现代制造工程2010年第8期设备设计/诊断维修/再制造
多场耦合下粉末成型固结设备结构设计
吴丽贞，李小强，邱诚，邵明
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640）
*
摘要：为了满足多场耦合下粉末成型固结技术的需求，对多场耦合下粉末成型固结设备进行总体结构设计。该设备耦合加温、放电和放磁等多个功能，结构简单紧凑，提供多种压制方式供选择，可实现真空环境下的多件连续生产，具了加压、
有较高的灵活性和生产效率。对设备的关键部件机身进行了结构设计，并用有限元分析方法进行静力分析，得出在不同验证了机身结构强度、刚度的合理性。的工况下机身的变形受力情况，关键词：场耦合；装备设计；有限元分析中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1671—3133（2010）08—0132—04
Structuraldesignofpowderformingandconsiderationequipmentinmultiplecoupledfields
WULi-zhen，LIXiao-qiang，QIUCheng，SHAOMing
（SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityof
Technology，Guangzhou510640，China）
Abstract：Inordertomeettheneedsofthenewpowdermetallurgytechnology，powderformingandconsolidationinmultiplecou-pledfields，anoverallstructuraldesignfortheequipmentofpowderformingandconsiderationinmultiplecoupledfieldsiscarriedout．Thisequipmentintegratesmanyfunctions，likeprovidespressure，warm，magneticandelectricfields．Thestructureissimpleandcompact．Theequipmentcanprovidethreecompactingmethodsandallowsmultiplesequentialproducingundervacuumenvi-ronment．Itisagileandefficiency．Themainframeisdesignedandanalyzedusingfiniteelementmethodtoprovethatthestrengthandstiffnessarereasonable．Thestressandstrainofthemainframeunderdifferentconditionswasobtained．Keywords：fieldcoupling；equipmentdesign；finiteelementanalysis
近十几年来在粉末冶金新材料新工艺不断涌现
在传统的粉末成型与烧结方法所固有的内的背景下，
场下，耦合其他物理场，相继发展了一系列多场耦合
［1-3］，作用下的粉末成型与烧结新方法如：力、温度两磁、力两场耦合的温压成型技术（warmcompaction），
场耦合的动磁压制成型技术（DynamicMagneticCom-paction，DMC），强电场、温度场和应力场耦合的放电
SPS）。多场等离子烧结方法（SparkPlasmaSintering，
耦合作用下的粉末成型固结制备技术是指：外加强电
场、强磁场、应力场和温度场等多个物理场，以及传统粉末成型与烧结方法所固有的内场，耦合进行成型与烧结；或者在多场耦合作用下采用非传统的方法对粉末进行成型与烧结
［1］
集粉末成型与烧结于一体，通过耦合电场来实现粉末
耦合磁场可改善烧结时的冶金零件的快速烧结致密，
粉末体横向截面上温度分布不均。该技术的成功应
用将提升粉末冶金行业的技术水平及生产效率，生产高可靠性和长寿命的精密零件。我国在粉出高性能、
末制备与成型技术方面取得了很好的发展，但在相应特别是致密化烧结装备方面与国外还有一定的装备，差距，研制高性能、高精度的多场耦合下粉末成型固结设备对粉末制备与成型技术的研究及发展具有重要意义。
1设备的总体结构设计
。该技术可用于制造现有技术
难制备的粉末冶金零件或提高零件的性能。该技术
*
多场耦合烧结的主要工艺流程与SPS工艺相似，共分为四个阶段：1）向粉末样品施加初始压力，使粉
国家973重点基础研究计划专项课题资助项目（2007CB616905）；国家863高技术研究发展计划项目（2007AA03Z112）
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末颗粒之间充分接触，以便随后能够在粉末样品内产生均匀且充分的放电等离子；2）施加脉冲电流，在脉冲电流的作用下，粉末颗粒接触点产生放电等离子，颗粒表面由于活化产生微放热现象，同时在感应线圈中通入高脉冲电流形成感应磁场，模具及粉末外围形成感应电流，产生集肤效应；3）关闭脉冲电源，对样品直至达到预定的烧结温度并且样品收进行电阻加热，
缩完全为止；4）卸压。
在工艺过程中电流、电压、压力曲线及其组合方式可根据烧结需求而有所不同。
实现多场耦合烧结工艺，要求设备具备如下功能：准确的加力和位移控制，精确的加温保温功能，可可产生恒定、交变和脉冲提供方波脉冲和恒流电流，三种磁场，电和磁场必须能够精确地控制，同时，试验装置还要有包括记录试验数据等辅助功能。
多场耦合下粉末成型固结设备主要由三个功能系统组成：加压系统，冲、退磁系统，温度场及电场发生系统，多场耦合下粉末成型固结设备原理图如图1所示。另外，该设备还包括其他辅助系统如真空系统、控制系统等。
现代制造工程2010年第8期
多场耦合下粉末成型固结设备的结构如图2所
示。该设备采用整体框架式结构，可分为主体框架和模架两大部分。主体框架上装有前、后、左、右四个门，形成真空室。模架置于真空室内，实行受力件和导向件分离，让导柱专用于导向，以提高成型精度。上、下模板上装有放电电极及导电冲头，工作台上装下模板和移动工作台有绕着感应线圈的阴模台。上、均由独立的油缸驱动，保证上、下模板及工作台能够独立运动，因此可以实现单向、双向和浮动三种压制方法。工作台有效面积为660mm×660mm，两侧可进行真空操作，可实现真空环境下的连续压制烧结，有较高的生产效率。
图2
图1
多场耦合下粉末成型固结设备原理图
多场耦合下粉末成型固结设备的结构
1.上压紧缸2.机架体3.上模板4.真空室门5.阴模座6.工作台7.下模板8.浮动缸9.支架10.下压紧缸
加压系统是在传统的粉末冶金压制设备的基础上进行设计的，公称压力为1000kN，选用液压驱动。磁场通过线圈通电来实现，控制线圈中通过电流的波形来控制磁场的波形，通过控制电流的大小来控制场强的大小。采用水冷电极冲头来施加电场及温度场。往水冷电极冲头通入高密度方波直流脉冲电流，能够在粉末烧结过程中形成强烈的放电并产生等离子，通入恒流电流能实现对粉末的快速加热烧结。
2机身框架结构设计及有限元分析
机身是设备的主要受力部件，其强度和刚度影响设备最终的成型精度。多场耦合下粉末固结成型设备的机身是整台设备的基础部件，承受着工作载荷等作用，其结构见图3，它由上横梁、底座和左右四个支柱组成。机身框架采用整体焊接结构，此结构加工工艺性较好，容易保证加工精度。上横梁上安装有上压
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现代制造工程2010年第8期紧缸，以驱动上模冲。底座上装有下压紧缸和浮动缸，分别用于驱动下模冲和工作台。机身左右四个支柱上装有四个门，形成真空腔体。机身的总体尺寸为860mm×1380mm×2922mm。
机身的应力、应变计算与分析是本设备设计的重要一环。为此，用Pro/E对其进行建模，对不影响静力
分析的细部结构进行适当
将简化后的机身几图3多场耦合下粉末成型固的简化，
设备设计/诊断维修/再制造
不大。这是因为最大应力主要集中在上横梁与上压
紧缸的接触部位，而三种工况下的工作载荷对上横梁Mises应力的影响基本相同。单向压制时的最大von-Mises等等效应力为105.48MPa，双向压制的最大von-效应力为105.53MPa，浮动压制的最大von-Mises等效
结设备机身框架结构
何模型导入ANSYSWork-bench集成仿真平台中，进行应力、应变计算分析。2.1有限元模型的建立
F。相关材料参数：机身的材料为结构钢Q235A-5
弹性模量E=2.08×10MPa，泊松比μ=0.277，密度
－63ρ=7.86×10kg/mm，屈服极限σs=235MPa。由于
其网格采取自动划分的机身实体模型并不是特别复杂，
图4Mises等效应力分布云图单向压制时机身框架的von-
21768个单元。方式。划分结果为：44031个节点，
2.2约束和载荷
边界约束为底部固定。载荷的施加需要根据实际工作条件并进行合理的简化来确定。施加在上、下横梁的最大工作载荷为1000kN，施加在移动工作台上的最大载荷为200kN。上横梁受力有效面积为15094mm2，则上横梁在受力面受66.25MPa的拉应力。因本设备可以有单向压制、双向压制和浮动压制三种压制方法，下横梁的受力情况根据所选压制方法的不同而不同。单向压制时下横梁在装限位块的位置受22.52MPa的压应力；双向压制时下横梁在连接下缸的法兰处受66.25MPa的拉应力。浮动压制时下横梁除了在装限位块的位置受22.52MPa的压应力外，在连接浮动缸的法兰处还受到53.66MPa的拉应力。系统中的其他力，如抽真空时的外压为0.1MPa、机身的自重和模架及油缸等的重力相对于工作载荷而言其对机身变形及应力的影响可以忽略不计。2.3
运算结果与分析
Mises通过计算，得到不同工况下的机身框架von-图5
Mises等效应力分布云图双向压制时机身框架的von-
等效应力分布云图如图4～图6所示，模型受力时的
位移云图如图7～图9所示。
从以上结果可以看到在单向压制、双向压制和浮动压制三种工况下，机身框架最大受力和变形差别并134图6
Mises等效应力分布云图浮动压制时机身框架的von-
设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2010年第8期
单向压制为0.55321mm，双向压制为0.54991mm，浮动压制为0.54154mm，变形量均较小，对压坯尺寸精度的影响可以通过控制模架系统的运动来补偿，且变形量小不足以影响零件自身的刚度。
3结语
本文从多场耦合烧结工艺要求出发，对多场耦合下粉末固结成型设备进行总体结构设计。该设备结构简单紧凑，可实现多种功能的耦合。上、下模冲及移动工作台由独立动力源控制，可提供单向、双向和
图7
单向压制时机身框架的变形云图
浮动三种压制方式。将模架置于真空室内，工作台两侧可进行真空操作，能够实现真空环境下多件连续生产。
机身是设备重要的承力部件，从机身的有限元分析可以看出，单向压制、双向压制和浮动压制三种工况下的机身受力变形情况并无太大的差别，三种工况下机身的强度和刚度均满足设备的工作需求。
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图8双向压制时机身框架的变形云图
图9浮动压制时机身框架的变形云图
应力为105.52MPa。取安全系数n=1.5，则许用应力
［Mises等效应力σs］=σs/n=156.667MPa，最大von-小于机身的许用应力，无论是那种工况下机身的强度都满足要求。机身各处的变形对应于其所受到的应力大小，在上横梁与上压紧缸的接触部位变形较大，
作者简介：吴丽贞，硕士研究生，主要研究方向为机器人设计理论
及工程应用。
E-mail：liz．wu@foxmail．com12-18收稿日期：2009-
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