分布情(qing)況，分析了(le)陶瓷粉末(mò)成形件出(chu)現密度不(bu)均現象的(de)原因。研究(jiu)結果有助(zhu)于對等靜(jìng)壓工藝進(jin)行優化💋設(she)計。
　 　1前言粉(fěn)末等靜壓(yā)成形過程(chéng)是一個非(fei)常複雜的(de)成⭕形過程(chéng)，涉及到許(xu)多過程參(cān)數，例如粉(fěn)末材料的(de)各✂️種組元(yuán)、含✌️量，模🧡具(ju)的種類、形(xing)狀，加工溫(wēn)度、濕度、壓(yā)力等。 在進(jin)行解析時(shí)還要考慮(lü)以下多方(fang)面因素的(de)影響：1）粉末(mò)材料含有(yǒu)一定孔隙(xi)，是一個非(fei)連續體需(xu)要以各個(gè)顆粒之間(jian)的變形以(yi)及各顆粒(li)之間的協(xie)調關系來(lái)研究🆚其整(zheng)體變 形，還(hai)要考慮粉(fěn)末材料對(duì)溫度、應變(bian)速率存在(zai)敏感性的(de)🔞特點；2）工件(jiàn)、模具的複(fu)雜形狀、幾(jǐ)何尺寸；3）摩(mó)擦邊界條(tiao)件；4）有限變(biàn)形等方面(mian)的因素。因(yīn)此，難于 用(yong)理論解析(xī)方法來對(duì)粉末等靜(jìng)壓成形過(guò)程求解💞。目(mu)🚶‍♀️前在🈲實際(jì)生産應用(yòng)當中，一般(bān)都采用反(fǎn)複試驗的(de)方法來确(que)定模具尺(chǐ)寸。這種方(fāng)法不僅不(bú)能保證等(deng)靜壓坯料(liào)的質量， 而(er)且還存在(zai)着模具設(shè)計周期長(zhang)、産品尺寸(cun)精度差以(yǐ)及密度㊙️不(bú)🐅均等問題(ti)，消耗了大(dà)量的人力(lì)、物力和時(shí)間。
　　因此采(cai)用計算機(jī)有限元法(fa)模拟粉末(mo)冶金零件(jian)等靜壓成(cheng)形過程就(jiu)成爲了一(yī)種快速有(you)效的設計(jì)方法。
　　通過(guò)有限元模(mo)拟，可以給(gei)出成形過(guo)程中粉末(mò)坯料幾何(hé)形狀😄、應力(lì)應變場、密(mì)度分布等(deng)數據，并據(ju)此分析出(chū)現質量缺(que)陷的原因(yin)，從而能及(ji)時改進加(jiā)工過程，快(kuài)速有效地(di)♊确定模具(ju)的zui終理想(xiang)形狀，達到(dao)提高生産(chan)效率，降低(di)成本的目(mu)的。
　　本文主(zhǔ)要對陶瓷(cí)粉末件的(de)冷等靜壓(yā)（CIP）成形過程(chéng)進行分析(xi)讨論。
　　2解析(xī)模型的建(jiàn)立2.1有限元(yuan)模拟技術(shu)問題本解(jiě)析的研究(jiū)對象爲如(rú)所示的陶(táo)✔️瓷粉末成(cheng)形件，外層(céng)是橡膠模(mó)具、中間是(shi)陶瓷粉💘末(mò)坯料、裏層(ceng)是芯棒。由(you)于載荷和(hé)形狀的對(dui)稱性，将陶(táo)瓷粉末件(jiàn)的成形過(guo)程簡化爲(wèi)一個典型(xing)的軸對稱(chēng)問🤩題。
　 　中部(bù)K域頂部區(qū)域芯棒粉(fen)體橡膠模(mo)具陶瓷粉(fěn)末成形件(jiàn)的幾💁何模(mo)型陶瓷粉(fen)末件的冷(lěng)等靜壓（cip）成(chéng)形過程，具(ju)有幾何非(fēi)線性、材料(liào)非線性、邊(bian)界條件🚶非(fēi)🔱線性等特(tè) 點，因而在(zai)此采用了(le)增量非線(xian)性有限元(yuan)對非線性(xìng)代數方⛱️程(chéng)組🔞進行叠(die)代求解以(yǐ)滿足每步(bù)結束時的(de)平衡🐉方程(chéng)，叠代方法(fǎ)采用了全(quán)牛頓一拉(lā)夫森法。
　　在(zài)幾何非線(xiàn)性方面，從(cóng)大位移以(yi)及大應變(bian)角度來對(duì)陶瓷粉末(mò)📐件冷等靜(jing)壓成形過(guo)程進行分(fen)析，并采用(yòng)更新的拉(la)格朗日方(fang)法來描述(shù)坐标系。
　 　在(zai)邊界條件(jiàn)非線性方(fang)面，由于在(zài)加壓變形(xing)過程中粉(fěn)體🌈與🔞橡膠(jiāo)模具的接(jiē)觸和相互(hù)間的摩擦(cā)起着重要(yào)作用，其接(jiē)觸約束通(tong)過直接約(yuē)束法來施(shī)加。同時考(kao)慮到了加(jiā)載方向 随(suí)結構變化(huà)而變化的(de)外力的影(ying)響。2.2材料模(mo)型粉末材(cái)料是由大(dà)量顆粒構(gòu)成的，每一(yī)個顆粒均(jun)可以🌈視爲(wei)*緻密體其(qi)變形行爲(wèi)可以用傳(chuán)統😘的塑性(xìng)力🌍學來描(miao)述。但是 由(you)這些顆粒(lì)所組成的(de)粉末材料(liào)坯體含有(yǒu)一定的孔(kǒng)隙，是一⛷️個(ge)🔞非連續體(ti)。這種非連(lian)續體的變(biàn)形是一💁個(ge)非常複雜(za)的過程，等(deng)靜壓力影(yǐng)響粉末材(cai)料的屈服(fú)。因此，粉末(mo)材料 的屈(qu)服準則需(xu)要考慮如(ru)下兩個問(wen)題：粉末材(cai)料在塑性(xing)變形✔️時的(de)體積（密度(du)）變化；粉末(mo)材料的屈(qū)服應力與(yǔ)相對密度(du)有關♍系，相(xiàng)🙇🏻對密度越(yue)大，變形所(suǒ)需的應力(li)也🙇‍♀️越大。
　 　從(cong)八十年代(dai)中期開始(shǐ)，對粉末材(cai)料的屈服(fú)準則進行(háng)了一系列(lie)的研究工(gōng)作。尤其是(shi)近年來，随(suí)着粉末成(cheng)形數值模(mó)拟技術的(de)發🔞展，粉末(mò)材料屈服(fú)準則的研(yán)究引起了(le)人們 的重(zhong)視。許多學(xue)者提出了(le)如式（1）的粉(fen)末材料成(chéng)形條件式(shi)1靜水壓力(lì)對粉體成(cheng)形的影響(xiǎng)，并且均可(ke)以用如下(xia)♉的一個通(tōng)式來表示(shì)，即一YP爲材(cái)料常數，爲(wei)相對密度(du) 的函數；m爲(wei)等靜壓力(lì)；粉末材料(liào)的屈服應(yīng)力0S與不可(ke)壓縮材料(liào)的屈服應(yīng)力00之間的(de)關系可由(yóu)下式給出(chū)，即在0S中包(bāo)括粉末顆(ke)粒間的表(biǎo)面摩擦狀(zhuang)态、粉體的(de)破 壞等因(yīn)素的影響(xiang)，因此0S随相(xiàng)對密度的(de)變化而不(bu)斷變化。而(er)03不随相對(dui)密度而變(biàn)化本文研(yán)究對象爲(wèi)陶瓷粉末(mo)🙇‍♀️材料的參(cān)數Y卩、n、0與其(qi)種類有關(guān)，目前這些(xiē)參 數還不(bú)能從理論(lùn)上給出，隻(zhī)能通過：其(qí)中：CH）爲材料(liào)常數，具體(tǐ)取值爲陶(tao)瓷粉末成(chéng)形件CIP成形(xíng)後頂部相(xiàng)對密度分(fen)布的模拟(nǐ)結果。可以(yi)看出，芯棒(bàng)頂部倒角(jiao)處 的相對(duì)密度較小(xiǎo)，zui小值隻有(yǒu)0.661其他區域(yu)的相對密(mì)度較大，一(yi)般達到0.885.由(you)此可見，通(tong)過有限元(yuan)模拟可以(yǐ)清楚地了(le)解到相對(duì)密度的分(fen)布情況，從(cong)而 發現産(chan)生密度缺(que)陷的原因(yin)。
　　陶瓷粉末(mò)成形件頂(ding)部相對密(mi)度分布3.2陶(táo)瓷粉末流(liu)動情況所(suo)示爲成形(xing)過程中陶(tao)瓷粉末顆(kē)粒💁流㊙️動情(qíng)況。由于陶(táo)瓷粉末坯(pī)料帶 傾斜(xie)端面，在壓(ya)制時壓制(zhì)方向與傾(qīng)斜端面不(bu)垂直，從而(er)使💃🏻粉體顆(kē)粒産生側(ce)向移動，并(bing)引發剪應(yīng)力作用，因(yin)此形成低(di)密度區域(yù)。從所示的(de)頂部粉體(ti)顆粒流動(dong)情💃🏻況可以(yǐ)發 現，在頂(dǐng)部A區、B區部(bù)位粉體顆(kē)粒的流動(dong)緩慢，且相(xiang)鄰顆粒之(zhi)間的流動(dòng)不協調，其(qi)位移行程(cheng)有明顯差(chà)異，相鄰顆(ke)粒之間的(de)變形不一(yi)♊緻、不📐協調(diào)，存在明顯(xiǎn)的難變形(xing) 區域，變形(xíng)受到阻礙(ai)作用，從而(er)産生了低(dī)密度現象(xiàng)♋。其原因主(zhǔ)❓要🌈在于模(mo)具形狀的(de)影響，即變(biàn)形區對粉(fěn)👅體的變形(xíng)與流動有(yǒu)阻礙‼️作用(yong)。
　　3.3相對密度(du)變化規律(lǜ)爲成形過(guo)程中陶瓷(ci)粉末件密(mi)度變化情(qíng)況，其中，頂(ding)部節點和(he)中部節點(diǎn)的位置分(fen)别位于所(suǒ)示的頂部(bu)☁️低密度區(qu)域和中部(bu)正常密度(du)區域。
　　從中(zhōng)可以看出(chū)，模具形狀(zhuang)對陶瓷粉(fěn)末成形件(jiàn)的壓密效(xiào)果有極大(da)影響。
　 　中部(bu)節點位于(yu)粉末成形(xíng)件中部，變(biàn)形時受模(mó)具形狀❗影(yǐng)☁️響較小，因(yin)而變形均(jun1)勻，緻密效(xiao)果良好，相(xiàng)對密度從(cóng)0.45增至0.88.頂部(bu)節點位于(yú)頂部芯棒(bang)倒角處低(di) 密度區域(yù)，變形時受(shou)模具形狀(zhuang)影響較大(da)，因而變形(xíng)不均🐉勻，緻(zhì)✌️密效果較(jiao)差，密度僅(jin)從0.45增加到(dao)0.66左右。并且(qie)，從圖中可(ke)以看出，頂(dǐng)部低密度(du)區域處的(de)粉 體在成(chéng)形過程初(chu)期的緻密(mì)行爲良好(hǎo)，比位于中(zhōng)部的粉♊體(ti)更易于變(bian)形，但在成(chéng)形過程中(zhong)間密度反(fan)而開始降(jiàng)低，從0.70下降(jiàng)到0.66左右。
　　在(zai)成形過 程(chéng)初期粉體(tǐ)處于疏松(song)狀态，各部(bu)分均容易(yi)發生變形(xing)。并🐇且🐪位🏃于(yu)産品頂部(bù)的粉體顆(kē)粒此時處(chù)于較佳的(de)三向壓應(ying)力狀态，比(bi)位于中部(bù)的粉體更(geng)易于變🏃‍♂️形(xíng)，因而緻密(mi)效果更 佳(jia)。但在成形(xing)過程中期(qi)，由于受芯(xīn)棒形狀的(de)影響，與型(xing)芯相☔接觸(chù)部位的變(bian)形受阻，因(yīn)而壓密效(xiào)果變差，同(tong)時由于🔞在(zai)頂部低密(mì)度區域外(wai)圍的粉體(tǐ)顆粒仍繼(jì)續運動變(bian)形， 并繼續(xu)壓密，因此(cǐ)就在兩者(zhe)之間産生(sheng)滑動，出現(xian)“搓😍揉”現象(xiàng)，從而造成(chéng)該部位密(mi)度持續下(xia)降，形成了(le)一個低密(mì)度🔞區域。
　　從(cóng)以上分析(xī)可以清晰(xī)地看出， 陶(táo)瓷粉末件(jiàn)的幾何形(xing)狀尺寸、模(mó)具形狀對(dui)密度分布(bù)有很大影(ying)響，該陶瓷(ci)粉末成形(xíng)件的長寬(kuan)比大，尺☀️寸(cùn)變化大，壓(yā)制時易出(chu)現局部區(qū)域應力集(ji)中現象，變(bian)形不易進(jìn)行， 從而出(chu)現低密度(dù)區域。同時(shí)，由于粉末(mo)件坯料帶(dài)傾斜端面(mian)，在壓㊙️制成(cheng)形時壓制(zhi)方向與傾(qīng)斜端面不(bú)垂直，使得(de)粉㊙️體顆粒(li)産生側向(xiang)移動，從而(ér)造成低密(mì)度區域的(de)🥰形成。本 研(yan)究有助于(yú)對模具形(xíng)狀提出改(gai)進方案，以(yi)提高陶瓷(ci)粉末成形(xíng)❄️件的使用(yòng)壽命。
　　4結論(lùn)通過模拟(nǐ)發現芯棒(bàng)頂部倒角(jiao)處粉末材(cai)料的相對(duì)密🏃🏻度zui小爲(wei)0.661，其他區域(yù)的相對密(mì)度較大，達(dá)到0.885.說明陶(táo)瓷粉末件(jian)的幾何形(xíng)狀尺寸、模(mó)具形狀對(duì)低密度區(qū)域👉的形成(cheng)有極大影(yǐng)響。
　　由于陶(tao)瓷粉末坯(pī)料帶傾斜(xie)端面，在壓(yā)制成形時(shi)壓制方向(xiang)與傾斜端(duan)面不垂直(zhi)，易出現局(jú)部區域應(yīng)力集中現(xiàn)象🔞，變形不(bu)易進行，從(cong)而使粉體(ti)顆粒産生(shēng)側向移動(dòng)，并引發剪(jiǎn)應力作用(yòng)，因此形成(cheng)👈低密度區(qū)域。