有限元模擬在粉末冶金學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用*

郭 彪，何浩正，李 肖，王正云，宋久鵬，敖進(jìn)清

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

“粉末冶金學(xué)”作為金屬材料專業(yè)的主干專業(yè)課程，在學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)中占有重要地位[1]。課程主要介紹金屬粉末的制備、成形、燒結(jié)以及后處理等教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)該門課程的學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，讓學(xué)生了解金屬材料及制品的粉末冶金制備方法，理解金屬粉末的制備、成形、燒結(jié)以及后處理的原理，能夠根據(jù)需要合理地選擇相應(yīng)的粉末制備、成形、燒結(jié)和后處理方法，完成金屬材料和制品的制備[2]。

金屬粉末的模壓致密化成形是粉末冶金學(xué)課程的重要內(nèi)容。掌握金屬粉末的模壓致密化成形規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化粉末冶金零件的模壓成形工藝和模具，成形高質(zhì)量的粉末冶金零件具有重要指導(dǎo)意義。與傳統(tǒng)熔鑄金屬材料的塑性成形過(guò)程不同，金屬粉末在模壓成形過(guò)程中既發(fā)生塑性流動(dòng)變形，又發(fā)生體積壓縮致密化，這兩個(gè)方面同時(shí)受到模壓工藝和模具結(jié)構(gòu)的共同影響[3]。因此，金屬粉末的模壓致密化成形過(guò)程比傳統(tǒng)熔鑄金屬材料的塑性成形過(guò)程更復(fù)雜。

目前，關(guān)于金屬粉末模壓致密化成形部分的課程教學(xué)，往往采用基本原理圖向?qū)W生講解金屬粉末模壓過(guò)程的宏觀受力和密度分布特點(diǎn)。學(xué)生無(wú)法觀察金屬粉末模壓過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變、流動(dòng)和致密化演變規(guī)律，難以理解金屬粉末模壓致密化成形的內(nèi)在機(jī)制，不利于學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的掌握。此外，采用原理圖講解，對(duì)學(xué)生的機(jī)械識(shí)圖能力要求較高，而且講解過(guò)程較抽象和枯燥，教學(xué)效果不盡如人意。

近年來(lái)，有限元模擬技術(shù)在材料塑性成形領(lǐng)域大放異彩，將其用于輔助材料制備與加工類專業(yè)課程的教學(xué)，能夠讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)復(fù)雜的材料制備和加工過(guò)程，幫助學(xué)生分析和理解材料在制備和加工過(guò)程中的本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)而鞏固課堂專業(yè)知識(shí)[4]。因此，為了更直觀地展示金屬粉末的模壓成形過(guò)程，讓學(xué)生更好地理解金屬粉末模壓成形的塑性流變致密化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化金屬粉末模壓成形的工藝和模具。論文探索了在“粉末冶金學(xué)”課程教學(xué)中，教學(xué)生運(yùn)用有限元模擬技術(shù)分析粉末冶金零件的模壓致密化成形過(guò)程，掌握影響零件模壓致密化成形的基本因素及其調(diào)控方法，在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的工藝和模具優(yōu)化設(shè)計(jì)。這對(duì)鞏固學(xué)生的課程專業(yè)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐，以及提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力具有重要意義。

1 齒輪模壓成形有限元模型的建立

圖1 齒輪壓坯的完整模型(a)和1/24模型(b)Fig.1 Complete model (a) and 1/24 model (b) of gear compact

圖3 齒輪模壓成形模擬1/24模型Fig.3 1/24 model of pressing simulation of gear

在“粉末冶金學(xué)”課程教學(xué)中，以典型的粉末冶金復(fù)雜零件——粉末冶金齒輪為例，開展粉末冶金復(fù)雜零件模壓成形的有限元模擬教學(xué)。首先，教學(xué)生采用Solidworks三維制圖軟件建立齒輪模壓成形的幾何模型(如圖1a所示)。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，能通過(guò)二維CAD草圖快速生成三維實(shí)體模型，并方便地進(jìn)行實(shí)體模型的裝配，是一款簡(jiǎn)便易學(xué)的專業(yè)CAD建模軟件[5]。學(xué)生可以輕松完成齒輪模壓成形的幾何建模，直觀地認(rèn)識(shí)和掌握金屬粉末模壓成形模具的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。齒輪模壓成形的陰模、上模、下模和芯棒的幾何模型如圖2所示。然后，將壓制模具和齒輪壓坯的幾何模型導(dǎo)入DEFORM-3D金屬塑性成形有限元模擬軟件，進(jìn)行齒輪模壓成形過(guò)程的模擬分析。DEFORM-3D軟件是一個(gè)基于工藝模擬的有限元軟件，可用于模擬和分析各種金屬材料的塑性加工過(guò)程，能夠直觀地顯示金屬材料在塑性加工過(guò)程中難以直接觀測(cè)的應(yīng)力、應(yīng)變和致密度分布等關(guān)鍵信息，為揭示金屬材料塑性加工過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律和影響因素提供了途徑[6]。學(xué)生采用該軟件模擬分析齒輪的模壓致密化成形過(guò)程，能夠直觀地認(rèn)識(shí)并理解金屬粉末模壓成形的塑性流變致密化特征及其影響因素，掌握金屬粉末模壓致密化成形的本質(zhì)規(guī)律。為了提高模擬計(jì)算效率，根據(jù)齒輪的軸對(duì)稱性(如圖1a所示)，以齒輪的半個(gè)齒即齒輪的1/24作為計(jì)算模型(如圖1b所示)，組建齒輪的模壓成形模型，如圖3a所示。將模具的各模型設(shè)置為剛性體，金屬粉末設(shè)置為多孔塑性體并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置相應(yīng)的載荷和邊界條件，從而建立齒輪模壓成形的有限元模型，如圖3b所示。本案例教學(xué)中，通過(guò)二次開發(fā)將金屬粉末塑性變形的屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系模型嵌入DEFORM-3D軟件作為金屬粉末的材料模型。在DEFORM-3D軟件的前處理中，將金屬粉末初始相對(duì)密度設(shè)為0.46，上模沖壓制速度設(shè)為2 mm/s，壓制總位移設(shè)為8 mm，金屬粉末與模具之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.08[7]。

2 齒輪模壓成形過(guò)程的模擬分析

將在DEFORM-3D軟件前處理中建立的有限元模型提交給軟件計(jì)算，在軟件后處理中查看模擬分析結(jié)果。圖4為不同壓制位移下，齒輪壓坯的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和致密度分布。可以看出，隨著壓制位移的增大，粉末壓坯受到的壓制壓力逐漸增加，壓縮變形量逐漸增大，壓坯密度逐漸提高。通過(guò)此部分的實(shí)例教學(xué)，學(xué)生學(xué)會(huì)采用有限元模擬技術(shù)分析金屬粉末的模壓成形過(guò)程，借助美觀的彩圖和生動(dòng)的動(dòng)畫，更直觀地認(rèn)識(shí)和理解金屬粉末模壓成形過(guò)程的塑性流變致密化規(guī)律，更好地掌握“粉末冶金學(xué)”課程中粉末壓制成形的專業(yè)知識(shí)。

圖4 齒輪模壓成形過(guò)程不同位移下的等效應(yīng)力、 等效應(yīng)變和相對(duì)密度分布Fig.4 Equivalent stress, equivalent strain and relative density distributions under different strokes during gear pressing

3 齒輪模壓成形工藝和模具的優(yōu)化

從圖4可以看出齒輪壓坯的密度分布不夠均勻。因此，為了提高壓坯的密度均勻性，減少開裂風(fēng)險(xiǎn)，將上模和下模端面的臺(tái)階高度從3 mm降低到1 mm，并將上模單向壓制改為上模和下模雙向壓制。采用該優(yōu)化方案模壓成形的壓坯的整體密度更高且分布更均勻，如圖5a所示。將優(yōu)化方案應(yīng)用于齒輪模壓成形實(shí)驗(yàn)，成功壓制出高致密、無(wú)裂紋的粉末冶金齒輪，如圖5b所示。在此部分案例教學(xué)中，學(xué)生學(xué)會(huì)了利用有限元模擬技術(shù)優(yōu)化粉末冶金齒輪壓制成形的工藝和模具，將所學(xué)的課程知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐，提高了分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

圖5 齒輪模壓成形的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of simulated and experimental results of gear pressing

4 結(jié) 語(yǔ)

將有限元模擬技術(shù)引入“粉末冶金學(xué)”課程教學(xué)，通過(guò)Deform-3D有限元軟件模擬分析了粉末冶金齒輪的模壓成形過(guò)程，使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)金屬粉末的模壓致密化成形特點(diǎn)，幫助學(xué)生更深入地理解金屬粉末模壓致密化成形的規(guī)律。學(xué)生通過(guò)案例教學(xué)，利用有限元模擬技術(shù)對(duì)粉末冶金齒輪模壓成形的工藝和模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于粉末冶金齒輪的模壓成形實(shí)驗(yàn)，達(dá)到鞏固課程專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。