成形壓力在粉料層之間不斷傳遞的過程中，有一部分消耗于克服顆粒變形、顆粒之間及顆粒與模腔內表面的摩擦損失上，所以離壓模上表面越遠，粉料層受到的成形壓力越小，結構越疏松、致密度越低。

當成形壓力與上述各種變形阻力及摩擦力相等時，陶瓷粉料的壓制成形過程就處于相對平衡狀態，坯體結構不再致密化，因此過大地增大成形壓力，并不能使坯體變得更緊密或使坯體的強度更高。各種陶瓷粉料依其物理化學性質的差異，各有其最適宜的成形壓力。這個成形壓力既能保證坯體所要求的致密度和強度，又不會使坯體產生壓制裂紋等缺陷。

3陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程的CAE優化分析研究

3.1 陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程數學模型的建立

陶瓷粉料壓制成形是靠強大的壓力使含有一定粘性顆粒的粉料在模具內產生流動、變形，最終壓成致密的坯體。所以，陶瓷粉料的性能與其壓制行為的關系（如粉料流動的快慢、變形的難易、作用力和變形力之間的關系等）成為壓制成形過程中的關鍵因素。因此，用流變學的理論來建立粉料的流變模型和壓制方程對于研究陶瓷粉料壓制行為規律有重要的指導意義。

如圖3所示，在剛模中粉料的表面施加壓力σΔ(t)，Δ(t)是單位階躍函數。

假設剛模壁與粉料間不發生剪切應力，則在忽略重力時粉料間不發生剪切應力，此時粉料中各點x方向的正應力σx均為σΔ(t)，為方便起見，以壓應力為正，且σy＝σx，由于剛模的限制，y和z方向應變εy=εx=0，只有x方向的應變εx，那要求解的未知數就是橫向力σy 和豎向應變εx 。

以Tσ、Tε分別代表應力、應變張量，用上標O，d分別代表球張量和偏張量，

應力張量為：Tσ=TσO+Tσd(1)

應變張量：Tε=Tε0+ Tεd(2)

對于滿足流變模型的各種粉料，應力球張量和應變球張量之間的關系可以認為是線彈性的，則有：

TσO=3EvTε0(3)

式中：

Ev——積彈性模量

應力偏張量與應變偏張量之間的關系，隨著粉料的性質以及模型而異。借助粉末冶金技術，非線性K體比較接近粉體變形的實際情況，并且容易進行數學處理。非線性K體是由Hooke體（簡稱H體）與Newton體（簡稱N體）并聯組成的。經過對H體與N體不同組合的數學模型的研究與對比，發現當非線性K體與非線性H體并聯，所建立的數學模型就比較符合粉料壓制機理。 依圖4所示模型，其數學模型為：

式中：

σ＝σ1+σy

σ1＝σ2＝σ3(4)

ε＝ε1＝εx

εx=ε2+ε3

又

式中：

——應力對時間t的導數

變換整理得：

式中：

M1，M2，M3，τ——與彈性有關的常數

m1 ，m3，K——指數常數

——應變對時間t的導數

圖4所示的模型具有普遍性，可以較全面研究非線性粉料在壓制成形過程中的流變行為，從而為陶瓷墻地磚模具設計及加工過程中工藝參數的選定提供了依據。

3.2 陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程CAE優化分析的探索研究

在對陶瓷墻地磚粉料壓制成形機理全面分析的基礎上，綜合考慮墻地磚模具結構的具體設計要求以及原材料的性質、配方等因素，借助冶金技術中粉料在壓制成形中的流變模型建立起相應的數學模型，繼而采用華中科技大學國家模具重點實驗室開發的HSCAE（華塑CAE）軟件進行優化及動態模擬分析，從而改變了過去那種單靠人為經驗來制定粉料壓制成形的加工工藝，以及設計相應模具尺寸需要多次試模、反復修改，才能最后設計定型和制造模具的方法。

利用CAE技術對陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程進行仿真模擬，并在此基礎上，提高模具的設計的效率，優化模具設計以及制造工藝。在后期的研究工作中，其工作重點將放在對粉料壓制成形過程的仿真模擬，并結合陶瓷墻地磚實際生產情況及存在的問題，對現有的墻地磚模具進行CAE優化分析，并提出模具的優化設計方案，從而有效地提高墻地磚在壓制成形過程中的綜合性能。

4總結

陶瓷墻地磚粉料壓制成形過程中的應力與應變是一個相當復雜的過程，由于在這個過程中，陶瓷墻地磚粉料的變形及運動狀態滿足粉末冶金技術中流變模型的條件，因此，在此課題中，筆者大膽借助粉料運動的流變模型建立相應的數學模型，為后面的CAE優化分析提供了有利的分析依據。CAE技術充分結合了陶瓷墻地磚的生產現狀及工藝要求，在后期的研究工作中將逐步展開粉料壓制成形過程的模擬仿真，并對墻地磚模具進行優化設計，從而提高墻地磚的綜合性能。

參考文獻

1 向衛兵．陶瓷墻地磚模具類型與分析[J]．佛山陶瓷，2008，3

2 孫德亮．墻地磚常見缺陷分析[J]．現代技術陶瓷，1998，3

3 王艷春．陶瓷墻地磚模具的設計［J］．佛山陶瓷，2006，7

4 黃培云．粉末冶金基礎理論與新技術［M］．中南工業大學出版社，1987

5 王忠輝．陶瓷墻地磚在壓制過程中缺陷的成因分析及預防措施[J]．中國建材裝備，1998，4

6 肖任賢．陶瓷粉烊恒壓壓型理論的流變學探討[J]．中國陶瓷工業，2001，9

7 余冬玲．墻地磚成型粉體在壓制過程中的應力與應變分析及流變模型[J]．陶瓷研究，2000，5