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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、時間和資源對程序和實(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)用使輥壓成為一個非常流行的壓力結(jié)塊的方法。輥動壓實(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)作為一個粉狀密度的功能（或應(yīng)力能）重要的設(shè)計(jì)因素將會是：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)用和時間的增加，尤其以比較高的體會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，它是第一個合成物允許預(yù)測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。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杰耐克的實(shí)驗(yàn)裝置。
在咬入?yún)^(qū)域中，一個非常單一化的物質(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)有相對滑動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
兩個等式被表明決定咬入角度，正如圖1所表明的一樣。第一個，以實(shí)線表現(xiàn)為X方向描述壓力傾斜度，假設(shè)滑動沿著輥輪表現(xiàn)發(fā)生的。當(dāng)滑動使壓實(shí)的材料和輥輪之間不發(fā)生的時候，傾斜度表現(xiàn)為第二個曲線，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以實(shí)線給出，從角到輥輪的中心軸線以虛線表示。
這一個模型是非常有用的，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)測操作像輥壓力量和輥壓轉(zhuǎn)力矩的參數(shù)基本價值的情況下，協(xié)議適度地對粒狀的材料表明對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)算之間而且測量值是比較大的（有時超過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)相差的時候，考慮單一化制造即是一個平板方法的模型技術(shù)被評估。
2. 2 基于平板法咬入角的分析
模型的這一個方法廣泛地用來預(yù)測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，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對稱的橢圓。
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)動之外當(dāng)對模型輸入?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)際的動機(jī)。Shima 和Yamada]也已經(jīng)出版了一個估計(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估。整個橋的應(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。
一個三輥輪的的壓力分配作為一個計(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），對于褐煤的壓實(shí)是非常吻合的。對于氯化鈉，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)時常是必需準(zhǔn)確的預(yù)測而且控制壓實(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。
兩個空間模型對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。這個標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)立率的模型以一系列的機(jī)械測試為基礎(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)表面被比作兩個區(qū)域：（1）與流動規(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)的位置以測定體積的塑料應(yīng)變的民展直接與相對密度有關(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)入初始階段相對密度為0.29。常用模型Drucker——Prager/cap用法是在對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。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)勢模態(tài)的時候。在一項(xiàng)多孔鋁的輥動碟子的較早FEM研究中，一個對稱的橢圓生產(chǎn)量場被采用表現(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)評估摩擦力系數(shù)在輥輪粉末接口和進(jìn)給壓力對基本的程序變數(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中的相對密度有關(guān)。
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