Прессование и обработка пластиковых материалов Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

 

Технологический цикл процесса СВС-прессования состоит из 4 последовательно протекающих стадий: 1) синтез в режиме горения; 2) временная пауза перед прессованием (задержка прессования);
3) прессование; 4) выдержка при постоянном давлении. На стадии синтеза температурное поле формируется в течение времени горения шихтовой заготовки tг и времени задержки прессования tз. Время горения для конкретного типоразмера заготовки является постоянным параметром. Величина времени tз складывается из времени срабатывания исполнительной системы пресса (» 0,5 с) и технологически необходимого времени. Временная пауза перед прессованием может быть обусловлена процессами догорания в системах с широкими зонами реакций, дренажированием примесных газов, задачей выравнивания температуры по объему заготовки и др. Кроме времени задержки прессования к технологическим факторам, влияющим на тепловой режим на стадии синтеза, относятся размеры оболочки и заготовки.

На первом этапе исследовался тепловой режим при синтезе типовой номенклатуры заготовок и штатных технологических параметрах процесса. Рассматривалось горение слоя из сплава TiC-20% Ni длиной l = 78 мм, что соответствует синтезу квадратной заготовки со стороной 70 мм при зажигании из центра боковой грани. Высота заготовки и слоя составляла 2h1 = 14 мм; толщина песчаной оболочки hоб = h2 - h1 = 10 мм; толщина инструмента hин = h3 - h2 = 15 мм; диаметр матрицы D = 102 мм; время задержки прессования tз = 0,5 с.

Были рассмотрены два варианта: теплофизические свойства продуктов синтеза и песчаной оболочки зависят и не зависят от температуры. Для линейной задачи теплофизические свойства определялись при температуре горения системы Ti-C-20% Ni (см. табл. 2.2). Результаты расчета распределения температуры контактной поверхности Тк и центра слоя Тц вдоль его длины для линейной и нелинейной моделей теплообмена представлены на рис. 2.7. Согласно полученным данным учет зависимости теплофизических свойств продуктов СВС от температуры практически не влияет на температурное поле. Этот результат следует связать с узким интервалом изменения температуры при охлаждении синтезированного материала в песчаной оболочке. Так, разность между температурой горения Тг=2400оС и температурой контактной поверхности Тк » 2170 оС составляет
DТ = 230 оС. При охлаждении в этом температурном интервале коэффициент теплопроводности lСВС и удельная теплоемкость ССВС продуктов синтеза уменьшаются не более, чем на 5%.

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

 

Р и с. 2.7. Распределение температуры центра Тц (1, 2) и контактной поверхности Тк (1¢, 2¢) по длине

слоя:

1, 1¢ – решение линейной задачи; 2, 2¢ – решение нелинейной задачи

Примерное равенство результатов решения линейной и нелинейной задач позволяет в дальнейшем рассматривать модель теплообмена без учета зависимости теплофизических свойств продуктов синтеза и песчаной оболочки от температуры. Следуя работам, рассмотрим основные закономерности процесса теплообмена на стадии синтеза материала.

На рис. 2.8 представлено распределение температуры по длине слоя после синтеза сплава TiC-20% Ni при времени задержки прессования tз = 0,5 с. Характер изменения температур на контактной поверхности Тк и в центре Тц показывает, что в слое формируется неоднородное температурное поле. Неоднородность температурного поля обусловлена двумя факторами. Во-первых, плоский слой конечной длины имеет четыре границы контактного теплообмена: две опорные плоскости и две торцевые плоскости. Вблизи этих границ, являющихся стоками тепла, формируются наиболее ²холодные² зоны с высоким градиентом температуры. Во-вторых, при нагреве заготовки движущимся фронтом горения время охлаждения tохл расчетных точек зависит от их положения (координаты х) относительно плоскости зажигания:

                                  Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании, 0 £ х £ l.                        (2.31)

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Р и с. 2.8. Изменение температуры контактной поверхности Тк (1¢, 2¢) и центра Тц (1, 2) по длине слоя:

1, 1¢ – решение МКЭ двухмерной задачи;

2, 2¢ – аналитическое решение одномерной задачи

 

По мере удаления от плоскости зажигания и увеличения координаты x время охлаждения уменьшается и температура расчетных точек заготовки повышается. Таким образом, процессу нагрева при синтезе в режиме послойного горения соответствует процесс послойного охлаждения синтезированного материала. Подобные зависимости имеют место и при синтезе сплавов TiC-28% Ni и
TiC-35% Ni.

После полного сгорания слоя в нем формируются три характерные температурные зоны, связанные с соответствующей границей контактного теплообмена (см. рис. 2.8). Вблизи плоскости зажигания находится зона I, для которой характерно наибольшее время охлаждения, и она является самой «холодной». При удалении от плоскости зажигания уменьшается действие этой границы как стока тепла и формируется зона II, для которой характерна слабая зависимость контактной температуры Тк от времени охлаждения и координаты х - на протяжении всей зоны Тк » const. Значение Тк в зоне II примерно равно температуре Тк0, мгновенно устанавливаемой на границе соприкосновения бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду:

                              Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании,                    (2.32)

где Кe1, Кe2 – коэффициенты тепловой активности заготовки и оболочки,

                            Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании; Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании.                  (2.33)

При синтезе сплава TiC-20% Ni в песчаной оболочке Тк0=2162оС. Температура в центре слоя Тц (при y=0) увеличивается по мере удаления от плоскости зажигания и уменьшения времени охлаждения. Вблизи конечной торцевой плоскости (х=l) формируется зона III. Для этой зоны характерно резкое уменьшение температуры Тк и Тц при приближении к торцевой границе контактного теплообмена, на которой закончилось горение.

На рис. 2.9 показано распределение температуры по высоте слоя (координата y) в сечениях на границе зон I и II (х = 22 мм, tохл = 4,2 с), в средней части слоя (х = 39 мм, tохл = 3,1 с) и на границе зон II и III (х = 72 мм, tохл = 0,9 с). Для малого времени охлаждения (кривая 3) характерно резкое различие температур центральных и контактных объемов. Внутри зоны II с увеличением времени охлаждения при практически постоянном значении температуры Тк (для y = 7 мм) происходит выравнивание температуры по толщине заготовки за счет охлаждения центральных объемов. Тем самым в зоне II реализуется режим внутреннего охлаждения.

Результаты численного решения были сопоставлены с результатами аналитического решения одномерной задачи об охлаждении бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду. Время охлаждения бесконечного слоя принималось равным времени охлаждения сечения с переменной координатой х при горении слоя конечной длины и рассчитывалось по зависимости (2.31).

Подпись:
Р и с. 2.9. Распределение температуры по высоте слоя:
1 – х = 22 мм, tохл = 4,2 с; 2 – х = 39 мм,
tохл = 3,1 с; 3 – х = 72 мм, tохл = 0,9 с
Результаты аналитического решения и решения МКЭ (см. рис. 2.8) практически идентичны (различие не превышает 1%). Из этого следует, что температурное поле в зоне II с режимом внутреннего охлаждения формируется в результате одномерного контактного теплообмена на опорной плоскости заготовки.

Рассмотрим влияние различных технологических факторов на тепловой режим СВС-прессования продуктов синтеза системы Ti-C-20% Ni.

Первостепенное значение для теплового режима имеет толщина оболочки между заготовкой и инструментом. Результаты расчета показывают, что уменьшение толщины оболочки с hоб = 10 мм (рекомендация базовой технологии) до hоб = 2 мм практически не оказывает существенного влияния на температурное поле (рис. 2.10). При
hоб < 2 мм процесс охлаждения заготовки интенсифицируется, причем контактные объемы заготовки охлаждаются в большей степени, чем центральные. Этот эффект следует связать с влиянием размеров оболочки на условия контактного теплообмена. Песчаная оболочка и инструмент в совокупности представляют собой двухслойную среду. Эффективные теплофизические свойства двухслойной среды определяются размерами и индивидуальными свойствами составляющих тел. С уменьшением толщины песчаной оболочки возрастает эффективный коэффициент тепловой активности Кe2 и согласно (2.32) уменьшаются начальная температура Тк0 и соответственно текущая температура контактной поверхности Тк. Результаты численного эксперимента подтверждают эту закономерность: при уменьшении толщины оболочки с hоб = 10 мм до hоб = 1,5 мм происходит снижение температуры контактной поверхности Тк (см. рис. 2.10). Температура центральной части заготовки Тц практически не изменяется. В результате увеличивается неравномерность распределения температуры по толщине заготовки и за счет охлаждения контактных объемов уменьшается ее средняя температура. Отметим, что с уменьшением hоб происходит уменьшение длины зоны II с режимом внутреннего охлаждения и при hоб £ 1 мм она отсутствует.

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Р и с. 2.10. Влияние толщины оболочки hоб на распределение температуры Тц (1, 2, 3, 4) и   Тк (1¢, 2¢, 3¢, 4¢) по длине слоя при 2h1 = 14 мм

и tз = 0,5 с:

1, 1¢ – hоб = 10 мм; 2, 2¢ – hоб = 2 мм; 3, 3 ¢ – hоб = 1,5 мм; 4, 4¢ – hоб = 1,0 мм

 

Влияние толщины заготовки hзаг = 2h1 на закономерности изменения температур Тк и Тц представлено на рис. 2.11. Варьирование hзаг при постоянной толщине оболочки hоб не оказывает влияния на значения коэффициентов тепловой активности Кe1 и Кe2 и начальную контактную температуру Тк0. Соответственно при hзаг ³ 16 мм имеет место слабая зависимость температуры контактной поверхности Тк от толщины заготовки. Противоположным образом изменяется температура в центре слоя. Уменьшение толщины, массы и теплосодержания приводит к ускоренному охлаждению центральных объемов заготовки и снижению ее средней температуры. Охлаждение тонких заготовок с hзаг £ 10 мм происходит с большой скоростью, и в них не успевает сформироваться зона с режимом внутреннего охлаждения. С увеличением hзаг с 10 до 16 мм скорость охлаждения уменьшается, происходит повышение температуры Тк и формирование зоны с внутренним охлаждением. При увеличении толщины заготовки свыше 16 мм температура Тк по всей длине слоя и размеры характерных температурных зон остаются неизменными.

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Р и с. 2.11. Влияние толщины заготовки 2h1 на распределение температуры Тц (1, 2, 3, 4) и Тк (1¢, 2¢, 3¢, 4¢) по длине слоя при hоб = 10 мм и tз = 0,5 с:

1, 1¢ – hзаг = 20 мм; 2, 2¢ – hзаг = 16 мм;

3, 3¢ – hзаг = 10 мм; 4, 4¢ – hзаг = 8 мм

 

Важным технологическим параметром является время задержки прессования tз. С увеличением времени tз происходит охлаждение слоя и постепенное уменьшение температурных градиентов по его длине и высоте (рис. 2.12). При малых значениях времени задержки (tз £ 2 c) сохраняется режим внутреннего охлаждения, при котором заметно охлаждаются внутренние объемы заготовки с температурой Тц, а температура контактной поверхности Тк практически не изменяется. Наиболее быстро охлаждается граница зон II и III, которая в момент полного сгорания заготовки была самой горячей. С увеличением времени tз за счет теплопроводности происходит выравнивание температуры Тц по длине слоя, и при tз ³ 10 с эта высокотемпературная область исчезает.

На рис. 2.13 показано изменение температур Тк и Тц в слое при варьировании его длины l. Независимо от длины l после синтеза в слое формируются три характерные зоны, рассмотренные выше. Температура Тк в соответствующих зонах имеет практически одинаковые значения. Различие габаритов проявляется в уровне температуры Тц: с уменьшением радиальных размеров заготовки и пути горения l время послойного охлаждения согласно зависимости (2.31) уменьшается и внутри заготовки сохраняется более высокая температура Тц. Этот результат не подтверждает распространенную в научной литературе точку зрения о том, что при малых размерах происходит быстрое остывание продукта и по этой причине невозможно получение высокоплотного малогабаритного изделия. Данные, приведенные на рис. 2.13, показывают, что высокая пористость малогабаритных изделий не связана с температурным режимом. Для выяснения причин низкой уплотняемости малогабаритных изделий необходимо провести исследование влияния размеров заготовки на закономерности пластического деформирования и уплотнения при СВС-прессовании.

 

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Р и с. 2.12. Влияние времени задержки прессования tз на распределение температуры Тц (1, 2, 3) и Тк (1¢, 2¢, 3¢) по длине слоя при  2h1 = 14 мм и hоб = 10 мм:

1, 1¢ – tз = 0,5 с; 2, 2¢ – tз = 2 с; 3, 3¢ – tз = 10 с

 

 

Информация о тепловом состоянии необходима как для расчета зависящих от температуры реологических свойств продуктов СВС и оболочки, так и для оценки агрегатного состояния продуктов синтеза. Из анализа температурного режима продуктов СВС следует важный вывод: в широком интервале варьирования технологических параметров минимальная температура расчетных точек не опускается ниже 1700 оС, что выше эвтектической температуры сплава TiC-20% Ni, составляющей 1280 оС, и продукты синтеза находятся в твердожидком состоянии.

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим при боковом зажигании

Р и с. 2.13. Влияние длины плоского слоя l на распределение  температуры Тц (1, 2, 3) и      Тк (1¢, 2¢, 3¢)по длине слоя при 2h1 = 14 мм,

hоб = 10 мм и tз = 0,5 с:

1, 1¢ – l = 78 мм; 2, 2¢ – l = 58,5 мм; 3, 3¢ – l = 39 мм

 

Способность неравномерно нагретого тела к пластическому деформированию определяется температурой наиболее холодных зон. В нашем случае это температура контактной поверхности Тк. Максимальное значение контактной температуры Ткmax » Тк0 дает верхнюю оценку температуры деформации продуктов синтеза. Область режима внутреннего охлаждения с температурой Ткmax определяет объем материала с наибольшей пластичностью и уплотняемостью. Результаты вычислительных экспериментов (см. рис. 2.10, 2.11) показывают, что с увеличением толщины заготовки hзаг и оболочки hоб длина зоны одномерного теплообмена l2 увеличивается и при определенных значениях hзаг* и hоб* принимает свое максимальное значение l2max. Соответственно минимальный размер l1min имеет зона I двумерного теплообмена. В табл. 2.4 приведены результаты расчета предельных размеров заготовки hзаг* и оболочки hоб* при СВС-прессовании продуктов синтеза системы Ti-C-Ni (для всех вариантов l = 78 мм, tз = 0,5 с). C ростом содержания никеля и уменьшением скорости горения uг (см. табл. 2.4) согласно (2.31) увеличивается время послойного охлаждения tохл продуктов синтеза и время прогрева оболочки. В результате увеличиваются предельные толщины заготовки hзаг* и оболочки hоб*, при которых зона с режимом внутреннего охлаждения имеет максимальную длину l2max. При росте содержания Ni происходит уменьшение параметра l2max и объема материала с максимальной пластичностью и уплотняемостью.

Т а б л и ц а 2.4

 


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика