【优秀论文】山特维克合锐：Abaqus在粉末冶金行业的应用与开发

蒋玉齐, 毕耀坤, 殷磊

山特维克合锐中国研发中心

粉末冶金是在压力作用下将金属或非金属粉末制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度，然后通过高温烧结致密化变成具有最终物理机械性能的零件。粉末冶金技术有显著节能、省材、高效、性能优异等一系列优点。硬质合金是由难熔金属的硬质化合物(如WC) 和粘结金属 (如Co) 通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，其硬度高、耐磨性好、强度高和韧性较好、耐热、耐腐蚀等，因而广泛用于各种切削刀具、模具（如金属成型）、钻具（油气钻探、挖掘、采矿等）以及各种关键部位的耐磨件、密封件等，能经受各种高温、高压、坚硬、磨削等极端工作条件，能使设备或产品的工作寿命、生产效率成倍或数十倍地提高。

粉末成型工艺应用最多的是模压成型，分装粉、压制和脱模三个主要步骤。烧结则是一个高温致密化过程。在新产品开发阶段，生产上一般采用试错法，不断调整模具设计和生产工艺，避免压坯开裂和保证烧结体的变形符合产品标准，开发周期会很长。压坯脱模时，由于压坯密度不够均匀以及压坯的应力释放产生的回弹，可能会产生裂纹。压坯裂纹经常成为生产复杂形状的零件的制约因素。因此如何预测、消除或者是控制压坯裂纹被认为是一个硬质合金的优先研究课题。通过模压成型获得的压坯，其压坯密度分布并不是均匀的，这会导致烧结收缩变形，其特点是烧结体的每个表面和尺寸都是可以变形的，例如平行度、平直度、半径、角度、尺寸等与产品标准有误差，这会增加后续的磨削加工难度和成本，而硬质合金本身就是硬度非常高又非常耐磨的材料。

硬质合金技术发展的一个趋势是净成型技术(near-net-shape)。这就需要能够对硬质合金成型和烧结工艺进行数值模拟与评估（Hrairi，2011）。除了预测压坯的密度分布情况、可能会产生的压坯裂纹，更要预测压坯烧结后的变形大小与尺寸。这可帮助加深对压坯和烧结变形的理解，降低新产品开发的成本。

硬质合金粉末在成型过程中的变形机理主要来自岩土力学(朱以文，2005)，变形行为与压力有关。其塑性行为主要有剪切流动与静水压力作用下的致密化这两个现象，可以用修正的Drucker-Prager/Cap模型来描述，表现为图1的两个屈服面。图1中横坐标为压制过程中的静水压力，纵坐标为剪切应力。

图1 修正的Dracker-Prager/Cap 模型

修正的Dracker-Prager/Cap模型主要有如下几个参数，需要通过粉体测试来确定：

• d -粉体的粘结力

• β-粉体的摩擦角

• R- 帽盖的偏心系数。R=1时帽盖是一个圆形。

• Pb-引发致密化过程的静水压力

• EVP-与静水压力相对应的粉末体积应变，与成型密度有关。

3.1  Abaqus对压坯裂纹的预测

填充于模具中的硬质合金粉末，在上冲、下冲、中模等模具的作用下，粉体逐渐密实化。如图2所示的一种钻头的压坯，粉体在径向的流动受到中模的约束，而在轴向受到上下冲的挤压。当压坯脱模时，需要防止压坯的应力释放而产生的回弹，尤其是在轴向的回弹可能会造成压坯的裂纹。图2显示了该压坯出现了两个位置的裂纹，但都是周向，这说明与轴向的应力释放有关的。同时注意到，这两处裂纹位置很靠近，都在中模与下冲的结合处附近，这说明粉体在此位置的流动不是很顺畅。

图2 压坯裂纹，共有两个位置

图3 压坯的应力分布

在Abaqus有限元仿真模型中，粉末填充于模具之后就被处理为连续介质模型，材料模型采用修正的Drucker-Prager/Cap模型。由于关注重点为粉体，模具被设为刚体。通过模拟真实的模具尺寸、粉体成型工艺，获得了压坯成型后的应力分布，如图3所示，这是张应力分布图，其中应力较高的两个位置正好与生产所观察到的两个裂纹位置相符合。利用有限元模拟，通过适当调整模具尺寸与成型工艺参数，压坯的裂纹最后被消除。

3.2 Abaqus对烧结体变形的预测

对于客户定制的非标产品，在不采用仿真分析辅助设计的情况下，通常采用试错法，即：根据客户需求的某种产品设计，工程师首先要设计出相应的压型模具和压型工艺参数，然后制备模具，接着进行试生产。在压型工艺，需要调整工艺参数甚至调整模具设计，尽量避免裂纹发生。但有的压坯裂纹并不容易检查出来，而是烧结之后才发现。另外烧结之后，烧结体的每个表面及尺寸通常会发生变形，而不是均匀收缩。最终，如果变形较大，模具设计可能需要修改以进行补偿。如此不断反复，直到成型过程没有裂纹，并保证烧结变形尽量限制在可接受的范围。这样的新产品开发过程会非常长，难以满足客户的要求。

目前，在硬质合金成型与烧结的有限元仿真方面，相关参考文献非常少。笔者利用Abaqus的Drucker-Prager/Cap模型，辅以必要的二次开发，成功地实现了成型与烧结工艺的数字化仿真。其中烧结模拟需要以压型后的密度分布作为初始条件。图3显示Abaqus可以对压坯的可能裂纹及其位置做出预测。同样地，Abaqus也可以获得压坯成型之后的密度分布，以及压坯烧结之后各个部位的收缩变形与烧结后的尺寸（如图4）。

图4 切削刀片压型后的压坯密度分布(左)及烧结后的收缩变形(右)

图4为一种切削刀片的成型与烧结结果，蓝颜色表示该区域的成型密度相对较低（压坯），或者烧结收缩幅度比较大（烧结体）。该刀片的产品要求底部是水平面的，生产发现如果压坯的底部也是水平的话，烧结之后下底面会鼓出。后来对成型模具进行了补偿修改，使压坯下底面为凹面，经过烧结之后，下底面仍然鼓出来。本文使用Abaqus有限元分析对此成型与烧结过程进行了模拟。如图5所示，有限元结果正确的反映了压坯在烧结前后下底面的变形情况，即由烧结前的凹面变成了烧结后的凸面。烧结之后，下底面的不平直度模拟结果与测试结果非常吻合。也就是说，通过有限元分析，可以预测烧结体的表面变形情况（趋势）、变形幅度、以及烧结体的各个尺寸。

图5 刀片的底面在烧结前后的变形情况

利用强大的Python程序语言，可以实现从模具草图、建模、赋予材料属性、网格划分、施加边界条件与接触、提交运算及结果后处理的完整过程模拟。其目的是根据客户的产品需求，通过Python程序自动的参数模拟设计出相应的压型模具及生产工艺参数。客户的产品尺寸及及压型工艺也参数化了。这里的参数化是更广泛的描述意义上的参数化，可以进行多种特征组合与大小调整，例如有无倒角，有无切边，压坯某个表面为鼓出、凹面或平面等，正压还是反压，而不仅仅是某个几何特征的大小是多少。在此基础上，通过烧结变形预测，提出相应的模具补偿，接着又可对补偿模型进行成型与烧结模拟，获得新的预测结果。有限元模拟就像一个黑箱，输入产品尺寸，就能通过多次有限元模拟迭代，预测出所应当使用的模具设计和工艺参数，实现净成形技术，大大减小烧结后的烧结体与产品尺寸要求之间的差异。

如下图所示，利用此有限元仿真分析平台，在新产品开发时，仿真分析可以在第一时间介入，在实际开模测试之前，评估客户的产品设计及预测出相应的合理的模具设计与工艺，从而尽可能减少生产线上从设计到开模到生产线测试的反复测试错周期，加速新产品开发。

图6 将设计与有限元工艺模拟紧密结合，加速新产品开发

为了预测硬质合金粉末成型与烧结过程可能产生的裂纹与烧结变形，本文利用Abaqus有限元分析实现了粉末成型过程与烧结的数字化模拟，可以评估不同的模具设计与工艺参数，并在此基础上进一步利用Python进行二次开发，实现了设计过程的自动化，大大减少了生产试错过程，加速了新产品开发。

参考文献

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与岩土工程分析. 中国图书出版社, 2005

THE END