[发明专利]一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。通过等效粉末、多流体模型、优化流体出入口、细化网格模型、合理设定流体对相互作用，有效提高模拟过程的收敛性，克服粘结剂和粉末的密度差大、粘度差大、界面交互深度小等造成的计算易发散的难题，实现了喂料熔体充模流动过程的可视化，可以有效掌握粉末和粘结剂各自的速度、温度和粘度物理场分布等充模特性，优化粘结剂配方，确定临界粉末装载量，从而改善其PIM工艺。本发明可以用来考察充模过程中的气泡、塌陷等缺陷，分析偏析产生的根源及其影响因素，预测裂纹、气孔、熔接线等缺陷产生信息，为分析超细硬质合金PIM工艺条件和喂料性质、指导工艺参数和模具设计提供有用信息。

技术领域

本发明属于粉末冶金近净成形技术领域，特别涉及一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。

背景技术

超细晶WC-Co硬质合金，由于其高强度、高硬度和高耐磨性，广泛应用于工具、模具和耐磨零件，包括金属切削刀具、拉丝和冲压成形模具、密封环、喷嘴等许多领域。

超细硬质合金粉末注射成形(PIM)，不仅能获得高强度、高硬度和高耐磨的合金，而且能制备出复杂形状的近净成形制品，具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势。

粉末注射成形的充模过程是一个非牛顿流体的非等温、非定常的复杂流动，是一个包括固相的粉末颗粒、液相的粘结剂和模腔中气体的多相流动过程。由于超细WC/Co混合料存在颗粒团聚，振实密度仅为理论密度的25～40％；超细WC/Co喂料中仍存在粉末团聚颗粒，粘结剂包裹WC/Co颗粒不充分，喂料热稳定性低，粉末团聚使得超细喂料流动性降低幅度最高达到60％，生产过程难以有效地控制，试验研究成本高。随着计算机技术的发展，对于传统的模具生产中的反复调试和修正过程，数值模拟可以有效优化工艺参数，提高模具质量，降低生产成本。而目前，未见超细硬质合金注射成形充模过程数值模拟的相关报道。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)对台阶圆棒进行模型简化，设定充模入口与充模出口，建立台阶圆棒三维几何模型；

2)对步骤1)所述台阶圆棒三维几何模型进行网格划分，建立有限元模型；

3)对步骤2)所述有限元模型进行物理定义，根据现场超细硬质合金注射成形的操作环境以及在不影响计算准确性的情况下，对型腔中气液固多相流充模流动过程进行假设和简化，具体设定如下：

(a)定义多流相物质：分别命名WC/Co混合料、粘结剂混合物和空气为powder、binder和air，分别定义powder、binder和air各自的参数，包括热力学状态、摩尔质量、理论密度、比热、粘度、热传导系数；

(b)定义模拟类型：选择非稳态模拟，设定时间参数；

(c)定义多相流体域：为台阶圆棒创建域，定义流体模型及流体详细信息；

(d)定义边界条件：包括充模入口(inlet)、充模出口(outlet)和模壁(wall)的边界条件，分别给出具体边界条件；设定初始值，包括模腔内的温度、压力，模腔内powder、binder和air各自的速度及体积分数；

(e)设定求解控制：选择二价向后欧拉公式求解精度，物理变量包括粘度、压力、速度、温度、密度、热流、体积分数；

4)数值模拟计算：采用有限体积法进行求解，并通过残差和求解信息及时检查计算中存在的问题和/或查看求解的准确程度；

5)对收敛的模拟计算结果进行可视化分析，得到充模过程中powder、