粉末冶金制品具有形状适应性强、机械加工量少、品质好、成本低等诸多优点而被广泛应用于航空航天、汽车工业、医药行业、核工业等各种领域。据统计,仅汽车工业中使用的粉末冶金材料就多达1000多种,利用粉末冶金材料制得的零件种类更是难以胜数,比如常见的同步器锥环、正时齿轮、发动机连杆、凸轮轴等。在粉末冶金生产加工过程中,决定产品最终性能的工艺环节众多,其中填充过程是最为关键的环节之一。粉体的填充结构不仅对压制和烧结过程中方法、参数的选取十分重要,而且影响制得零器件的最终性能。填充过程中粉体颗粒堆积密度越高,则压制得到的生坯组织均匀且高密度成形,最后制得的结构构件具有优异的力学性能和使用寿命。随着全球制造业的迅猛发展,高精度、组织均匀、全致密化和复杂形状等要求成为粉末冶金技术的发展方向。由于颗粒形状的复杂性,传统填充过程中得到的堆积粉体内含有大量的孔隙,生产得到的粉末冶金制品常存在裂纹等缺陷,导致了全致密化、高性能的粉末冶金零器件的制备变得十分困难。混合与分离是颗粒物质最常见的行为特征,建筑、医药、农产品等行业常采用振动、搅拌、敲击等方法使颗粒体系混合均匀。为此,本文以纯铁粉为研究对象对振动环境下粉体颗粒的填充过程进行了研究与分析,为改善粉体填充效果提供了理论依据。本文的主要研究内容和结论如下:(1)将离散元理论运用到粉体颗粒物质的动力学仿真,对振动条件下颗粒物质的运动特性进行研究,建立了粉末颗粒振动填充的数学模型。研究表明:离散元法中的软球模型是模拟研究振动条件下大量粉体颗粒物质运动的重要方法,网格尺寸和时间步长的确定对研究结果的精确性十分重要。(2)利用三维建模软件分别建立了粉体颗粒与产品模腔的几何模型,使用EDEM对垂直振动条件下粉体颗粒的充实过程进行仿真,得到了振动充实前后模腔内粉体颗粒的位置变化图和孔隙大小变化图。研究表明,在振动充实过程中,机械振动可以使粉体颗粒群中各颗粒的位置发生变化,产生位移,促进颗粒之间相对位置重排,破坏了初始填充时粉体系统内形成相对稳定的拱结构,并重建了新的拱结构,降低粉体孔隙率,粉体表观堆积高度明显下降,经测量粉体填充密度得到有效提高。(3)研究了振动特性参数、恢复系数等物理参数对粉体填充效果的影响,对振动前后模腔内粉体填充效果的变化进行分析。仿真结果表明,填充密度随振动持续时间的增大先增加而后趋于稳定;振动频率和振动幅度会对粉体填充密度造成较大的影响,随着频率和振幅的增大,填充密度先增加后减小。当频率较小或振幅较低时,模腔内粉体填充密度变化不大;当振幅过大或频率过高时,颗粒会出现“沸腾”现象,填充密度降低。恢复系数影响粉体颗粒碰撞后的运动状态和模腔内粉体的填充效果。(4)为了进一步探究机械振动对粉体填充密度的影响,本文通过采用正交实验法对振动特性参数进行优化。研究结果表明:振动频率对填充密度的影响最大,其次是振动幅度,振动时间对填充密度的影响最小;通过极差法和方差法进行综合分析,确定了振动条件下模腔中粉体填充密度的最优工艺条件。(5)搭建了实验平台对粉体振动填充过程进行实验研究,分析了频率和振动持续过程对粉体填充效果的影响,通过与模拟结果进行比较,验证了离散元软件研究粉体振动填充过程的可靠性。