Прессование и обработка пластиковых материалов Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

 

Сначала исследовался тепловой режим при синтезе типовой номенклатуры заготовок и штатных технологических параметрах процесса. Рассматривался синтез круглой заготовки из сплава TiC-20% Ni с радиусом R1 = 40 мм и толщиной hзаг = 2h1 = 14 мм в матрице с внутренним радиусом rм = 55 мм и наружным радиусом Rм = 62,5 мм. Толщина песчаной оболочки составляла hоб = h2 - h1 = 10 мм; толщина инструмента hин = h3 - h2 = 15 мм; время задержки прессования
tз = 0,5 с. Решалась физически линейная задача, и теплофизические свойства продуктов синтеза определялись при температуре горения системы Ti-C-20% Ni (см. табл. 2.2).

Результаты расчета распределения температуры контактной поверхности Тк и центра заготовки Тц вдоль ее радиуса r представлены на рис. 2.17.

При центральном зажигании температурное поле также характеризуется неоднородным распределением температуры по объему заготовки. Это относится как к температуре контактной поверхности заготовки Тк, так и к температуре ее центральной части Тц. Неоднородность температурного поля обусловлена, во-первых, наличием трех границ контактного теплообмена: две опорные плоскости и боковая цилиндрическая поверхность заготовки. Вблизи этих границ, являющихся стоками тепла, и формируются наиболее ²холодные² зоны с высоким градиентом температуры. Кроме того, послойное охлаждение локальных объемов также обуславливает неоднородность температурного поля по пути следования фронта горения. Время послойного охлаждения tохл при центральном зажигании определяется следующей зависимостью:

                                 Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании, 0 £ r £ R1.                       (2.45)

В отличие от бокового зажигания при центральном зажигании (в силу осевой симметрии задачи) после завершения синтеза в заготовке формируются не три, а две характерные зоны, связанные с соответствующей границей контактного теплообмена. В центральной части заготовки находится зона I, для которой имеет место слабая зависимость контактной температуры Тк от времени охлаждения и координаты r – на протяжении всей зоны Тк ~ const. При приближении  к  цилиндрической   поверхности   заготовки  со  стоком  тепла (r ® R1) формируется кольцевая зона II, в которой происходит резкое уменьшение температур Тк и Тц.

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.17. Изменение температуры контактной поверхности Тк (1¢, 2¢) и центра Тц (1, 2) по радиусу

заготовки:

1, 1¢ – решение МКЭ двухмерной задачи; 2, 2¢ – аналитическое решение  одномерной задачи

 

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 r и рассчитывалось по зависимости (2.45). При охлаждении бесконечного слоя контактный теплообмен происходит только в одном направлении – по координате z. Стационарное значение температуры Тк для бесконечного слоя соответствует температуре Тк0, мгновенно устанавливаемой на границе бесконечного слоя, охлаждаемого в неограниченной среде. Значение температуры Тк0  определяется  зависимостью (2.32) и для сплава Ti-C-20% Ni составляет Тк0 = 2162 оС. Различие результатов численного и аналитического решений (см. рис. 2.17) не превышает 1%, и в первом приближении для оценки температурного поля в зоне I с режимом внутреннего охлаждения можно использовать аналитическое решение одномерной задачи.

На рис. 2.18 представлены результаты расчетов распределения температуры по высоте заготовки.

 

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.18. Распределение температуры по высоте заготовки:

1 – r = 0 мм (tохл = 3.2 с); 2 – r = 35 мм (tохл = 0.8 с)

 

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

На рис. 2.19 показано влияние толщины песчаной оболочки
hоб = h3 - h2 (см. рис. 2.16) на закономерности изменения температур Тц и Тк вдоль радиуса заготовки. Согласно зависимости (2.32) с уменьшением толщины песчаной оболочки возрастает эффективный коэффициент тепловой активности Кe2 и уменьшаются начальная Тк0 и текущая Тк температуры контактной поверхности. 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. 2.19). 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 среднее значение.

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.19. Влияние толщины оболочки hоб на распределение температуры Тц (1, 2, 3) и Тк (1¢, 2¢, 3¢) по радиусу заготовки  при hз = 14 мм и tз = 0,5 с:

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

 

Влияние толщины заготовки hзаг = 2h1 на закономерности изменения температур Тк и Тц представлено на рис. 2.20. Варьирование hзаг при постоянной толщине оболочки hоб не оказывает влияния на значения коэффициентов тепловой активности Кe1 и Кe2 и начальную контактную температуру Тк0. Соответственно имеет место слабая зависимость температуры контактной поверхности Тк от толщины заготовки. Противоположным образом изменяется температура в центре заготовки. Уменьшение толщины, массы и теплосодержания приводит к ускоренному охлаждению центральных объемов заготовки и снижению ее средней температуры. Режим внутреннего охлаждения, при котором Тк = const, сохраняется при толщине заготовки hзаг » 14 мм. Охлаждение тонких заготовок с hзаг < 14 мм происходит с большой скоростью, и режим внутреннего охлаждения не наблюдается.

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.20. Влияние толщины заготовки hз на распределение температуры Тц (1, 2, 3, 4) и Тк (1¢, 2¢, 3¢, 4¢) по

радиусу заготовки  при hоб = 10 мм и tз = 0,5 с:

1, 1¢ – hзаг = 20 мм; 2, 2¢ – hзаг = 14 мм; 3, 3¢ – hзаг = 10 мм;

4, 4¢ – hзаг = 6 мм

 

Результаты исследования влияния времени задержки прессования tз на тепловой режим представлены на рис. 2.21. При малых значениях времени задержки (tз £ 2 c) температура Тк изменяется незначительно и реализуется режим внутреннего охлаждения, при котором заметно охлаждаются внутренние объемы заготовки с температурой Тц. Наиболее быстро охлаждается граница зон I и II, которая в момент полного сгорания заготовки была самой горячей. С увеличением tз за счет теплопроводности происходит выравнивание температуры Тц вдоль радиуса заготовки, и при tз ³ 4 с эта высокотемпературная область исчезает.

На рис. 2.22 показано изменение температур Тк и Тц в заготовке при варьировании ее радиуса R1. Независимо от величины R1 в слое формируются две характерные зоны, рассмотренные выше. Температура Тк в соответствующих зонах имеет практически одинаковые значения. Различие габаритов проявляется в уровне температуры Тц: с уменьшением радиуса заготовки и пути горения время послойного охлаждения уменьшается и внутри заготовки сохраняется более высокая температура Тц.

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.21. Влияние времени задержки прессования tз на распределение температуры Тц (1, 2, 3, 4) и Тк (1¢, 2¢, 3¢, 4¢) по радиусу заготовки при

hзаг = 14 мм и hоб = 10 мм:

1, 1¢ – tз = 0,5 с; 2, 2¢ – tз = 2 с; 3, 3¢ – tз = 4 с;

4, 4¢ – tз = 6 с

Численный анализ влияния технологических факторов на тепловой режим процесса СВС-прессованияпри центральном зажигании

Р и с. 2.22. Влияние радиуса заготовки R1 на распределение температуры Тц (1, 2, 3) и Тк (1¢, 2¢, 3¢)

при hзаг = 14 мм, hоб = 10 мм и tз = 0,5 с:

1, 1¢ – R1 = 40 мм; 2, 2¢ – R1 = 30 мм; 3, 3¢ – R1 = 20 мм

 

Отметим, что при центральном зажигании, так же, как и при боковом, в исследованном диапазоне варьирования технологических параметров минимальная температура расчетных точек выше эвтектической температуры системы TiC-Ni и сплав TiC-20% Ni находится в твердожидком состоянии.


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика