【論文分享】Sandvik Hyperion:Abaqus在粉末冶金行業的應用與開發

本文來自:達梭系統SIMULIA 2017年使用者大會優秀論文

 

蔣玉齊畢耀坤殷磊

山特維克合銳中國研發中心

摘要:

傳統的粉末冶金,在成型時可能出現壓坯裂紋,而在燒結時經常會產生表面變形,這就給新產品開發帶來很大挑戰。本文用Abaqus實現了硬質合金粉末的成型與燒結的參數化模擬,可以快速地評估模具設計、工藝參數及不同的粉末牌號,預測成型開裂與燒結變形。本文還進行二次開發,加速了新產品開發。

關鍵字: 粉末冶金,硬質合金,粉末成型,燒結,模具設計,二次開發

粉末冶金是在壓力作用下將金屬或非金屬粉末製得一定形狀和尺寸的壓坯,並使其具有一定的密度和強度,然後通過高溫燒結緻密化變成具有最終物理機械性能的零件。粉末冶金技術有顯著節能、省材、高效、性能優異等一系列優點。硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物(如WC) 和黏結金屬 (如Co) 通過粉末冶金工藝製成的一種合金材料,其硬度高、耐磨性好、強度高和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等,因而廣泛用於各種切削刀具、模具(如金屬成型)、鑽具(油氣鑽探、挖掘、採礦等)以及各種關鍵部位的耐磨件、密封件等,能經受各種高溫、高壓、堅硬、磨削等極端工作條件,能使設備或產品的工作壽命、生產效率成倍或數十倍地提高。

粉末成型工藝應用最多的是模壓成型,分裝粉、壓制和脫模三個主要步驟。燒結則是一個高溫緻密化過程。在新產品開發階段,生產上一般採用試錯法,不斷調整模具設計和生產工藝,避免壓坯開裂和保證燒結體的變形符合產品標準,開發週期會很長。壓坯脫模時,由於壓坯密度不夠均勻以及壓坯的應力釋放產生的回彈,可能會產生裂紋。壓坯裂紋經常成為生產複雜形狀的零件的制約因素。因此如何預測、消除或者是控制壓坯裂紋被認為是一個硬質合金的優先研究課題。通過模壓成型獲得的壓坯,其壓坯密度分佈並不是均勻的,這會導致燒結收縮變形,其特點是燒結體的每個表面和尺寸都是可以變形的,例如平行度、平直度、半徑、角度、尺寸等與產品標準有誤差,這會增加後續的磨削加工難度和成本,而硬質合金本身就是硬度非常高又非常耐磨的材料。

硬質合金技術發展的一個趨勢是淨成型技術(near-net-shape)。這就需要能夠對硬質合金成型和燒結工藝進行數值模擬與評估(Hrairi,2011)。除了預測壓坯的密度分佈情況、可能會產生的壓坯裂紋,更要預測壓坯燒結後的變形大小與尺寸。這可幫助加深對壓坯和燒結變形的理解,降低新產品開發的成本。

硬質合金粉末在成型過程中的變形機理主要來自岩土力學(朱以文,2005),變形行為與壓力有關。其塑性行為主要有剪切流動與靜水壓力作用下的緻密化這兩個現象,可以用修正的Drucker-Prager/Cap模型來描述,表現為圖1的兩個屈服面。圖1中橫坐標為壓制過程中的靜水壓力,縱坐標為剪切應力。

 

圖1 修正的Dracker-Prager/Cap 模型

 

修正的Dracker-Prager/Cap模型主要有如下幾個參數,需要通過粉體測試來確定:

  • d -粉體的黏結力
  • β-粉體的摩擦角
  • R- 帽蓋的偏心係數。R=1時帽蓋是一個圓形。
  • Pb-引發緻密化過程的靜水壓力
  • EVP-與靜水壓力相對應的粉末體積應變,與成型密度有關

 

3.1  Abaqus對壓坯裂紋的預測

填充於模具中的硬質合金粉末,在上沖、下沖、中模等模具的作用下,粉體逐漸密實化。如圖2所示的一種鑽頭的壓坯,粉體在徑向的流動受到中模的約束,而在軸向受到上下沖的擠壓。當壓坯脫模時,需要防止壓坯的應力釋放而產生的回彈,尤其是在軸向的回彈可能會造成壓坯的裂紋。圖2顯示了該壓坯出現了兩個位置的裂紋,但都是周向,這說明與軸向的應力釋放有關的。同時注意到,這兩處裂紋位置很靠近,都在中模與下沖的結合處附近,這說明粉體在此位置的流動不是很順暢。

 

圖2 壓坯裂纹,共有兩個位置

 

圖3 壓坯的應力分布

 

在Abaqus有限元模擬模型中,粉末填充於模具之後就被處理為連續介質模型,材料模型採用修正的Drucker-Prager/Cap模型。由於關注重點為粉體,模具被設為剛體。通過模擬真實的模具尺寸、粉體成型工藝,獲得了壓坯成型後的應力分佈,如圖3所示,這是張應力分佈圖,其中應力較高的兩個位置正好與生產所觀察到的兩個裂紋位置相符合。利用有限元模擬,通過適當調整模具尺寸與成型工藝參數,壓坯的裂紋最後被消除。

 

3.2 Abaqus對燒結體變形的預測

對於客戶訂製的非標產品,在不採用模擬分析輔助設計的情況下,通常採用試錯法,即:根據客戶需求的某種產品設計,工程師首先要設計出相應的壓型模具和壓型工藝參數,然後製備模具,接著進行試生產。在壓型工藝,需要調整工藝參數甚至調整模具設計,儘量避免裂紋發生。但有的壓坯裂紋並不容易檢查出來,而是燒結之後才發現。另外燒結之後,燒結體的每個表面及尺寸通常會發生變形,而不是均勻收縮。最終,如果變形較大,模具設計可能需要修改以進行補償。如此不斷反復,直到成型過程沒有裂紋,並保證燒結變形儘量限制在可接受的範圍。這樣的新產品開發過程會非常長,難以滿足客戶的要求。

目前,在硬質合金成型與燒結的有限元模擬方面,相關參考文獻非常少。筆者利用Abaqus的Drucker-Prager/Cap模型,輔以必要的二次開發,成功地實現了成型與燒結工藝的數位化模擬。其中燒結類比需要以壓型後的密度分佈作為初始條件。圖3顯示Abaqus可以對壓坯的可能裂紋及其位置做出預測。同樣地,Abaqus也可以獲得壓坯成型之後的密度分佈,以及壓坯燒結之後各個部位的收縮變形與燒結後的尺寸(如圖4)。

 

圖4 切削刀片壓型後的壓坯密度分布(左)及燒結後的收缩變形(右)

 

圖4為一種切削刀片的成型與燒結結果,藍顏色表示該區域的成型密度相對較低(壓坯),或者燒結收縮幅度比較大(燒結體)。該刀片的產品要求底部是水平面的,生產發現如果壓坯的底部也是水準的話,燒結之後下底面會鼓出。後來對成型模具進行了補償修改,使壓坯下底面為凹面,經過燒結之後,下底面仍然鼓出來。本文使用Abaqus有限元分析對此成型與燒結過程進行了模擬。如圖5所示,有限元結果正確的反映了壓坯在燒結前後下底面的變形情況,即由燒結前的凹面變成了燒結後的凸面。燒結之後,下底面的不平直度模擬結果與測試結果非常吻合。也就是說,通過有限元分析,可以預測燒結體的表面變形情況(趨勢)、變形幅度、以及燒結體的各個尺寸。

 

圖5 刀片的底面在燒结前後的變形情况

 

利用強大的Python程式語言,可以實現從模具草圖、建模、賦予材料屬性、網格劃分、施加邊界條件與接觸、提交運算及結果後處理的完整過程模擬。其目的是根據客戶的產品需求,通過Python程式自動的參數類比設計出相應的壓型模具及生產工藝參數。客戶的產品尺寸及及壓型工藝也參數化了。這裡的參數化是更廣泛地描述意義上的參數化,可以進行多種特徵組合與大小調整,例如有無倒角,有無切邊,壓坯某個表面為鼓出、凹面或平面等,正壓還是反壓,而不僅僅是某個幾何特徵的大小是多少。在此基礎上,通過燒結變形預測,提出相應的模具補償,接著又可對補償模型進行成型與燒結類比,獲得新的預測結果。有限元類比就像一個黑箱,輸入產品尺寸,就能通過多次有限元模擬反覆運算,預測出所應當使用的模具設計和工藝參數,實現淨成形技術,大大減小燒結後的燒結體與產品尺寸要求之間的差異。

如下圖所示,利用此有限元模擬分析平臺,在新產品開發時,模擬分析可以在第一時間介入,在實際開模測試之前,評估客戶的產品設計及預測出相應的合理的模具設計與工藝,從而盡可能減少生產線上從設計到開模到生產線測試的反復測試錯週期,加速新產品開發。

圖6 將設計與有限元工藝模擬緊密结合,加速新產品開發

為了預測硬質合金粉末成型與燒結過程可能產生的裂紋與燒結變形,本文利用Abaqus有限元分析實現了粉末成型過程與燒結的數位化模擬,可以評估不同的模具設計與工藝參數,並在此基礎上進一步利用Python進行二次開發,實現了設計過程的自動化,大大減少了生產試錯過程,加速了新產品開發。

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參考文獻

1)  Hrairi, M., H. Chtourou, A. Gakwaya, etc, “Modelling powder compactionusing Finite Element Method and inverse optimization”, The InternationalJournal of Advanced Manufacturing, vol.56, pp.631-647, 2011

2)  朱以文,蔡元奇,徐晗,Abaqus與岩土工程分析. 中國圖書出版社, 2005

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版權聲明:

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作者聯繫方式: 蔣玉齊 博士  , yuqi_jiang@163.com

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關於達梭系统:

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Steve Tian

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