Прессование и обработка пластиковых материалов Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

 

Сыпучая оболочка является основным технологическим элементом процесса СВС-прессования. Функциональное назначение оболочки состоит в теплоизоляции саморазогревающихся продуктов СВС от холодного жесткого инструмента, дренажировании примесных газов, деформировании и формообразовании заготовки. Выполнение этих функций напрямую зависит как от размеров, так и от физических свойств материала оболочки. В известных работах оболочка как объект исследования рассматривалась исключительно с точки зрения ее теплофизических свойств и газопроницаемости. Соответственно для математического описания процесса деформирования при СВС-прессовании использовались простейшие одномерные модели без оболочки. Случайным можно считать экспериментально установленный факт о низкой плотности малогабаритных заготовок, спрессованных в пресс-формах большого диаметра. Дело в том, что исследователи, как правило, в одной и той же пресс-форме проводят синтез и прессование заготовок разных размеров. С целью экономии материальных ресурсов на стадии разработки рецептур новых СВС-материалов ориентируются на малогабаритные заготовки-образцы диаметром до 40 мм. При таких исследованиях и было установлено проявление масштабного фактора, связанного с низкой плотностью и механическими свойствами образцов малых размеров. Этот результат в научной литературе связывают с быстрым остыванием продуктов синтеза в малогабаритных заготовках и потерей способности к пластическому деформированию и уплотнению. Вместе с тем анализ теплового режима показывает, что с уменьшением радиальных размеров средняя температура заготовок Т1ср увеличивается (рис. 5.15). Соответственно причину низкой уплотняемости малогабаритных заготовок следует искать в особенностях процесса совместного деформирования заготовки и оболочки.

Если влияние соотношения радиальных размеров заготовки и оболочки в силу практической необходимости, связанной с материальными затратами на экспериментирование, в определенной мере рассматривалось, то вопрос о роли высоты оболочки остался вне поля зрения исследователей. На уровне качественного анализа увеличение высоты оболочки рассматривается как увеличение объема бесполезно деформируемого материала. Естественно, что при таком подходе не проводились соответствующие экспериментальные и теоретические исследования.

 

T1 ср , 0C

 
Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

 

Р и с. 5.15. Влияние радиуса R1 на среднюю температуру заготовок Т1ср при центральном зажигании

 

Таким образом, отсутствие в настоящее время научно обоснованных рекомендаций по абсолютным размерам заготовок-образцов и по соотношению размеров заготовки и оболочки (соответственно и размеров пресс-формы) приводит к неоправданным материальным затратам как при проведении материаловедческих исследований, так и при отработке технологических режимов процесса СВС-прессования конкретного типоразмера заготовки.

При исследовании теплового режима авторами установлено, что низкая теплопроводность песка обеспечивает надежную теплоизоляцию горячих продуктов синтеза при толщине песчаной оболочки в пределах 2,5-4 мм. С точки зрения энергозатрат и массогабаритных характеристик пресс-инструмента также необходимо ориентироваться на минимальные размеры оболочки. Однако нет ответа на вопрос, какими именно должны быть размеры оболочки для получения заданной плотности и формы заготовки.

Для изучения влияния размеров оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки был выполнен цикл вычислительных экспериментов. Рассматривалось прессование заготовок из сплава TiC-20% Ni при среднем давлении прессования q = 120 МПа. Геометрические, температурные и физические параметры процесса приведены в подразд. 5.1.

Сначала исследовали влияние абсолютных размеров заготовки на ее среднюю относительную плотность. Варьировался радиус заготовки R1 при постоянном радиусе матрицы R2 = 62,5 мм. Толщина нижнего h2н и верхнего слоя h2в оболочки (см. рис. 4.3) составляла
h2н = h2в = 10 мм. Температура деформирования принималась одинаковой для всех вариантов. Эксперименты и расчеты показали, что с уменьшением радиуса шихтовой заготовки R1 высота спрессованной заготовки h1 увеличивается, а средняя по объему относительная плотность r1 уменьшается (рис. 5.16).

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

Р и с. 5.16. Влияние абсолютных радиальных размеров на толщину центра h1 (1) и среднюю относительную плотность

заготовки r1 (2, 3):

1, 2 – R2 = 62,5 мм = const; 3 – R1/ R2 = 0,8 = const; · - эксперимент

 

Теоретически беспористая заготовка с r1 = 1 получается при радиусе заготовки R1 ³ 50 мм. С уменьшением радиальных размеров относительная плотность заготовки монотонно уменьшается и в области малогабаритных заготовок (R1 < 20 мм) асимптотически приближается к предельному значению r1 » 0,87. Так как температура для всех значений R1 была одинаковой, то рассмотрим условия деформирования заготовки.

Выше было показано, что при прессовании сплава TiC-20% Ni в песчаной оболочке вокруг заготовки образуется высокоплотная кольцевая зона. Эта зона препятствует деформированию и уплотнению центральной зоны оболочки и находящейся в ней заготовки. При постоянном радиусе матрицы с уменьшением радиальных размеров заготовки увеличиваются ширина кольцевой зоны и силовые затраты на ее деформирование. Соответственно будут уменьшаться деформирующие напряжения в центральной зоне и на заготовке. В приближении одномерной механической модели уплотнение заготовки определяется величиной осевых напряжений sz. На рис. 5.17 показано распределение осевого давления qz = - sz на верхней опорной поверхности заготовок различного радиуса. Давление qz приблизительно постоянно в центральной части, но резко возрастает в области боковой поверхности заготовки. Последнее обусловлено концентрацией поля напряжений и плотности в области ребра заготовки с нулевым радиусом кривизны (см. поздразд. 4.3). Видно, что с уменьшением радиальных размеров величина осевого давления qz на заготовке также уменьшается. Соответственно уменьшение деформирующего напряжения приводит к уменьшению плотности прессованной заготовки. Отметим, что среднее давление qz на заготовке в 2-4 раза меньше, чем среднее давление прессования q=120 МПа на пуансоне.

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

Р и с. 5.17. Распределение напряжений на верхней

поверхности заготовок :

1 – R1 = 15 мм; 2 – R1 = 20 мм; 3 – R1 = 30 мм;

4 – R1 = 39 мм; 5 – R1 = 50 мм

 

Таким образом, одной из причин низкой плотности малогабаритных заготовок являются большие размеры жесткой кольцевой зоны оболочки, и проявление масштабного фактора не связано с тепловым режимом процесса. Соответственно для получения высокоплотного материала в малогабаритных заготовках необходимо уменьшить ширину кольцевой зоны, т. е. использовать малогабаритные пресс-формы. Найдем количественное соотношение между радиальными размерами заготовки и оболочки, при котором продукты синтеза уплотняются до беспористого состояния. Из данных
рис. 5.16 следует, что при прессовании в матрице с R2=62,5 мм беспористый материал получается в заготовке радиусом R1=50 мм, и отношение радиусов заготовки R1 и оболочки R2 составляет
R1/R2 = 0,8.

Расчеты, выполненные при указанном соотношении радиальных размеров заготовки и оболочки, показали, что в этом случае плотность заготовок заметно увеличивается (кривая 2 на рис. 5.16). Однако малогабаритные заготовки не спрессовываются до беспористого состояния. Для выяснения механизма проявления масштабного фактора следует рассмотреть характер формообразования заготовок. На рис. 5.18 представлена форма меридионального сечения заготовок с радиусами R1 = 10 мм и R1 = 30 мм. В последнем случае материал является практически беспористым: расчетная относительная плотность r1 = 0,993. В обеих заготовках из-за различия реологических свойств продуктов СВС и песчаной оболочки формируются две зоны– центральная и периферийная. Как отмечалось выше, плотность периферийной зоны меньше, чем центральной зоны. Абсолютные размеры высокопористой периферийной зоны практически не зависят от радиальных размеров заготовки, и ее ширина составляет в среднем 3-5 мм. Расчетная и экспериментальная плотности материала определяются путем осреднения неоднородного поля плотности по всему объему заготовки. Естественно, что при уменьшении габаритных размеров возрастает удельная доля пористого материала периферийной зоны, поэтому, несмотря на идентичные условия прессования, малогабаритные заготовки имеют низкую среднюю плотность.

Таким образом, основная причина проявления масштабного фактора связана с периферийной высокопористой зоной, которая образуется в заготовке из-за различия реологических свойств продуктов синтеза и песчаной оболочки. Результаты расчетов показывают, что длина зоны влияния краевого эффекта на боковой границе заготовки составляет около lкр » 5 мм и не зависит от абсолютных размеров заготовки. Если при проведении исследований известен габаритный размер образца lоб, то для исключения влияния краевого эффекта габаритный размер шихтовой заготовки lзаг должен быть увеличен примерно на 10 мм: lзаг » lоб + 10 мм.

 

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

а

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

б

Р и с. 5.18. Форма сечения заготовок с R1 = 10 мм (а)

и R1 = 30 мм (б)

 

 

При разработке технологических параметров процесса СВС-прессования известны размеры заготовки. В задачу технологического проектирования входит определение осевых и радиальных размеров оболочки и давления прессования q. Специальные экспериментальные или теоретические исследования влияния геометрических размеров инструмента на свойства получаемых изделий не проводились. В настоящее время радиальные размеры назначают исходя из накопленного опыта получения методом СВС-прессования различных материалов. Традиционно процесс проводят при давлении прессования в пределах q = 100-150 МПа и на основании этого давления назначают радиальные размеры пресс-формы. В отношении осевых размеров оболочки, как уже отмечалось выше, никаких рекомендаций нет. Толщина нижнего и верхнего слоев оболочки принимается равной
5-10 мм, и общая высота оболочки вместе с шихтовой заготовкой составляет обычно 35-40 мм.

Следуя работе, рассмотрим влияние осевых и радиальных размеров оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки заданных размеров.

В направлении вертикальной оси прессования z начальная высота оболочки h20 включает начальную высоту заготовки h10, а также толщину нижнего слоя h2н и верхнего слоя h2в оболочек: h20 = h10 + h2н + h2в (рис. 5.19). Конструкция штатной пресс-формы-реактора позволяет проводить прессование при размещении заготовки в нижней части матрицы и варьировании толщины оболочки над заготовкой, поэтому толщина нижнего слоя оболочки оставалась постоянной
(h2н = 5 мм), а варьировалась только толщина верхнего слоя оболочки. Причем максимально возможная начальная высота оболочки в пресс-форме составляет h20 = 40 мм.

 

 

Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

а

 

б

 
Исследование влияния размеров песчаной оболочки на процессы уплотнения и формообразования заготовки

 

Р и с. 5.19. Геометрические характеристики оболочки


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика