塑料電子表蓋注塑模具設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+三維SW+文檔】
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一 金屬注塑成型加工的缺陷和對機(jī)械性能的影響
本文論述的是金屬注射成型技術(shù)產(chǎn)生的加工缺陷和對材料加工相關(guān)的機(jī)械性能的影響（金屬注射成型）。金屬注射成型的工藝包括多個步驟：首先是在注射的金屬粉末中混合熱塑性粘合劑，然后是消除聚合物粘合劑的脫脂階段，再通過固態(tài)了、擴(kuò)散的燒結(jié)階段，這個階段通常導(dǎo)致密集的組件。金屬注射成型過程出現(xiàn)的最主要的缺陷是和注塑相關(guān)的粉末分離和固態(tài)擴(kuò)散導(dǎo)致的不均勻、有缺陷的機(jī)械性能。本文首先描述了一個兩相的流體流量的方法,可以準(zhǔn)確地預(yù)測粉末注射成型后體積分?jǐn)?shù)h和得出相關(guān)的偏析缺陷結(jié)果.這個分析是通過持續(xù)跟蹤一個基于彈粘類比的適當(dāng)?shù)臒Y(jié)模型來預(yù)測產(chǎn)生的局部密度在燒結(jié)和關(guān)聯(lián)的缺陷.因此,從這兩個后續(xù)的模型,就有可能可以得到最終處理后的粉末密度和局部可能產(chǎn)生的缺陷。這個分析是通過對對一個使用多孔材料模型來得到最終的合成處理后力學(xué)性能的分析完成.
關(guān)鍵詞:金屬注射成型、缺陷、偏析、燒結(jié)、建模
簡介
金屬注射成型金屬注射成形是用于粉末冶金行業(yè)相對較新的處理技術(shù)，這在大量制造小型和錯綜復(fù)雜的金屬組件在是特別有效的便利的。它包括混合組成的粉末和粘結(jié)劑四個基本步驟,注射成型、脫脂、最后燒結(jié)粉末骨架。1。應(yīng)該適當(dāng)控制在每個金屬注射成形步驟產(chǎn)生的缺陷以獲得最終的組件所需的性能。注射成型和燒結(jié)兩個最重要分別獲得相關(guān)綠色部分和最后部分的步驟。對熱塑性原料的注射成型工藝,如噴射、空氣陷阱、死區(qū)、焊接線、等的缺陷在金屬注射成形中也可以發(fā)生。然而,強(qiáng)制粘結(jié)劑分離,稱為相隔離,由于不同密度的金屬粉末和相關(guān)熱塑性而發(fā)生在高速和高壓注塑工藝。它可以引起綠色組件的不均勻。所有出現(xiàn)在注入步驟的這些效應(yīng)在下一步驟必定是放大。脫脂步驟后, 粘合劑被去除，并留下多孔粉末和毛孔的組件。在接下來的燒結(jié)步驟,debinded組件置于低于主要成分熔點(diǎn)溫度環(huán)境下，以獲得所需通過擴(kuò)散結(jié)合一起的粉末粒子的最終密度。注射成型后的,脫脂,和燒結(jié)之后綠色組件之間的收縮導(dǎo)致的結(jié)果是,使一般范圍在10 - 20%的密度變成范圍在95 - 100%之間。為了得到最后的組件所需的尺寸精度和指定的機(jī)械性能, ,因此必須控制不均勻等缺陷，這些缺陷是影響材料包括初始密度、升溫速率、燒結(jié)溫度和氣氛,摩擦、重力等加工因素。3.本文講述了關(guān)于在金屬注射成形工藝產(chǎn)生缺陷的實(shí)驗(yàn)調(diào)查。為了獲得合格的金屬注射成形產(chǎn)品，傳統(tǒng)的試驗(yàn)和錯誤的方法廣泛應(yīng)用于工業(yè) ，反復(fù)改進(jìn)和調(diào)整工具和加工參數(shù)。數(shù)值模擬在金屬注射成形的開發(fā)正在發(fā)展,并期望在替代試驗(yàn)和錯誤的來兩個方法鐘提供一個有效的成本。本文主要講述在金屬注射成形中注射成型和燒結(jié)步驟的建模和數(shù)值模擬, 在流體粒子流動注射過程中出現(xiàn)的4、5步驟展示一個兩相流模型。每個階段都有它自己的密度、速度場和體積分?jǐn)?shù)特征。在粉末和熱塑性聚合物之間有一個交互術(shù)語占論述這兩個階段之間的動量交換。在我們的研究團(tuán)隊(duì)，一個新的高效明確的算法被應(yīng)用在有限元軟件開發(fā)中。這個新改進(jìn)算法高效率明確解決兩相的不可壓縮流問題?！?.7】基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的燒結(jié)模型的現(xiàn)象概念用來預(yù)測最后的組件尺?！?.10】在使用粘塑性本構(gòu)定律使用的材料和工藝參數(shù)彎曲測試中得到肯定，并在燒結(jié)條件和膨脹法測試下進(jìn)行。【11.12】為了執(zhí)行與金屬注射成形相關(guān)聯(lián)的燒結(jié)步驟的數(shù)值模擬，模型和確定的材料參數(shù)被應(yīng)用在ABAQUS有限元求解器。在接下來燒結(jié)模擬中得出由兩相的注入仿真產(chǎn)生的注塑組件導(dǎo)致的粉末體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生分布。基于仿真結(jié)果,預(yù)測最終的機(jī)械性能和機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)對316 L不銹鋼進(jìn)行調(diào)查來驗(yàn)證提出的建模與仿真。
2010-1,vol.132/011017-1
圖1由氣體霧化316 l不銹鋼粉末和蠟為熱塑性粘合劑 的金屬注射成形原料SEM照片
1. 實(shí)驗(yàn)研究
2.1材料和程序。
先進(jìn)的金屬加工顆粒提供了一種316 l不銹鋼原料,LLC。,Carmel,IN和石蠟基粘結(jié)劑被用做原料。粉末的體積分?jǐn)?shù)為原料的62%。圖1顯示的是通過電子顯微鏡掃描觀察到原料的微觀照片。球形粉末顆粒的直徑小于45m、D80=16m?？梢杂^察到粉末和粘結(jié)劑混合得很好其中有一個說明均勻的原料在接下來的步驟地很重要的。在金屬注射成形處理中，注射成型是把原料變成所需幾何圖形的過程。這個步驟包括對原料加足夠溫度的熱量以使原料融化，然后在高壓下包裝，最后冷卻和推出模具零件的型腔。在實(shí)驗(yàn)中使用了一臺22噸的注射機(jī)。熱脫脂是用來從未成形不銹鋼零件上去除石蠟基粘結(jié)劑。預(yù)燒和燒結(jié)過程是在真空條件的一個爐中批處理進(jìn)行。對各種注射、脫脂、燒結(jié)處理進(jìn)行檢查，找出其對最終組件的影響。2.2.注射成型中的噴射缺陷。噴射現(xiàn)象是指熔體沒有形成統(tǒng)一的流向，而是形成一個指狀的蒸汽，維持進(jìn)入模腔的幾何形狀。學(xué)術(shù)上對金屬注射成形噴射的描述有三種形式：傳統(tǒng)的階段是液體噴射和固相噴射。對于傳統(tǒng)的噴射，
液體流動蒸汽噴射到型腔壁上。然后倒流，最后形成一個充滿型腔的一個流。在最后的模制品中出現(xiàn)的傳統(tǒng)噴射導(dǎo)致的缺陷。對于固相噴射，一個固體的指狀流蒸汽自己本身堆積而不是形成一個反向流動。固相噴射導(dǎo)致的結(jié)果是在表面產(chǎn)生不規(guī)則的熔接痕和開裂。玻璃式的模具型腔可以讓我們使用高速電荷耦合CCD-攝像機(jī)裝置連續(xù)記錄前面混合物灌裝的過程，見圖。2-14。然后，圖像處理軟件提供一個虛擬連續(xù)的填充階段視圖。在MIN中，由于粉末的數(shù)量是非常大的，粉末和粘結(jié)劑混合物的流變行為和熱塑性聚合物的流變行為基本是不同的。事實(shí)上：粉末的數(shù)量是非常大的，例如60%的體積。我們重點(diǎn)關(guān)注在型腔和一樣厚度的澆口橫截面上與噴射有關(guān)的事件。為了這個目的，我們使用了不同的流道和長度和不同尺寸的模具型腔。表1中描述了用注射參數(shù)來獲得部件。
圖2
316號不銹鋼原材料的灌漿期在模具型腔中產(chǎn)生的噴射現(xiàn)象。
A ：原材料 B ：回收原料
這些參數(shù)也得到原料供應(yīng)商的贊同。
注塑的不同填充階段利用CCD相機(jī)采用間隔為0.04秒的幀數(shù)記錄。這些記錄提供了一個準(zhǔn)確的描述注射過程的填充情況。見圖2圖3所示為注射前的原料，可以觀察到，在注射開始階段，316L號熔體像指狀的蒸汽流入型腔內(nèi)。然后，蒸汽到達(dá)型腔的對面。最后，主要沿著注入方向填充其他空腔，直到填充完成?？梢宰⒁獾?，熔體環(huán)搖在空腔的中間。蒸汽的重疊導(dǎo)致注射過程的連續(xù)出現(xiàn)問題。噴射是注射成型中加載聚合物的一個常見的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象時不好的，它會導(dǎo)致最終組件的缺陷。第二列所示為在第一次注射階段后對循環(huán)原料噴射的控制。它表明了噴射開始的形成。但確實(shí)是一個可以接受的結(jié)果。見圖2b。這種現(xiàn)象文字描述為固相噴射。從注射中期開始，熔體開始填充空腔的橫截面。空腔下半部分的冷凍棒，這個細(xì)節(jié)還說明利用回收的原料比原來的原料注射的組件更均勻。這是因?yàn)檠h(huán)利用的原料比原始的更均勻。
2.3為了研究注射成型在注射中粉末和粘結(jié)劑之間的隔離缺陷。設(shè)計(jì)了如表1所給參數(shù)的五腔模具進(jìn)行注射加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到的模制品如圖3所示。拉伸成型和車輪組件被切成小段。以獲得氦比重和精確的平衡。
表1為316基礎(chǔ)原料注射的處理參數(shù)
使用參數(shù)：
注射壓力桿 160
注射速度金屬注射成型/s 160
模具溫度 （度） 50
包裝壓力桿 45
注射時間 s 0.18
011017 - 2 /卷。132,2010年1月作ASME
圖3 316L不銹鋼在金屬注射成形注射過程由于片缺陷導(dǎo)致的毛胚模制品密度的不均勻。圖a：注塑組件，圖b：拉伸試樣的輪廓密度，圖c:經(jīng)過分割的車輪組件的輪廓密度。當(dāng)時得到模制部件的密度，見表3b和3c。偏析效應(yīng)取決于原料的性能、模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)。
2.4 脫脂階段發(fā)生的裂縫和扭曲。
由于在模制部分去除了粘結(jié)劑，組件逐漸變得脆弱。在脫脂時容易發(fā)生裂紋和變形的缺陷。因此，應(yīng)該根據(jù)原料和組件的形狀來正確設(shè)計(jì)脫脂過程。提出的熱循環(huán)的拉伸和彎曲試驗(yàn)標(biāo)本見圖3，以速率為0.625°C / min加熱到130°C然后加熱到220°，然后以0.1°C / min的較低速率最后維持溫度一小時【7】。然而,當(dāng)這個循環(huán)用于脫脂的熱帶植入物與相同的原料原型為圖4a視，出現(xiàn)裂縫，見圖4b【16】。同時，當(dāng)骨關(guān)節(jié)植入物在支持板上脫脂時，由于重力，在接觸位置有明顯的失真，見圖4c。為了避免這些缺陷，可以緩慢加熱延長熱脫脂的周期和采用半腔模具?！?6】。
2.5燒結(jié)中的不均勻收縮和變形。
在注塑模具設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)的型腔應(yīng)盡可能呈現(xiàn)燒結(jié)中的收縮部分。不幸的是，諸如綠色不均勻、重力、摩擦力、溫度梯度等因素導(dǎo)致收縮的不均勻。我們進(jìn)行了一個拉伸試驗(yàn)的測試，見圖5.試驗(yàn)分別平均取對應(yīng)于長度、寬度、和厚度為13.11%,14.09%和14.55%的量的鑄件進(jìn)行燒結(jié)拉伸試驗(yàn)測量。不能去除注塑和脫脂有關(guān)的缺陷。但會在燒結(jié)過程中這些缺陷被放大。舉個例子，圖6所示為試樣在1150°燒結(jié)后的彎曲變形，這是在注射成型中由于注射不足或保壓不夠?qū)е碌木G色不均。
3 金屬注射成形的兩相注入模擬
3.1 兩相的模型注射成型。
在歐拉描述的框架下對金屬注射成形的注入階段進(jìn)行仿真。兩個不同階段的流動表達(dá)理論原料混合物注射流。即固體表述為金屬粉末的流動而液體表述為粘結(jié)劑聚合物的流動。兩個不同的流動由通過動量交換條件的n-s方程進(jìn)行闡述。在每個瞬時t,每個階段，模具型腔填充部分體積分?jǐn)?shù)用兩個變量_s和f來定義 。分別命名為固體和流體體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)質(zhì)量守恒,s和f應(yīng)該不斷滿足以下飽和條件: s + f = 1和
T
s + f = 0 1
固體和液體的流動是描述為Vs和Vf兩個截然不同速度場.混合物的有效的速度被定義為:
圖4 316 l不銹鋼金屬注射成形髖關(guān)節(jié)植入物發(fā)生在脫脂的的裂縫和變形缺陷,a，注塑模型和脫脂組件。：在脫脂階段產(chǎn)生的裂縫。c：脫脂階段發(fā)生的變形
JANUARY 2010, Vol. 132 / 011017-3
填充前追蹤與有效的速度場有關(guān)平流效應(yīng)。使用的填充狀態(tài)字段變量F表達(dá)填充過程和在填充模腔的一部分對應(yīng)的值等于1.0，，而在未填充
圖5比較的幾何形狀的316L不銹鋼拉伸試驗(yàn)后試樣的注塑成型和燒結(jié)表示在各個方向上的收縮不均
所述模腔的一部分的值為零。此字段變量許可表達(dá)前的位置與時間。利用Taylor-Galerkin方法是用于處理相關(guān)的平流方程。該混合物的流動：
所以，下面各相流量的的質(zhì)量守恒公式，可以直接使用，以評估體積分?jǐn)?shù)的演變：
式EQ4的解決方案在規(guī)定的瞬間直接測量的隔離效果。
不可壓縮混合物相當(dāng)于每個階段從相關(guān)聯(lián)的飽和的體積分?jǐn)?shù)的約束產(chǎn)生的質(zhì)量守恒，從而導(dǎo)致一個單一表示混合物不可壓縮條件的公式：
在金屬注射成形注射的階段，由于雷諾數(shù)通常是很小的，在納維斯托克斯方程中可以忽略平條件。然后，每個階段的動量守恒方程可以減少到兩個耦合的Stokes方程：
和
P代表在該混合物中的壓力場，ms和MF（ms=-Mf）術(shù)語代表之間的互動效應(yīng)，兩個不同的階段的流量。這兩個條件是成正比的。兩相之間的速度差異：
其中k是相互作用的參數(shù)，該參數(shù)可以是常數(shù)或加工和材料參數(shù)的函數(shù)。在各相的流量的粘性行為由如下狀態(tài)方程表示：
圖6 316L不銹鋼鋼燒結(jié)失真的彎曲試驗(yàn)片，由于相關(guān)聯(lián)的缺陷發(fā)生在注射成型步驟
圖7 粘度曲線上獲得的316L不銹鋼基于原料和相關(guān)的粘性行為每個階段從造型
這里σs和σf是偏柯西應(yīng)力張量固相和液相σs和σf是相關(guān)的偏應(yīng)變率，T是該混合物的溫度，σs和σf分別是每個階段的粘性模量。
3.2測定粘合劑和粉末粘性現(xiàn)象。
在金屬注射成形通過注射階段的建模
混合物理論必須解決兩個耦合斯托克斯方程。因此，有必要提供的粘性行為的自己的各相流量以及交互作用參數(shù)兩個階段之間的動量換。粘性行為雙相模擬一般被視為非牛頓的，根據(jù)原料的性質(zhì)。然而，的原料混合物的粘性行為來衡量，一般采用毛細(xì)管流變測試。因此，為了提供雙相輸入的要求;仿真，一個特定的方法已經(jīng)被提出來確定粘性行為的每個階段，雙相的框架下建模[17,18]開展了對粘度測量
316L不銹鋼粉末和聚合物的基本原料
3.3兩相注塑數(shù)值的實(shí)現(xiàn)。
解決這兩個耦合的斯托克斯問題要用到有限元方法，傳統(tǒng)的計(jì)算方法，包括使用隱式的程序。在這些解決方案中，求解過程全局的自由度數(shù)幾乎增加了一倍，因?yàn)榛ㄙM(fèi)巨大的計(jì)算能力，可能導(dǎo)致有些模擬無效。作者的貢獻(xiàn)，包括開發(fā)顯式算法對兩相的模擬【17、18】，基于以前用于顯式方法的原則開發(fā)的模擬的鑄造和聚合物注入和單相模型【19,20】。該算法的效率，已經(jīng)證明，計(jì)算成本和模擬相媲美的具有相同的自由度數(shù)比單相模型。這個解決方案是在幾個部分的步驟進(jìn)行。大多數(shù)步驟在兩個不同的階段并行計(jì)算，除了這整個步驟需要評估模腔中的壓力場?；诨旌喜逯档脑?，兩個耦合Navier-Stokes方程在三個連續(xù)的步驟解決分別考慮粘性擴(kuò)散的影響，相互動，和不可壓縮。新算法的程序在表2中進(jìn)行說明。
表2 兩相的情況下提出了標(biāo)準(zhǔn)算法。Ks和Kf為剛度矩陣在每個階段對擴(kuò)散的影響;Ms和Mf為每個階段的總質(zhì)量矩陣;Fs和Ff為每個階段外部承載負(fù)載向量,分別地;K是交互效應(yīng)剛度矩陣;Vs和Vf代表第一個試驗(yàn)的每個階段的速度場;Vs和Vf代表第二次試驗(yàn)中每個階段的速度場;Vsn + 1和Vfn + 1是每個階段考慮時間的最終速度場的結(jié)果;P代表混合壓力場,一個代表著在有限元法中裝配操作;C CT分別是梯度和分散的運(yùn)算符;P是壓力場的混合物;Ka和Kd的矩陣,分別代表了在解決充填狀態(tài)方程中平流、擴(kuò)散效應(yīng);Fn + 1和Fn代表填充狀態(tài)時間，tn + 1和tn;代n、f、n為每個階段即時體積分?jǐn)?shù)tn;Kadv和Kdiv是矩陣,分別代表了在解決體積分?jǐn)?shù)方程平流、擴(kuò)散效應(yīng);n和f為每個階段在即時預(yù)測的體積分?jǐn)?shù)tn + 1,n + 1和fn + 1代表每個階段的即時體積分?jǐn)?shù)tn,作為重要的結(jié)果的預(yù)測,M是一個獨(dú)立的質(zhì)量矩陣。
3.4兩相的注塑仿真例子。
基于以上兩相的模型和數(shù)值方法, 對兩相的注塑模擬內(nèi)部軟件FEAPIM?被開發(fā)出來。對車輪部分進(jìn)行兩相的注入模擬,見圖8。注射溫度用于165°C融化原料、模具溫度是60°C,注射時間是0.5秒,注射壓力是100bars。車輪組件是網(wǎng)狀的微型元素類型,包括2923個節(jié)點(diǎn)和11241個元素。選擇微型元素有限元建模,金屬注射成形建模為復(fù)雜不可壓縮流。這些元素滿足所謂的在一個全局意義上Babuska-Brezzi條件【21】,插值函數(shù)對速度場的要求是高于壓力場。在注射成型的填充狀態(tài)變化和粉末體積分?jǐn)?shù)顯示在圖8。
4．燒結(jié)階段金屬注射成形工藝的數(shù)值模擬
4.1燒結(jié)的宏觀模型。
一個基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理可宏觀模型可以在整個燒結(jié)階段和結(jié)束階段用來預(yù)測這個鑄件組件縮孔和扭曲。注射成型后的原始部分和脫脂被認(rèn)為是一種可壓縮的多孔材料部分。燒結(jié)體的變形部分量很大,動量和能量守恒方程8。模型主要的問題包括燒結(jié)過程中規(guī)則構(gòu)成部分。高溫下燒結(jié),多晶材料的致密化由擴(kuò)散過程決定。相關(guān)宏觀行為可以看作是蠕變變形，這個現(xiàn)象導(dǎo)致部分【3】的收縮和變形。燒結(jié)體的變形被認(rèn)為是獨(dú)立的。一個線性基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的粘塑性本構(gòu)定律可以用來描述這個過程8。它可以
被表示為：
其中εvp是粘塑性應(yīng)變率,σ是柯西應(yīng)力張量,是偏應(yīng)力張量, σm = tr（σ） / 3是壓力的意思,I是一個二階張量,Gp和Kp是多孔材料的剪切和體積粘性常數(shù)等, σs是燒結(jié)致密化過程的壓力驅(qū)動。彈性粘滯類比用來確定粘度?！?2】：
這里ηz是單軸粘度、νvp是粘性泊松比,ρ是多孔材料的相對密度,由質(zhì)量守恒方程ρ=?ρtr。參數(shù)ηz和σs是本構(gòu)定律的兩個主要參數(shù),應(yīng)該正確地確定數(shù)值模擬的目的。無壓燒結(jié)通常用于成形零件。在燒結(jié)中零件的彈性形變非常小, 和由于粘塑性而產(chǎn)生的收縮相比可以被忽略,對于316 l不銹鋼粉末燒結(jié)的金屬注射成形組件,晶界擴(kuò)散是致密化主要原因?；趲觳娜渥兡Ｐ秃瓦B續(xù)介質(zhì)力學(xué)多孔材料的單軸粘度表示為【11】:
圖8填充狀態(tài)和粉末體積分?jǐn)?shù)變化的期間注射成型在不同填充階段,來自316 l不銹鋼原料兩相的注入模擬
T是絕對溫度,G是晶粒尺寸,k是一個常數(shù),是原子體積,Db0是系數(shù)的谷物邊界擴(kuò)散,R是氣體常數(shù),Qb激活能源對晶界擴(kuò)散機(jī)制。下面的方程來描述行為的選擇晶粒生長在燒結(jié)的316 l不銹鋼粉末【23】:
QG是活化能對晶粒生長而B是一個材料系數(shù)。對316 l不銹鋼,當(dāng)溫度小于1200°C,成功之路上= 315.8焦每摩爾,否則QG= 50焦每摩爾。Suri et al.。
對316 l不銹鋼粉末發(fā)生在燒結(jié)的研究晶粒尺寸的變化【24】。在他
們的試驗(yàn)中,氣體霧化粉末材料的特性和目前用于實(shí)驗(yàn)原料相似。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定材料常數(shù)B在式【12】中等于0.98平方微米/ s。
由Olevsky提出的燒結(jié)壓力的表達(dá)式被廣泛用于不銹鋼粉末的數(shù)值模擬【8】如下:
其中r是粉末粒子半徑，C是材料常數(shù)。這個表達(dá)式現(xiàn)在用于工作中=。
4.2材料參數(shù)的確定。在我們的實(shí)驗(yàn)室已完成了進(jìn)行燒結(jié)重力梁彎曲測試確定參數(shù)與單軸粘度【25】。 在識別算法, 在式【11】晶界擴(kuò)散激活能量選為167焦每摩爾[3]。用優(yōu)化方法來確定，A= k / ΩDb0?；诖_定單軸粘度,在燒結(jié)的通過實(shí)驗(yàn)膨脹計(jì)收縮曲線來確定燒結(jié)應(yīng)力參數(shù)C進(jìn)入在式13 【11、25】。整個燒結(jié)過程分為三個階段。所確定的參數(shù)以8°C / min循環(huán)加熱到1360°C并持續(xù)1 h，如表3所示。計(jì)算單軸粘度和基于該模型收縮和相關(guān)確認(rèn)參數(shù)顯示在圖9。
4．3燒結(jié)仿真例子。
用有限元軟件提供的有限元分析求解器對完全耦合熱應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。燒結(jié)模型描述和標(biāo)識的方程式。（9）- （13）參數(shù)通過用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)的。在有限元分析中提供了C3D8RT編織元素類型部分?。它包括3748個節(jié)點(diǎn)和2352個元素?？紤]了模擬中由于重力和摩擦造成的密度不均勻生。模擬中用到庫侖摩擦模型。組件和氧化鋁載體之間的摩擦系數(shù)被設(shè)置為0.5。使用兩相的注入仿真獲得的初始密度輪廓如圖8示。通過節(jié)點(diǎn)插值導(dǎo)入到燒結(jié)仿真中。從數(shù)值模擬獲得的燒結(jié)組件尺寸的變化如圖10所示。圓柱坐標(biāo)系用來表達(dá)燒結(jié)模擬的結(jié)果,車輪中心設(shè)置為坐標(biāo)系原點(diǎn)。由于綠色不均勻性、摩擦和重力影響,不均勻的收縮現(xiàn)象發(fā)生在不同的方向,見圖11。最后燒結(jié)組件的相對密度的顯示在表12。這個實(shí)驗(yàn)工作也進(jìn)行了驗(yàn)證燒結(jié)仿真結(jié)果。Winwerth?的視頻顯微鏡測量用來測量綠色部分和燒結(jié)的維度,圖13所示。特征尺寸大小從R1到R4以及厚度比較如表4所示。注塑后引發(fā)的磨損的模具腔和小熱膨脹在注射成型導(dǎo)致綠色部分尺寸變化。從仿真預(yù)測的燒結(jié)部分尺寸與平均實(shí)驗(yàn)值吻合得很好。
表9 316L不銹鋼提出了單粘度和收縮模型參數(shù)的獲得與確定:（a）單軸粘度和(b)收縮
然而, 實(shí)驗(yàn)測量得到的公差比這些從模擬得到的更準(zhǔn)確,這意味著最初的綠色不均勻性和燒結(jié)部分之間的摩擦系數(shù)和在高溫下的支持應(yīng)該更精確地確定。這些因素對最終的燒結(jié)零件不均勻收縮有重要影響。
5預(yù)測燒結(jié)零件的強(qiáng)度
5.1燒結(jié)后模型強(qiáng)度的評估。
對于多孔材料燒結(jié)后,下面的表達(dá)式提出了確定屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度【26】:
這里上標(biāo)0表示鍛造材料的強(qiáng)度,下標(biāo)y和UTS表示屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度,θ= 1?ρ是孔隙率,Kc是強(qiáng)度集中系數(shù),α是一個常數(shù)。
圖10 燒結(jié)前和后獲得的數(shù)值模擬部分車輪幾何圖形的比較的
下面的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,給出了力量集中系數(shù)的確定【26】:
圖12 316L不銹鋼燒數(shù)值模擬結(jié)砂輪產(chǎn)生的最終相對密度
圖13 316L不銹鋼的車輪組件尺寸變化:【a】注塑后和【b】燒結(jié)之后
表4輪子部件從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果尺寸大小的比較
其中X是頸部和粒子之間的直徑，D是粒子的直徑。X / D常被用來評估燒結(jié)粘結(jié)效果。Skorohod提供以下在燒結(jié)確定X / D的表達(dá)式【27】:
這里0是在綠色燒結(jié)部分的孔隙度。
5.2 316L不銹鋼燒結(jié)部分強(qiáng)度預(yù)測。
316L不銹鋼燒結(jié)零件的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。根據(jù)（14） - （16）計(jì)算方程式。這個屈服應(yīng)力σy0選擇261 MPa,最終的抗拉強(qiáng)度極限抗拉強(qiáng)度σUTS選為580 Mpa，鍛造材料對應(yīng)316L不銹鋼【28】。常量α在表【14】設(shè)置為1.8。沒有時間限制不同溫度下燒結(jié)組件強(qiáng)度的預(yù)測用來和拉伸測試結(jié)果對比,如圖14。通過模擬得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線具有相同的趨勢,但他們顯示有些偏差。這是由于這樣的事實(shí),即模型的強(qiáng)度預(yù)測是基于一系列的經(jīng)驗(yàn)方程。另一方面, 每個最高燒結(jié)溫度拉伸測試實(shí)驗(yàn)只有一個樣本。燒結(jié)組件的實(shí)際強(qiáng)度不能使用組標(biāo)本平均值。這個測量值可以受許多隨機(jī)因素如孔隙度、缺陷及測量技術(shù)影響【29】。
表14 316L不銹鋼鋼燒結(jié)零件屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的數(shù)值預(yù)測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
6結(jié)論
金屬注射成型是一個多步驟處理技術(shù), 由于各種物理和技術(shù)的因素每一步都會出現(xiàn)相關(guān)的處理缺陷。粉末分離是一個發(fā)生在金屬注射成形噴射過程特殊的現(xiàn)象。擬議中的兩相的注入模型和相關(guān)的明確算法實(shí)現(xiàn)了有限元模擬預(yù)測了隔離缺陷是有效的。這個對燒結(jié)過程一體分析方法可以預(yù)測燒結(jié)部分的收縮和變形。在本構(gòu)定律輸入?yún)?shù)推薦的材料識別方法的,所得仿真結(jié)果更準(zhǔn)確。結(jié)合注入模擬和燒結(jié)模擬預(yù)測兩相綠色不均勻性、摩擦,和重力引起的不均勻的收縮和變形的燒結(jié)缺陷是準(zhǔn)確的。可以評估基于該模型和仿真結(jié)果燒結(jié)零件的強(qiáng)度。我們的研究小組努力提高兩相注入模擬和燒結(jié)模擬的準(zhǔn)確性,以及全局流程的優(yōu)化,減少或避免缺陷。
參考文獻(xiàn)
[1]德國, R. M., 博士, A., 1997,金屬和陶瓷注射成型,
MPIF, 普林斯頓, NJ, pp. 1–100.
[2] ?？怂? R. T., and 李, D., 1994, “粉末注射成型在冷卻過程中溫度效應(yīng)的分析,” Int. J. Powder Metall., 30(1), pp. 221–229.
[3] 德國, R. M., 1996, 燒結(jié)的理論和實(shí)踐, Wiley, 紐約, pp.
1–120.
[4] Dutilly, M., Ghouati, O., and Gelin, J. C., 1998, “金屬注射成型的過程中有限元分析脫脂和致密化現(xiàn)象,” J. Mater. 過程. 工藝., 83, pp. 170–175.
[5] Gelin, J. C., Barriere, T., and Dutilly, M., 1999, “金屬注塑成型小部件的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算建模,” CIRP
Ann., 48（1）, pp. 179–182.
[6] Barriere, T., Gelin, J. C., and Liu, B., 2001, “實(shí)驗(yàn)和數(shù)值有限元分析脫脂和致密化現(xiàn)象的金屬注射的過程中成型調(diào)查在性能和零件的質(zhì)量所產(chǎn)生的金屬注射成形,” 粉末
金屬., 44_3_, pp. 228–234.
[7] Barriere, T., Gelin, J. C., and Liu, B., 2002, “提高模具設(shè)計(jì)和注入?yún)?shù)在金屬注射模塑的精確三維有限元模擬,” J. Mater. 過程. 工藝., 125–126, pp. 518–524.
[8] Olevsky, E. A., 1998, “理論:從離散,連續(xù)燒結(jié),”
Mater. Sci. Eng., R., 38, pp. 41–100.
[9] German, R. M., 2002, “燒結(jié)過程的計(jì)算機(jī)模擬,” Int. J.
粉末 金屬., 38（2）, pp. 48–66.
[10] Kraft, T., and Riedel, H., 2004, “Numerical Simulation of Solid State Sintering:
Model and Application,” J. Eur. Ceram. Soc., 24, pp. 345–361.
[11] Song, J., Gelin, J. C., Barriere, T., and Liu, B., 2006, “固態(tài)燒結(jié)的數(shù)值模擬:模型和應(yīng)用,”
J. Mater. 過程. 工藝., 177, pp. 352–355.
[12] Song, J., Barriere, T., Liu, B., and Gelin, J. C., 2007, “金屬注塑組件在燒結(jié)過程中最終屬性數(shù)值的預(yù)測,” Proceedings of ESAFORM 2007 Conference, 美國研究所
of Physics, Zaragoza, Spain, Vol. 907, pp. 39–46.
[13] Piccirillo, N., and Lee, D., 1992, “在噴粉成型的噴射現(xiàn)象,” Int. J. Powder Metall., 28, pp. 13–25.
[14] Dvorak, P., Barriere, T., and Gelin, J. C., 2005, “噴射在金屬注射成型的316L不銹鋼金屬粉末,” Powder Metall., 48_3_, pp. 254–260.
[15] Kulkarni, K. M., 尺寸精度影響因素的成形零件在生產(chǎn)條件、先進(jìn)的粉末冶金和微粒材料, 1996, edited by T. Cadle and K. S. Narasimhan _Metal Powder 產(chǎn)業(yè)聯(lián)會_, Vol. 5, pp. 157–170.
[16] Liksonov, D., Barriere, T., Boudeau, N., Gelin, J. C., and Maslov, L., 2004,
“粉末注射成型的股骨植入莖,” Proceedings of World
Euro PM, 2004, EPMA, Vienne, Vol. 5, pp. 599–603.
[17] Gelin, J. C., Barriere, T., and Liu, B., 2002, “模具設(shè)計(jì)在金屬注模的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的改進(jìn),”
《機(jī)械工程師學(xué)會》, Part B, J.
Eng. Manufacture, 126_12_, pp. 1533–1547.
[18] Liu, B., Barriere, T., and Gelin, J. C., 2003, “兩相金屬成型的模擬: 基本決心,” J. 西南交通大學(xué)_英語版本_, 11_2_, pp. 122–130.
[19] Gresho, P. M., Chan, S. T., Lee, R. L., and Upson, C. D., 1984, “修改有限元方法求解依賴時間的,不可壓縮n - s方程,第1部分和第2部分,” Int. J. Numer. 液體方法, 4,
pp. 557–598.
[20] Lewis, R. W., Huang, H. C., Usmani, A. S., and Cross, J. T., 1991, “有限元素分析的傳熱和流動問題使用自適應(yīng)網(wǎng)格化包括應(yīng)用程序凝固問題,” Int. J. 數(shù)字方法 Eng., 32, pp. 767–781.
[21] Lewis, R. W., Usmani, A. S., and Cross, J. T., 1995, “采用顯式有限元方法對鑄件模具高效填充模擬,” Int. J. Numer.液體方法, 20, pp. 493–506.
[22] Bordia, R. K., and Scherer, G. W., 1988, “在約束燒結(jié)本構(gòu)模型為燒結(jié)體,” Acta Metall., 36_9_, pp. 2393–2397.
[23] Zhang, R., 2005, “數(shù)值模擬的固態(tài)燒結(jié)的金屬粉盒由晶界擴(kuò)散,” Ph.D. thesis,賓夕法尼亞州立大學(xué)，PA.
[24] Suri, P., Koseski, R. P., and German, R. M., 2005, “微觀組織演變注塑的天然氣和水霧化的316L不銹鋼粉末在燒結(jié),” Mater. Sci. Eng., A, 402, pp. 341–348.
[25] Song, J., Barriere, T., Gelin, J. C., and Liu, B., 2007, “陶瓷粉末注射模制部件燒結(jié)過程中的數(shù)值模擬,” 第九屆國際 會議上的數(shù)值方法在工業(yè)形成過程、美國物理協(xié)會,波爾圖,葡萄牙, pp. 1111–
1116.
[26] Suri, P., Heaney, D. F., and German, R. M., 2003, “兩個材料粉末注射成型組件完美的燒結(jié):第二部分、模型,” J.
Mater. Sci., 38, pp. 4875–4881.
[27] Olevsky, E. A., Shoales, G. A., and German, R. M., 2001, “燒結(jié)強(qiáng)度溫度效應(yīng)的演化,” Mater. Res. Bull., 36, pp. 449–
459.
[28] Ohani, T., Ogi, H., and Hirao, M., 2004, “超聲波衰減變化在不銹鋼微觀組織蠕變演變的應(yīng)用,” 第16屆世界會議的非破壞性測試,蒙特利爾,加拿大,
pp. 1–5.
[29] Schaff, W., and Wieter, K. P., 1997, “粉末冶金:加工和材料,”EPMA, Shrewsbury, UK, pp. 177–207.<工程材料與技術(shù)雜志》 一月 2010, Vol. 132 / 011017-9 Downloaded From:
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