机械蓄能式粉末高速压制成形设备研究
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摘要
高速压制技术是近年出现的粉末冶金新技术，具有短流程、低成本、高致密的优点。随着国内制造业特别是汽车、航空航天等产业的高速发展，市场对粉末冶金零件的需求和要求日益提高。高速压制技术凭借其在制备高性能粉末冶金材料方面的独到优势必将具有广阔的应用前景。目前，工业应用高速压制设备及其核心部件主要依赖进口，结构复杂、价格昂贵、维护和升级诸有不便，令高速压制技术及其成形设备未能在国内得到有效的运用和普及。研发一种具有自主知识产权的新型高速压制设备，可以有效降低高速压制技术及其设备的应用门槛，打破国外技术垄断，对于切实推广高速压制技术，提高我国高性能零件制造和新材料成形产业的技术水平具有重要的经济意义和现实意义。为此，本文针对新型粉末高速压制成形设备的设计理论、仿真分析方法、测试技术及试验研究开展了大量工作。
首先，综合分析了各种高速压制设备和装置的原理和特点，在此基础上提出了一种机械蓄能式粉末高速压制成形方法(Mechanical Energy Stored Type High VelocityCompaction, MEST-HVC)，推导了该方法的压制能量和压制速度数学模型。在此基础上制定了机械蓄能式粉末高速压制成形设备设计方法。在该设计方法指导下，结合实际应用设计完成了械蓄能式粉末高速压制试验机，规划该设备的工艺流程，分析了试验机的动态特性。
其次，为了检验试验机设计方案，根据各主流机械、液压专业仿真软件和虚拟仪器软件之间的接口特性，提出了一种改进的联合仿真分析方法。运用ADAMS、AMESim和LabVIEW建立了跨领域仿真环境的联合仿真平台。实现了仿真运行过程的交互控制和仿真结果的实时反馈。运用该平台对试验机的虚拟样机进行了机液联合仿真分析，验证了试验机的设计方案的合理性和科学性。
然后，针对试验机的测试和评估问题，研究了两种压制速度测量方法和一种压制能量的测试方法。研制了光电传感器测速装置并开发了相应的计算机数据处理软件。研究了将高速摄像仪用于压制速度测量分析的具体使用和设置方法。进行了铜柱镦粗法测量试验机打击能力的试验，提出用铜柱有用变形功作为试验机压制能力标定的依据。
最后，按照设计方案成功制作了试验机并进行了高速压制成形实验研究。通过316L不锈钢粉高速压制成形试验，证明试验机具有较好的成形能力。对纯铁粉进行了温粉高速压制正交实验，总结出了单个工艺参数对粉末成形密度的影响，以及每个工艺参数对粉末成形密度的影响重要程度，得到了特定工艺条件下的最优工艺参数；对高速摄像测速方法的测量结果进行了讨论；利用高速摄像所获数据计算了冲击锤最大压制力。用铜柱镦粗法测试了各弹簧变形量下的铜柱有用变形功，完成了试验机实际成形加工能力的标定，验证了机械蓄能式粉末高速压制成形设备的设计方法是可行的、实用的。
High velocity compaction (HVC) is a new powder metallurgy technology in recent years,with short process, low cost, high density advantages. With the rapid development of thedomestic manufacturing industries, especially the automotive, aerospace and other industries,market has increasing demand for powder metallurgy parts. HVC technology, with its uniqueadvantages in the preparation of high-performance powder metallurgy materials, will havebroad applications. Currently, commercial HVC equipment and its key components rely onimport, cost high and complex, maintenance and upgrade is difficult. Thus HVC and itsequipments for industrial applications is not effectively applied and popularized in domestic.A new invention of HVC machine is of great economic and realistic significant. It will helplower down the application cost of HVC, releave the reliance form importion. Also it helpsimprove the overall level of manufacturing ability of domestic material manufacturers. Forsuch purpose, the dissertation focus on the new type HVC equipment design and development,simulation and analysis method, measuring and testing techniques, the main subjects andconclusions are the following:
First，With a comprehensive analysis of all kinds of high velocity compaction devicescharacteristics, the Mechanical Energy Stored Type High Velocity Compaction(MEST-HVC)method is proposed. Based on the method, the compaction energy and speed mathematicalmodels are derived. Then, the MEST-HVC equipment design method is proposed. Under theguidance of MEST-HVC equipment design method, the MEST-HVC testing machine anddevice process flow is designed, then, the dynamic characteristics of the testing machine isanalyzed.
To evaluate the design proposal, an improved co-simulation analysis method has beenproposed by throughly analysis of data transmittion and interaction between mechanical,hydraulic simulation software and Virtual Instrument software. A co-simulation analysisplatform is built with ADAMS, AMESim and LabVIEW. On the platform, the simulationprocess can be manipulated and the results can be displayed in real time. Themechanical-hydraulic coupling simulation and analysis of testing machine is carried outwhich effectively verify the testing machine design.
For the purpose of evaluation and validation of the test machine, two compaction speedmeasurement methods and one compaction energy test method have been researched. Thespeed measuring device and the data processing software are developed. High-speed videocamera system set up and application for velocity measurement and analysis are studied. Carry out the testing machine compaction capacity experiment using copper cylinderupsetting method, and use the copper cylinder deformation work as the basis of testingmachine compaction capacity calibration.
Finally, successfully produced the test machine and conducted high velocity compactionexperiment study. Firstly, the316L stainless steel powder compaction experiment shows thatthe test machine has good forming performance. Secondly, carried out the orthogonalexperiment of the warm iron powder HVC, discuss at what extend each process parameteraffect green density, got the best process parameters under particular working condition.Result fetched by high speed camera is discuss. With those result, hammer maximumcompact force is calculated. Finally, measured the copper cylinder deformation work usingthe copper cylinder upsetting experiment under different spring elastic deformation, andcalibrated the test machine actual forming capacity.
首先，综合分析了各种高速压制设备和装置的原理和特点，在此基础上提出了一种机械蓄能式粉末高速压制成形方法(Mechanical Energy Stored Type High VelocityCompaction, MEST-HVC)，推导了该方法的压制能量和压制速度数学模型。在此基础上制定了机械蓄能式粉末高速压制成形设备设计方法。在该设计方法指导下，结合实际应用设计完成了械蓄能式粉末高速压制试验机，规划该设备的工艺流程，分析了试验机的动态特性。
其次，为了检验试验机设计方案，根据各主流机械、液压专业仿真软件和虚拟仪器软件之间的接口特性，提出了一种改进的联合仿真分析方法。运用ADAMS、AMESim和LabVIEW建立了跨领域仿真环境的联合仿真平台。实现了仿真运行过程的交互控制和仿真结果的实时反馈。运用该平台对试验机的虚拟样机进行了机液联合仿真分析，验证了试验机的设计方案的合理性和科学性。
然后，针对试验机的测试和评估问题，研究了两种压制速度测量方法和一种压制能量的测试方法。研制了光电传感器测速装置并开发了相应的计算机数据处理软件。研究了将高速摄像仪用于压制速度测量分析的具体使用和设置方法。进行了铜柱镦粗法测量试验机打击能力的试验，提出用铜柱有用变形功作为试验机压制能力标定的依据。
最后，按照设计方案成功制作了试验机并进行了高速压制成形实验研究。通过316L不锈钢粉高速压制成形试验，证明试验机具有较好的成形能力。对纯铁粉进行了温粉高速压制正交实验，总结出了单个工艺参数对粉末成形密度的影响，以及每个工艺参数对粉末成形密度的影响重要程度，得到了特定工艺条件下的最优工艺参数；对高速摄像测速方法的测量结果进行了讨论；利用高速摄像所获数据计算了冲击锤最大压制力。用铜柱镦粗法测试了各弹簧变形量下的铜柱有用变形功，完成了试验机实际成形加工能力的标定，验证了机械蓄能式粉末高速压制成形设备的设计方法是可行的、实用的。
High velocity compaction (HVC) is a new powder metallurgy technology in recent years,with short process, low cost, high density advantages. With the rapid development of thedomestic manufacturing industries, especially the automotive, aerospace and other industries,market has increasing demand for powder metallurgy parts. HVC technology, with its uniqueadvantages in the preparation of high-performance powder metallurgy materials, will havebroad applications. Currently, commercial HVC equipment and its key components rely onimport, cost high and complex, maintenance and upgrade is difficult. Thus HVC and itsequipments for industrial applications is not effectively applied and popularized in domestic.A new invention of HVC machine is of great economic and realistic significant. It will helplower down the application cost of HVC, releave the reliance form importion. Also it helpsimprove the overall level of manufacturing ability of domestic material manufacturers. Forsuch purpose, the dissertation focus on the new type HVC equipment design and development,simulation and analysis method, measuring and testing techniques, the main subjects andconclusions are the following:
First，With a comprehensive analysis of all kinds of high velocity compaction devicescharacteristics, the Mechanical Energy Stored Type High Velocity Compaction(MEST-HVC)method is proposed. Based on the method, the compaction energy and speed mathematicalmodels are derived. Then, the MEST-HVC equipment design method is proposed. Under theguidance of MEST-HVC equipment design method, the MEST-HVC testing machine anddevice process flow is designed, then, the dynamic characteristics of the testing machine isanalyzed.
To evaluate the design proposal, an improved co-simulation analysis method has beenproposed by throughly analysis of data transmittion and interaction between mechanical,hydraulic simulation software and Virtual Instrument software. A co-simulation analysisplatform is built with ADAMS, AMESim and LabVIEW. On the platform, the simulationprocess can be manipulated and the results can be displayed in real time. Themechanical-hydraulic coupling simulation and analysis of testing machine is carried outwhich effectively verify the testing machine design.
For the purpose of evaluation and validation of the test machine, two compaction speedmeasurement methods and one compaction energy test method have been researched. Thespeed measuring device and the data processing software are developed. High-speed videocamera system set up and application for velocity measurement and analysis are studied. Carry out the testing machine compaction capacity experiment using copper cylinderupsetting method, and use the copper cylinder deformation work as the basis of testingmachine compaction capacity calibration.
Finally, successfully produced the test machine and conducted high velocity compactionexperiment study. Firstly, the316L stainless steel powder compaction experiment shows thatthe test machine has good forming performance. Secondly, carried out the orthogonalexperiment of the warm iron powder HVC, discuss at what extend each process parameteraffect green density, got the best process parameters under particular working condition.Result fetched by high speed camera is discuss. With those result, hammer maximumcompact force is calculated. Finally, measured the copper cylinder deformation work usingthe copper cylinder upsetting experiment under different spring elastic deformation, andcalibrated the test machine actual forming capacity.
引文
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