[發(fā)明專利]一種超細硬質(zhì)合金臺階圓棒PIM充模過程的數(shù)值模擬方法

有效

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• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106709180B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝興鋮;曹瑞軍;林中坤;林晨光;李忠武
• 申請（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發(fā)明涉及一種超細硬質(zhì)合金臺階圓棒PIM充模過程的數(shù)值模擬方法。通過等效粉末、多流體模型、優(yōu)化流體出入口、細化網(wǎng)格模型、合理設(shè)定流體對相互作用，有效提高模擬過程的收斂性，克服粘結(jié)劑和粉末的密度差大、粘度差大、界面交互深度小等造成的計算易發(fā)散的難題，實現(xiàn)了喂料熔體充模流動過程的可視化，可以有效掌握粉末和粘結(jié)劑各自的速度、溫度和粘度物理場分布等充模特性，優(yōu)化粘結(jié)劑配方，確定臨界粉末裝載量，從而改善其PIM工藝。本發(fā)明可以用來考察充模過程中的氣泡、塌陷等缺陷，分析偏析產(chǎn)生的根源及其影響因素，預(yù)測裂紋、氣孔、熔接線等缺陷產(chǎn)生信息，為分析超細硬質(zhì)合金PIM工藝條件和喂料性質(zhì)、指導工藝參數(shù)和模具設(shè)計提供有用信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉末冶金近凈成形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細硬質(zhì)合金臺階圓棒PIM充模過程的數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

超細晶WC-Co硬質(zhì)合金，由于其高強度、高硬度和高耐磨性，廣泛應(yīng)用于工具、模具和耐磨零件，包括金屬切削刀具、拉絲和沖壓成形模具、密封環(huán)、噴嘴等許多領(lǐng)域。

超細硬質(zhì)合金粉末注射成形(PIM)，不僅能獲得高強度、高硬度和高耐磨的合金，而且能制備出復(fù)雜形狀的近凈成形制品，具有常規(guī)粉末冶金和機加工方法無法比擬的優(yōu)勢。

粉末注射成形的充模過程是一個非牛頓流體的非等溫、非定常的復(fù)雜流動，是一個包括固相的粉末顆粒、液相的粘結(jié)劑和模腔中氣體的多相流動過程。由于超細WC/Co混合料存在顆粒團聚，振實密度僅為理論密度的25～40％；超細WC/Co喂料中仍存在粉末團聚顆粒，粘結(jié)劑包裹WC/Co顆粒不充分，喂料熱穩(wěn)定性低，粉末團聚使得超細喂料流動性降低幅度最高達到60％，生產(chǎn)過程難以有效地控制，試驗研究成本高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對于傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)中的反復(fù)調(diào)試和修正過程，數(shù)值模擬可以有效優(yōu)化工藝參數(shù)，提高模具質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。而目前，未見超細硬質(zhì)合金注射成形充模過程數(shù)值模擬的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種超細硬質(zhì)合金臺階圓棒PIM充模過程的數(shù)值模擬方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種超細硬質(zhì)合金臺階圓棒PIM充模過程的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

1)對臺階圓棒進行模型簡化，設(shè)定充模入口與充模出口，建立臺階圓棒三維幾何模型；

2)對步驟1)所述臺階圓棒三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型；

3)對步驟2)所述有限元模型進行物理定義，根據(jù)現(xiàn)場超細硬質(zhì)合金注射成形的操作環(huán)境以及在不影響計算準確性的情況下，對型腔中氣液固多相流充模流動過程進行假設(shè)和簡化，具體設(shè)定如下：

(a)定義多流相物質(zhì)：分別命名WC/Co混合料、粘結(jié)劑混合物和空氣為powder、binder和air，分別定義powder、binder和air各自的參數(shù)，包括熱力學狀態(tài)、摩爾質(zhì)量、理論密度、比熱、粘度、熱傳導系數(shù)；

(b)定義模擬類型：選擇非穩(wěn)態(tài)模擬，設(shè)定時間參數(shù)；

(c)定義多相流體域：為臺階圓棒創(chuàng)建域，定義流體模型及流體詳細信息；

(d)定義邊界條件：包括充模入口(inlet)、充模出口(outlet)和模壁(wall)的邊界條件，分別給出具體邊界條件；設(shè)定初始值，包括模腔內(nèi)的溫度、壓力，模腔內(nèi)powder、binder和air各自的速度及體積分數(shù)；

(e)設(shè)定求解控制：選擇二價向后歐拉公式求解精度，物理變量包括粘度、壓力、速度、溫度、密度、熱流、體積分數(shù)；

4)數(shù)值模擬計算：采用有限體積法進行求解，并通過殘差和求解信息及時檢查計算中存在的問題和/或查看求解的準確程度；

5)對收斂的模擬計算結(jié)果進行可視化分析，得到充模過程中powder、