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(duì)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(duì)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(gè)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(guò)固態(tài)了、擴(kuò)散的燒結(jié)階段，這個(gè)階段通常導(dǎo)致密集的組件。金屬注射成型過(guò)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(gè)兩相的流體流量的方法,可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(gè)分析是通過(guò)持續(xù)跟蹤一個(gè)基于彈粘類比的適當(dāng)?shù)臒Y(jié)模型來(lái)預(yù)測(cè)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(gè)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(gè)分析是通過(guò)對(duì)對(duì)一個(gè)使用多孔材料模型來(lái)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(jiǎn)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(duì)較新的處理技術(shù)，這在大量制造小型和錯(cuò)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(gè)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(gè)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(gè)最重要分別獲得相關(guān)綠色部分和最后部分的步驟。對(duì)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(lái)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(guò)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(cuò)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(cuò)誤的來(lái)兩個(gè)方法鐘提供一個(gè)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(dòng)注射過(guò)程中出現(xiàn)的4、5步驟展示一個(gè)兩相流模型。每個(gè)階段都有它自己的密度、速度場(chǎng)和體積分?jǐn)?shù)特征。在粉末和熱塑性聚合物之間有一個(gè)交互術(shù)語(yǔ)占論述這兩個(gè)階段之間的動(dòng)量交換。在我們的研究團(tuán)隊(duì)，一個(gè)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(gè)新改進(jìn)算法高效率明確解決兩相的不可壓縮流問(wèn)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(lái)預(yù)測(cè)最后的組件尺。【8.10】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(cè)試中得到肯定，并在燒結(jié)條件和膨脹法測(cè)試下進(jìn)行?！?1.12】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(lái)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?；诜抡娼Y(jié)果,預(yù)測(cè)最終的機(jī)械性能和機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)對(duì)316 L不銹鋼進(jìn)行調(diào)查來(lái)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(guò)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(gè)說(shuō)明均勻的原料在接下來(lái)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(guò)程。這個(gè)步驟包括對(duì)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(tái)22噸的注射機(jī)。熱脫脂是用來(lái)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(guò)程是在真空條件的一個(gè)爐中批處理進(jìn)行。對(duì)各種注射、脫脂、燒結(jié)處理進(jìn)行檢查，找出其對(duì)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(gè)指狀的蒸汽，維持進(jìn)入模腔的幾何形狀。學(xué)術(shù)上對(duì)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(duì)于傳統(tǒng)的噴射，
液體流動(dòng)蒸汽噴射到型腔壁上。然后倒流，最后形成一個(gè)充滿型腔的一個(gè)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(duì)于固相噴射，一個(gè)固體的指狀流蒸汽自己本身堆積而不是形成一個(gè)反向流動(dòng)。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(guò)程，見圖。2-14。然后，圖像處理軟件提供一個(gè)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(gè)目的，我們使用了不同的流道和長(zhǎng)度和不同尺寸的模具型腔。表1中描述了用注射參數(shù)來(lái)獲得部件。
圖2
316號(hào)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(gè)準(zhǔn)確的描述注射過(guò)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(hào)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(duì)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(guò)程的連續(xù)出現(xiàn)問(wèn)題。噴射是注射成型中加載聚合物的一個(gè)常見的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象時(shí)不好的，它會(huì)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(duì)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(gè)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?？涨幌掳氩糠值睦鋬霭?，這個(gè)細(xì)節(jié)還說(shuō)明利用回收的原料比原來(lái)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(shí)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(guò)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(guò)分割的車輪組件的輪廓密度。當(dāng)時(shí)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(shí)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(lái)正確設(shè)計(jì)脫脂過(guò)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(shí)【7】。然而,當(dāng)這個(gè)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(shí)，當(dāng)骨關(guān)節(jié)植入物在支持板上脫脂時(shí)，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(zhǎng)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(shí)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(gè)拉伸試驗(yàn)的測(cè)試，見圖5.試驗(yàn)分別平均取對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)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(cè)量。不能去除注塑和脫脂有關(guān)的缺陷。但會(huì)在燒結(jié)過(guò)程中這些缺陷被放大。舉個(gè)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(duì)金屬注射成形的注入階段進(jìn)行仿真。兩個(gè)不同階段的流動(dòng)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(dòng)而液體表述為粘結(jié)劑聚合物的流動(dòng)。兩個(gè)不同的流動(dòng)由通過(guò)動(dòng)量交換條件的n-s方程進(jìn)行闡述。在每個(gè)瞬時(shí)t,每個(gè)階段，模具型腔填充部分體積分?jǐn)?shù)用兩個(gè)變量_s和f來(lái)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(dòng)是描述為Vs和Vf兩個(gè)截然不同速度場(chǎng).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(chǎng)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(guò)程和在填充模腔的一部分對(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)：
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(píng)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(cè)量的隔離效果。
不可壓縮混合物相當(dāng)于每個(gè)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(gè)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(gè)階段的動(dòng)量守恒方程可以減少到兩個(gè)耦合的Stokes方程：
和
P代表在該混合物中的壓力場(chǎng)，ms和MF（ms=-Mf）術(shù)語(yǔ)代表之間的互動(dòng)效應(yīng)，兩個(gè)不同的階段的流量。這兩個(gè)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(gè)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(gè)階段的粘性模量。
3.2測(cè)定粘合劑和粉末粘性現(xiàn)象。
在金屬注射成形通過(guò)注射階段的建模
混合物理論必須解決兩個(gè)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(gè)階段之間的動(dòng)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(lái)衡量，一般采用毛細(xì)管流變測(cè)試。因此，為了提供雙相輸入的要求;仿真，一個(gè)特定的方法已經(jīng)被提出來(lái)確定粘性行為的每個(gè)階段，雙相的框架下建模[17,18]開展了對(duì)粘度測(cè)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(gè)耦合的斯托克斯問(wèn)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(guò)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(wú)效。作者的貢獻(xiàn)，包括開發(fā)顯式算法對(duì)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(gè)解決方案是在幾個(gè)部分的步驟進(jìn)行。大多數(shù)步驟在兩個(gè)不同的階段并行計(jì)算，除了這整個(gè)步驟需要評(píng)估模腔中的壓力場(chǎng)?；诨旌喜逯档脑?，兩個(gè)耦合Navier-Stokes方程在三個(gè)連續(xù)的步驟解決分別考慮粘性擴(kuò)散的影響，相互動(dòng)，和不可壓縮。新算法的程序在表2中進(jìn)行說(shuō)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(gè)階段對(duì)擴(kuò)散的影響;Ms和Mf為每個(gè)階段的總質(zhì)量矩陣;Fs和Ff為每個(gè)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(gè)試驗(yàn)的每個(gè)階段的速度場(chǎng);Vs和Vf代表第二次試驗(yàn)中每個(gè)階段的速度場(chǎng);Vsn + 1和Vfn + 1是每個(gè)階段考慮時(shí)間的最終速度場(chǎng)的結(jié)果;P代表混合壓力場(chǎng),一個(gè)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(chǎng)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(shí)間，tn + 1和tn;代n、f、n為每個(gè)階段即時(shí)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(gè)階段在即時(shí)預(yù)測(cè)的體積分?jǐn)?shù)tn + 1,n + 1和fn + 1代表每個(gè)階段的即時(shí)體積分?jǐn)?shù)tn,作為重要的結(jié)果的預(yù)測(cè),M是一個(gè)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(duì)兩相的注塑模擬內(nèi)部軟件FEAPIM?被開發(fā)出來(lái)。對(duì)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)和11241個(gè)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(gè)全局意義上Babuska-Brezzi條件【21】,插值函數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的要求是高于壓力場(chǎng)。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(gè)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理可宏觀模型可以在整個(gè)燒結(jié)階段和結(jié)束階段用來(lái)預(yù)測(cè)這個(gè)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(dòng)量和能量守恒方程8。模型主要的問(wèn)題包括燒結(jié)過(guò)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(guò)程決定。相關(guān)宏觀行為可以看作是蠕變變形，這個(gè)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(gè)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(lái)描述這個(gè)過(guò)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(gè)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(guò)程的壓力驅(qū)動(dòng)。彈性粘滯類比用來(lái)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(duì)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(gè)主要參數(shù),應(yīng)該正確地確定數(shù)值模擬的目的。無(wú)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(duì)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?kù)伯的蠕變模型和連續(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(lái)自316 l不銹鋼原料兩相的注入模擬
T是絕對(duì)溫度,G是晶粒尺寸,k是一個(gè)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(duì)晶界擴(kuò)散機(jī)制。下面的方程來(lái)描述行為的選擇晶粒生長(zhǎng)在燒結(jié)的316 l不銹鋼粉末【23】:
QG是活化能對(duì)晶粒生長(zhǎng)而B是一個(gè)材料系數(shù)。對(duì)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(duì)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(gè)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(cè)試確定參數(shù)與單軸粘度【25】。 在識(shí)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(lái)確定，A= k / ΩDb0。基于確定單軸粘度,在燒結(jié)的通過(guò)實(shí)驗(yàn)膨脹計(jì)收縮曲線來(lái)確定燒結(jié)應(yīng)力參數(shù)C進(jìn)入在式13 【11、25】。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程分為三個(gè)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(duì)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(shí)的方程式。（9）- （13）參數(shù)通過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)和2352個(gè)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(kù)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(guò)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(lái)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(duì)密度的顯示在表12。這個(gè)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(cè)量用來(lái)測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)最終的燒結(jié)零件不均勻收縮有重要影響。
5預(yù)測(cè)燒結(jié)零件的強(qiáng)度
5.1燒結(jié)后模型強(qiáng)度的評(píng)估。
對(duì)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(gè)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(duì)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(lái)評(píng)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(cè)。
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(gè)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(duì)應(yīng)316L不銹鋼【28】。常量α在表【14】設(shè)置為1.8。沒有時(shí)間限制不同溫度下燒結(jié)組件強(qiáng)度的預(yù)測(cè)用來(lái)和拉伸測(cè)試結(jié)果對(duì)比,如圖14。通過(guò)模擬得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線具有相同的趨勢(shì),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(cè)是基于一系列的經(jīng)驗(yàn)方程。另一方面, 每個(gè)最高燒結(jié)溫度拉伸測(cè)試實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)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(gè)測(cè)量值可以受許多隨機(jī)因素如孔隙度、缺陷及測(cè)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(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
6結(jié)論
金屬注射成型是一個(gè)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(huì)出現(xiàn)相關(guān)的處理缺陷。粉末分離是一個(gè)發(fā)生在金屬注射成形噴射過(guò)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(cè)了隔離缺陷是有效的。這個(gè)對(duì)燒結(jié)過(guò)程一體分析方法可以預(yù)測(cè)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(shí)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(cè)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?？梢栽u(píng)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。
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