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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第 8 頁
比較壓型粉在壓力機(jī)中的幾種成形方法
摘要 最近采用與進(jìn)給材料的基本特性有關(guān)的模型 ，輥壓設(shè)計(jì)以及操作參數(shù)得到了回顧。尤其，我們討論被J.R 約翰遜在19世紀(jì)60年代提出的粒狀固體的輥壓理論基礎(chǔ)以及較遲的試驗(yàn)利用平板方法而且嶄新發(fā)展了最后的元素模型。這些方法根據(jù)效率和準(zhǔn)確度被比較的，而且預(yù)測(cè)基本是預(yù)先設(shè)計(jì)的過程，強(qiáng)迫壓實(shí)，咬入角，中性，輥壓力矩和輥壓力量在吸入的分配。
因?yàn)樗銐虻年P(guān)于粉末成形的方式，幾何學(xué)和磨擦力情況，所以有限的元素方法提供了很多種方法。這使運(yùn)行現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)能夠?qū)①M(fèi)用、時(shí)間和資源對(duì)程序和實(shí)驗(yàn)儀器最佳化的需要減到最低。
關(guān)鍵詞：輥壓，模型方法，有限元模型
1 介紹
概念上的簡單和低的操作費(fèi)用使輥壓成為一個(gè)非常流行的壓力結(jié)塊的方法。輥動(dòng)壓實(shí)技術(shù)被用于礦產(chǎn)、冶金的、和化學(xué)的、食物和制藥產(chǎn)業(yè)的很多材料中。能有粒子大小擴(kuò)大的若干理由最重要的是改善物質(zhì)的儲(chǔ)藏，操作進(jìn)給或混合特性。在加熱操作方面，它也能改善熔化的效率，弄干或燃燒。
使緊密接合的輥壓操作是成功的，當(dāng)它按照協(xié)定以規(guī)則的和所需機(jī)械（或其它特性）以特定的生產(chǎn)率和單位費(fèi)用需要了機(jī)械的（或其它的）特性。它依賴于粉末的適當(dāng) 相配性質(zhì)；以及一起處理的設(shè)計(jì)和操作參數(shù)。
主要的進(jìn)給材料的性質(zhì)被認(rèn)為是應(yīng)變關(guān)系和磨擦系數(shù)作為一個(gè)粉狀密度的功能（或應(yīng)力能）重要的設(shè)計(jì)因素將會(huì)是：進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，輥壓直徑和輥壓的幾何表面。主要的操作參數(shù)將被設(shè)置的是：輥壓速度、輥壓縫隙、輥壓轉(zhuǎn)力矩、輥壓力量、送料和除氣裝置的情況。
現(xiàn)在的工業(yè)壓實(shí)和固化的操作主要是基于反應(yīng)試驗(yàn)的技術(shù)。使用一個(gè)如此方式達(dá)成最適宜的程序的表現(xiàn)是可能的，不過它造成操作費(fèi)用和時(shí)間的增加，尤其以比較高的體會(huì)材料和要求比較多的質(zhì)量需求。
其它可能的方式是使用數(shù)學(xué)的模型提供必需的數(shù)據(jù)給適當(dāng)?shù)膬x器和程序設(shè)計(jì)。盡管它明顯顯得簡單，在壓力機(jī)械中粉末壓實(shí)展現(xiàn)一些行為和不充分地從分析的視野被了解的交互作用。將會(huì)允許粉末壓實(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬并且允許這些結(jié)果的適當(dāng)使看得見的數(shù)學(xué)模型能透過程序允許程序工程師得到比較好的理解，從而對(duì)它有比較好的設(shè)計(jì)和控制。
這一論文的目的是根據(jù)預(yù)測(cè)基本程序變數(shù)的過程效率和準(zhǔn)確性檢討現(xiàn)有的模型而且比較他們。只在三個(gè)在最近幾十年被發(fā)展的模型而且想最好地被適合因?yàn)樵谳亯浩陂g預(yù)測(cè)粒狀材料的機(jī)械行為被考慮。
2 在輥壓機(jī)中的壓實(shí)輥壓模型
2．1 J.R 約翰遜提出的模型
在19世紀(jì)60年代中期發(fā)展，它是第一個(gè)合成物允許預(yù)測(cè)遭受在輥輪之間的連續(xù)輥壓材料行為的模型。這種材料被假設(shè)成是各同向性、摩擦力、前后一貫性以及凝聚性，這種材料服從有效的生產(chǎn)量功能。
在咬入?yún)^(qū)域上面的壓力分配被決定基于連續(xù)的平面應(yīng)力的畸變假設(shè)沿著輥壓表面的滑動(dòng)。下列輸入數(shù)據(jù)是需要的：內(nèi)在摩擦的有效角度和內(nèi)壁摩擦的角度。兩者都能被決定使用一個(gè)杰耐克的實(shí)驗(yàn)裝置。
在咬入?yún)^(qū)域中，一個(gè)非常單一化的物質(zhì)模型被應(yīng)用它被假設(shè)是在咬入?yún)^(qū)，材料和輥壓表面之間設(shè)有相對(duì)滑動(dòng)并且所有材料都處于咬入角位置的輥輪間，這些又必須進(jìn)入和輥輪結(jié)果壓力縫隙相等的寬度長條之內(nèi) 被壓縮。結(jié)果，壓力通過用穿孔系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)得到的壓力----密度關(guān)系被描述。
圖1.輥壓中垂直壓力的傾斜度與角度的位置
兩個(gè)等式被表明決定咬入角度，正如圖1所表明的一樣。第一個(gè)，以實(shí)線表現(xiàn)為X方向描述壓力傾斜度，假設(shè)滑動(dòng)沿著輥輪表現(xiàn)發(fā)生的。當(dāng)滑動(dòng)使壓實(shí)的材料和輥輪之間不發(fā)生的時(shí)候，傾斜度表現(xiàn)為第二個(gè)曲線，用圖1中的虛線所表示，基于在參考文獻(xiàn)[2]中的調(diào)查，它確立出兩個(gè)曲線的交點(diǎn)處的即為咬入角。真實(shí)壓力的傾斜度高于時(shí)以實(shí)線給出，從角到輥輪的中心軸線以虛線表示。
這一個(gè)模型是非常有用的，為決定以重力為送料的輥壓中的咬入角度。當(dāng)適用于大的直徑（超過500毫米）的平滑輥輪被用的情形時(shí)候，它給出了適合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)孔侵入輥輪表面的時(shí)候，相差是非常高的，單一化假定的結(jié)果，由于輥輪孔的存在，輥輪直徑被削減了。
在預(yù)測(cè)操作像輥壓力量和輥壓轉(zhuǎn)力矩的參數(shù)基本價(jià)值的情況下，協(xié)議適度地對(duì)粒狀的材料表明對(duì)輥輪表面和壓縮性常數(shù)的中間和高摩擦系數(shù)，相差的計(jì)算之間而且測(cè)量值是比較大的（有時(shí)超過50%），當(dāng)較高的壓實(shí)壓力（超過100MPa）是被應(yīng)用的，而且材料是非常易壓縮的。
盡管它的限制，應(yīng)該指出它是允許工程師分析在基本的程序變數(shù)和粒狀的材料特性之間的相互關(guān)系的第一個(gè)模型。它強(qiáng)調(diào)缺乏了解壓實(shí)機(jī)可能導(dǎo)致程序和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)將不能生產(chǎn)出所需特性的產(chǎn)品。
當(dāng)粉末模型行為在咬入?yún)^(qū)域中負(fù)責(zé)有真正的系統(tǒng)相差的時(shí)候，考慮單一化制造即是一個(gè)平板方法的模型技術(shù)被評(píng)估。
2. 2 基于平板法咬入角的分析
模型的這一個(gè)方法廣泛地用來預(yù)測(cè)壓力分配和輥壓在金屬輥壓中單獨(dú)的輥壓力。當(dāng)他們通過輥輪時(shí)，類似于約翰遜的模型，平面區(qū)段被假定保持平面被首先用于金屬粉末輥壓的分析。然而，生產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于完全密集的金屬被用于那些最初的研究。
在下面呈現(xiàn)的分析中，為了進(jìn)一步發(fā)展材料模型被Kuhn和Downey提出的金屬粉末生產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)的觀念采納了。
在輥輪下面的變形區(qū)被區(qū)分為如圖2所示的梯形平板。在平板上的力量平衡為X方向造成平衡相等而且被表示成：
在等式（1）中摩擦力被表示成：
哪里：1（p）是摩擦系數(shù)如一個(gè)在環(huán)形摩擦裝置中被決定的正常的壓力功能，參考文獻(xiàn)中介紹。
圖2.輥壓咬入?yún)^(qū)元素的臨界壓力
先前提到了材料模型，以及假設(shè)在x、y方向的理論臨時(shí)壓力，下列的等式被獲得：
哪里：rp=p,m(p)=塑性的“蒲松氏比”，Y（p）=產(chǎn)生作為一個(gè)函數(shù)密度的壓力。m(p)和Y（p）的函數(shù)在特別的工具一鋼模中被運(yùn)行的壓縮測(cè)試被決定。等式的函數(shù)形如（4），表現(xiàn)壓力和相等的壓力頰比較的是一個(gè)對(duì)稱的橢圓。
咬入角度的數(shù)值從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和最初的壓力條件和假定的密度，中性平面位置也是決定于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從壓縮測(cè)試數(shù)據(jù)中每一步所計(jì)算的壓實(shí)物質(zhì)的密度被確定。
在進(jìn)入壓力區(qū)的假設(shè)條件下，計(jì)算過程是重復(fù)的，直到使板的集中壓實(shí)密度被達(dá)到。慣用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量咬入角的值，而且和輸出密度的被迫相配將模型的預(yù)言性能力減到最少。然而，這樣與實(shí)驗(yàn)式的觀察相適合的輥輪壓力和轉(zhuǎn)力矩能被達(dá)成。在一項(xiàng)相似的平板分析中[7，8]除了中性角的用法按某一角度轉(zhuǎn)動(dòng)之外當(dāng)對(duì)模型輸入?yún)?shù)。一特別形式的摩擦系數(shù)被采用，以使它的中性角度變?yōu)榱?。為如此的假定沒有實(shí)際的動(dòng)機(jī)。Shima 和Yamada]也已經(jīng)出版了一個(gè)估計(jì)粉狀旋轉(zhuǎn)的速度 ，應(yīng)變和壓力區(qū)域的能量減到最小限度的方法，由另一個(gè)平板方法的類似假
定（平面段保持平面而且嚙合角度被假定成對(duì)于問題的給定輸入）。
圖3.輥壓過程中輥距的計(jì)算和試驗(yàn)記錄值的比較
通過有指導(dǎo)的壓力實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室里用直徑305毫米輥輪的壓具使模型的有效性重新評(píng)估。整個(gè)橋的應(yīng)變和12.4毫米的直徑轉(zhuǎn)向器的橫隔板作為在輥輪表面方面的壓力記錄。壓具也是裝備一個(gè)壓力轉(zhuǎn)換器以使記錄關(guān)于壓力曲線決定輥輪中心的位置線是可能的。
一個(gè)三輥輪的的壓力分配作為一個(gè)計(jì)算結(jié)果的例子，以及實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)值在圖3 中表明。
圖3 （A），對(duì)于褐煤的壓實(shí)是非常吻合的。對(duì)于氯化鈉，較大的差異可以用壓力轉(zhuǎn)換器記錄的材料的滑動(dòng)摩擦行為來解釋（看圖3 B中的壓力曲線的拐點(diǎn)）。
圖3表明了用實(shí)驗(yàn)方法得到的兩種情況的最佳吻合。七種不同的粒狀在那些研究期間被分析從最初的地方這一個(gè)區(qū)段決定被提到的物質(zhì)模型的有效性。一般的結(jié)論是由于一個(gè)真正的系統(tǒng)全部的相差是明顯的，而不是一致（在五種情況中計(jì)算值較實(shí)驗(yàn)記錄值大，然而有另外 兩種情況中，他們又能是比較小的）。
就如它被表明的，模型到現(xiàn)在為止呈現(xiàn)提供唯一的有限制的關(guān)于壓力分配和輥壓的變形。為了要產(chǎn)生一個(gè)完整的信息在壓力類型上，以及材料通過輥壓是需要先進(jìn)的有限元模型的。如此的數(shù)據(jù)時(shí)常是必需準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)而且控制壓實(shí)的產(chǎn)品的性能。
2. 3 輥壓過程的有限元素分析
以有限元為基礎(chǔ)的模型最近已經(jīng)用來分析在壓實(shí)過程中粉末的成型和壓力的均衡性。在這一個(gè)區(qū)段中，有限的元素技術(shù)的使用分析粉的壓實(shí)在液壓中被討論，包括有限的元素模型，輸入數(shù)據(jù)（幾何學(xué)，材料和摩擦模型的載入）和結(jié)果的簡短描述。
兩個(gè)空間模型對(duì)于輥壓過程以及商業(yè)化的ABAQUS有限元素密碼得到民展。一個(gè)100毫米的直徑的輥輪被表現(xiàn)成堅(jiān)硬的元素，然而給粉的物質(zhì)網(wǎng)孔和減少的整合（CPE4R）的80*12平面——應(yīng)變的連續(xù)性被包含。輥輪和網(wǎng)孔物質(zhì)的位置被規(guī)定成2mm的的縫隙高度，網(wǎng)孔物質(zhì)的進(jìn)入角被定為大約18度。
一個(gè)與壓力大小有關(guān)的可塑性模型（改良的模型）為粉末作為構(gòu)成的模型。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)立率的模型以一系列的機(jī)械測(cè)試為基礎(chǔ)。正好相反的壓實(shí)、簡單的壓實(shí)、以及在鋼模中的壓實(shí)在相對(duì)密度（RD）為0.73、0.89和0.93的微晶纖維素產(chǎn)生的表面常用，在圖4 中給出的類似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?
生產(chǎn)表面被比作兩個(gè)區(qū)域：（1）與流動(dòng)規(guī)則相關(guān)的端區(qū)被假設(shè)（2）Drucker——Prager表述不到的表面被假設(shè)是與流動(dòng)規(guī)則無關(guān)的。一條硬性的規(guī)則也被用于端區(qū)的位置以測(cè)定體積的塑料應(yīng)變的民展直接與相對(duì)密度有關(guān)。盡管結(jié)果用比較的密度指出結(jié)合和粉末增加的力量，但是它被模擬成簡單的假設(shè)的結(jié)果是零。內(nèi)在的摩擦力角度被估計(jì)成65度，這是以測(cè)量為基礎(chǔ)的圖形的頂端和產(chǎn)生的壓力被估計(jì)基于有聯(lián)合流程和一鋼模的理想硬的假定壓實(shí)的分析。在進(jìn)入初始階段相對(duì)密度為0.29。常用模型Drucker——Prager/cap用法是在對(duì)稱橢圓的用法上的進(jìn)步而且生產(chǎn)量被用于早先的平板方法的現(xiàn)場(chǎng)。后者過高的估計(jì)了材料的輥壓力，當(dāng)剪切是應(yīng)變中占優(yōu)勢(shì)模態(tài)的時(shí)候。在一項(xiàng)多孔鋁的輥動(dòng)碟子的較早FEM研究中，一個(gè)對(duì)稱的橢圓生產(chǎn)量場(chǎng)被采用表現(xiàn)為高密度（>95%）多孔的金屬行為。
圖4.改良過的Drucker-Prager/cap所產(chǎn)生的表面適合于在模擬中的粉的模型（相對(duì)密度（RD）0.73，0.89和0.93）
表1類似的結(jié)果
基于寬度方向上的一個(gè)單位長度，即1mm.
輥輪材料的摩擦被假定按照庫侖摩擦定律用持續(xù)的摩擦力系數(shù)。進(jìn)料系統(tǒng)的影響顯現(xiàn)了出來 ，通過連續(xù)不斷的送料拉力被用到了網(wǎng)孔材料的輥壓方向上。
為了在開始的暗示拉格朗日函數(shù)模擬方面被觀察的嚴(yán)格的網(wǎng)孔扭曲發(fā)表論文，拉格朗日的分析以適合的網(wǎng)孔物質(zhì)的有限元素密碼的采用，輥輪與網(wǎng)孔物質(zhì)的質(zhì)量與密度被最佳化為這個(gè)類似于靜電毀壞毀壞問題將不活潑的效果減到最少并且將計(jì)算的時(shí)間減到最少。奧伊勒流入和流出邊界被采用，模擬被引導(dǎo)，直到基于輥壓力的輥壓轉(zhuǎn)力矩的持續(xù)值被達(dá)到穩(wěn)定的條件。
模擬被引導(dǎo)評(píng)估摩擦力系數(shù)在輥輪粉末接口和進(jìn)給壓力對(duì)基本的程序變數(shù)的效果：輥壓力量，輥壓轉(zhuǎn)力矩，咬入角度和中性角度。咬入角度被定義為輥壓的角度值在輥輪表面的線速度和相關(guān)材料（沒有滑）的速度相等，如摩擦力剪切在表面顛倒方向上強(qiáng)調(diào)的角度是中性角度。在這些值與出現(xiàn)在表1中的相對(duì)密度有關(guān)。
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