铜粉在不同压制条件下成形致密化的数值模拟及物理实验研究

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本文采用有限元(FEM)数值仿真方法研究铜粉在不同压制条件下模压成形的致密化过程,并对数值模拟结果进行了系统的分析和讨论,以研究不同结构的初始堆积铜粉(如自然堆积和施加机械振动)在不同压制条件下(如单次及循环模压)的致密化行为,主要包括铜粉在成形过程中的相对密度、颗粒流动、应力分布、弹性后效等变化规律,同时展开了相应的物理实验进行验证。所得的研究结果如下:  1.不同初始堆积结构铜粉在单次模压条件下的成形致密化行为  (1)自然堆积形成的低松装密度初始堆积铜粉在压制成形过程中容易出现裂纹、掉角等缺陷,而经过振动的铜粉在成形过程中密度分布较好。经过与物理实验结果比较分析,模拟结果与物理实验吻合。  (2)铜粉成形过程中受到模具壁摩擦的影响,在上端面边角小部分区域的相对密度最大,下端面底角区域相对密度最小,其他区域相对密度基本一样。  (3)在压制过程中,轴向位移在压坯高度从上往下呈梯度分布,且逐渐减小;由于模具壁摩擦的影响,同一高度的铜粉颗粒轴向位移也不相同,靠近模具壁的颗粒轴向位移有滞后现象。同样,在压制过程中,颗粒径向位移由相对密度较大区域向相对密度较小区域移动。  (4)铜粉在压制过程中,应力分布基本和相对密度分布一致。压制结束时压坯的等效Von Mises应力大致在630MPa左右。  (5)当压制压力为1000MPa的压坯卸载后,铜粉压坯产生的轴向弹性后效大于其径向弹性后效,其中中间产生的最大弹性后效为0.073%,压坯上端面最大轴向弹性后效为0.087%。  (6)数值仿真和物理实验得到的铜粉压坯相对密度与压制压力关系曲线模拟与黄培云的双对数方程进行验证拟合,拟合结果和模拟及物理实验值吻合较好。  2.高松装密度铜粉在循环压力载荷下的致密化  (1)铜粉压坯的相对密度随循环压力循环数的增加而增大,达到一定值后,随着循环数的增加压坯的相对密度保持不变;且压坯相对密度随着压幅的增加而增大。  (2)铜粉压坯在施加第一种循环压力载荷(Pmin=1000MPa保持不变)条件下,其等效Von Mises应力随着压制压力的增加而增大;且在同一压制压力下,施加循环压力载荷的压坯等效Von Mises应力低于施加单次压力载荷的压坯等效Von Mises应力。同时压坯的等效Von Mises应力随着压幅的增加而增大。  (3)铜粉压坯的弹性后效(包括径向弹性后效和轴向弹性后效)随着压制压力的增加而增大;在同一压制压力下,施加循环压力载荷的压坯弹性后效低于施加单次压力载荷的压坯弹性后效;压坯的弹性后效随着压幅的增加而增大;在相同压制条件下,轴向弹性后效大于径向弹性后效。  (4)在不同压制载荷下,铜粉的塑性变形都随着压制压力的增大而变大,铜粉颗粒由球形颗粒变为多面体,压制结束后的孔隙只存在于多面体的边角处。施加循环压力载荷的铜粉颗粒变形比较规则,基本上都是很规则的多面体结构,并且颗粒之间的孔隙分布比较均匀。说明施加循环压力载荷可以提高压坯的质量,有利于减少缺陷的出现。
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