[发明专利]一种硬质合金致密化压制成形模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料成型领域模拟分析方法，具体涉及一种硬质合金致密化压制成形模拟方法。 

背景技术

自蔓延高温合成（SHS）技术研究应用一直是国际学术和产业界的研究热点之一，其可以用来制备多孔烧结材料，通过加压致密化制备高强度硬质合金，但对其加压致密化的成型过程模拟分析较少。 

发明内容

本发明的目的在于通过多孔烧结材料的建模到进入有限元软件进行模拟分析，提供了一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，对研究烧结多孔材料变形规律具有借鉴意义，通过整个加压致密化的模拟，研究烧结多孔材料变形区应力应变分布，最终得到其加压致密化的规律。 

本发明采用以下技术方案： 

一种硬质合金致密化压制成形模拟方法，其中，采用如下步骤：

步骤A，建立有限元模型：多孔烧结材料有限元模型在SOLIDWORKS软件中建立，通过圆柱状坯料实体模型与小球孔模型之间的布尔运算，得到烧结多孔材料的模型，通过通用的IGES格式，导入到有限元软件ANSYS中；

步骤B，切分模型：采用有限元软件中映射网格划分技术得到较为规则的网格形状，得到所需的坯料有限元模型；

步骤C，有限元模型建立后，在ANSYS首先建立接触对，将上下压模设置为刚性体，在ANSYS中用TARGE170和CONTA174单元来识别接触对，坯料具有轴对称性，建立四分之一模型即可，在有限元模型上设置对称边界条件Symmetry B.C，模拟整个坯料的压制变形规律：在有限元ANSYS环境中，下压模设置为刚性面，其自由度自动约束为零，上压模建立的刚性目标面通过PILOT控制节点来控制烧结多孔材料的下压量，整个目标面的力、力矩、转动及其位移都通过PILOT节点来表示；

步骤D，对下压模的上的所有节点约束Z向自由度为0，同时运用ANSYS的非线性接触分析，设置时间为10S，1个载荷步，22个载荷子步，打开非线性大变形选项，设置边界条件和载荷后，进行分析求解。

作为优选，多孔烧结材料的有限元模型数据为：密度 ，弹性模量，泊松比屈服极限，摩擦系数。 

作为优选，所述步骤D中，控制上压模的下压量分别为30%，40%，50%。 

作为优选，多孔烧结材料坯料模型为高径比为3/4。 

本发明的有益效果为： 

1、本发明将多孔烧结材料在各个下压量下的变形规律和变形区应力应变分布进行对比，得到各个下压量下坯料模型的变形程度和致密化程度，而随着下压量的增大，坯料的鼓形也越来越大，压坯内的小孔变形量也在增大，当下压量达到50%时，小孔的形变几乎达到最大值，此时孔隙最小，致密化效果也比压下量为30%和40%有了明显提高。

2、本发明通过对比多孔烧结材料和致密化无孔材料的加压变形规律，并通过拟合出多孔材料和致密化材料在相同下压量下的作用力曲线，比较分析得到单次下压量大，不同实验至相同下压量时需要作用力较小，对于多孔材料的压制过程，压制力较致密材料低，压制过程中会出现应力刚化效应现象。 

3、本发明所采用的有限元软件ANSYS采用基于更新的拉格朗日算法，比较耗费内存资源，当计算机配置比较高时，可以采用非线性分析中的PCG算法，加快计算速度，保证计算收敛。 

4、通过将CAD/CAE软件的有机结合，将三维软件的建模优势和有限元软件的模拟分析优势得到更好的发挥，进一步将CAD/CAE技术应用于材料成型的各个领域。 

具体实施方式：

本发明采用多孔材料为TC4（Ti-6Al-4V）碳化钛材料，通过在自蔓延烧结装置中烧结后得到初始非致密化坯料，烧结过后得到高为60mm,直径为80mm的坯料模型，该模型为非致密化多孔材料，致密化效果不明显。通过在三维软件SOLIDWORKS中建立坯料有限元模型，然后以IGES格式导入到有限元软件ANSYS中进行压制模拟。

具体工艺过程如下： 

材料特性：选用的硬质合金烧结母材料TC4在有限元性能参数如下所示：

表1压坯材料性能参数

首先将模型进行规则切分，然后采用映射网格划分技术将模型划分为规整的有限元模型。在进行有限元分析前，首先对材料模型进行必要的处理，从三维软件导入有限元软件中的模型存在一些缺陷，对模型进行布尔运算，将零散的模型整体化，将多余的线面删除，得到较为合理的有限元模型。