Прессование и обработка пластиковых материалов Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

Традиционно в качестве материала сыпучей оболочки используется песок. Вместе с тем научный и практический интерес представляет изучение влияния реологических свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки. Исходя из функционального назначения материал оболочки должен быть хорошим теплоизолятором, иметь высокую огнеупорность, а также быть доступным и относительно дешевым. Этим требованиям вполне отвечают алюмосиликатные огнеупоры и, в частности, шамот. Важным свойством шамотной крошки является то, что она имеет более низкую, чем песок, начальную плотность r20: у песка r20 = 0,61, у шамотной крошки r20 = 0,41. Соответственно ресурс сжимаемости у шамотной крошки выше, чем у песка, и это должно оказать положительное влияние на процесс деформирования заготовки.

 

В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки. В качестве материала оболочки были исследованы песок, шамотная крошка и их смесь: 3 объемные части песка и 1 часть шамотной крошки. Рассматривалось СВС- прессование заготовок радиусом R1 = 39 мм из твердого сплава TiC-20% Ni в пресс-форме радиусом 62,5 мм. Служебные характеристики материалов оболочки приведены в подразд. 3.4.

 

Экспериментальные данные и результаты расчета высоты центра заготовки h1 в зависимости  от  давления  прессования  q приведены  на  рис. 5.21.

Здесь же представлены результаты расчета средней по объему относительной плотности заготовки r1. Реологические свойства материала оболочки оказывают заметное влияние на кинетику уплотнения продуктов синтеза. Так, уплотнение продуктов синтеза в шамотной оболочке требует меньшего давления прессования q, чем в песчаной оболочке. В результате максимальная степень уплотнения продуктов синтеза в шамотной оболочке достигается при меньшем давлении, чем в песчаной оболочке: соответственно при q = 95 МПа и q = 120 МПа. Прессование в оболочке из смеси шамотной крошки с песком по кинетике уплотнения занимает промежуточное положение.

 

а

 
Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

 

б

 
Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

 

Р и с. 5.21. Изменение высоты h1 (а) и относительной плотности r1 (б)  заготовки при СВС-прессовании в песчаной (1), шамотной (2) и  пес-

чано-шамотной (3) оболочках:

·, D, o – эксперимент

 

При тождественности температурного режима и реологических свойств продуктов СВС различный характер уплотнения заготовок обусловлен различием реологических свойств материала оболочки. Напомним, что сопротивление деформации порошковых материалов характеризуют кривые уплотнения s(Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки), связывающие гидростатическое напряжение s с приведенной относительной плотностью порошка Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки (см. подразд. 5.2). Расчетные кривые уплотнения s(Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки) горячих продуктов СВС, песка, шамотной крошки и их смеси приведены на рис. 5.22. Зависимость s(Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки) для склерономных материалов оболочки находилась по формуле (5.6), для реономных продуктов СВС – по формуле (5.5) в процессе решения краевой задачи.

 

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 
Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

 

Р и с. 5.22. Кривые уплотнения s(Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки) песка (1), шамотной крошки (2) и горячего сплава

TiC-20% Ni (3)

 

Качественный анализ влияния реологических свойств материала оболочки на характер уплотнения заготовки выполним на одномерной механической модели процесса. Одномерная механическая модель процесса СВС-прессования представляет собой два параллельно соединенных элемента – центральную зону оболочки с заготовкой и кольцевую зону оболочки вокруг заготовки. Центральная зона оболочки соединена с заготовкой последовательно. Величина осевой деформации заготовки ez1 при заданном усилии прессования Q будет обратно пропорциональна эквивалентной жесткости элементов:

                                     Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки,                                  (5.9)

где с1 – жесткость заготовки; сц, ск – жесткости центральной и кольцевой зон оболочки. Жесткости с1, сц и ск пропорциональны сопротивлению деформации соответствующих материалов. Жесткость заготовки с1 является фиксированным параметром: с1 = const. Уменьшение прочности материала оболочки приводит к уменьшению жесткости элементов оболочки сц и ск. Из (5.9) следует, что при этом увеличиваются осевая деформация ez1 и, как следствие, плотность заготовки. Максимальная степень уплотнения заготовки имеет место при СВС-прессовании в оболочке из шамотной крошки, которая характеризуется наименьшим сопротивлением деформации по сравнению с песком или песчано-шамотной смесью.

Характер формообразования заготовки также определяется соотношением сопротивления деформации продуктов синтеза и материала оболочки (см. п. 5.2). Если сопротивление деформации оболочки выше, чем продуктов СВС, то периферийные объемы заготовки осаживаются в меньшей степени, чем центральные. В результате имеет место вогнутость опорных поверхностей заготовки. Если сопротивление деформации продуктов СВС выше, чем оболочки, то периферийные объемы осаживаются в большей степени, чем центральные, и опорные поверхности становятся выпуклыми. На рис. 5.23 показана расчетная форма сечения заготовок после прессования в песчаной, песчано-шамотной и шамотной оболочках при давлении q=120 МПа. Сопротивление деформации рассматриваемых материалов оболочки выше, чем сопротивление деформации горячих продуктов синтеза (см. рис. 5.22). Соответственно для всех вариантов оболочки высота боковой поверхности заготовки hб больше высоты ее центра hц и опорные поверхности являются вогнутыми. Количественной мерой искажения формы служит разность высот боковой поверхности заготовки и ее центра: Dhзаг = hб - hц.

Расчеты показывают, что прессование в шамотной оболочке характеризуется меньшим искажением формы, чем прессование в песчаной оболочке (см. рис. 5.23). Так, в первом случае разность высот составляет Dhзаг=1,58 мм, во втором – Dhзаг=2,5 мм. В относительных показателях размерная точность заготовки увеличивается на 37%. Более низкое, чем у песка, сопротивление уплотнению s(Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки) шамотной крошки способствует тому, что в меньшей степени проявляется краевой эффект, связанный с образованием по периметру заготовки периферийной высокопористой зоны. В целом по совокупности положительных эффектов шамотная оболочка является предпочтительней, чем песчаная или оболочка из песчано-шамотной смеси.

 

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

а

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

б

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

в

Р и с. 5.23 Форма сечения заготовок, спрессованных в оболочке из песка (а), шамотной крошки (б) и

песчано-шамотной смеси (в)

 

Из схемы механической модели процесса СВС-прессования (см. рис. 5.8) следует, что осевая деформация заготовки Dh1 напрямую связана с деформацией не всей кольцевой зоны, а лишь с деформацией ее элемента К. Высота этого элемента hК равна высоте заготовки h1, поэтому увеличить деформацию заготовки Dh1 можно за счет уменьшения сопротивления деформации кольцевого элемента К. Такое техническое решение по снижению жесткости кольцевой зоны оболочки предложено в. Суть его в том, что формируется неоднородная по составу оболочка, когда ее кольцевой элемент К заполняется материалом, имеющим меньшую прочность, чем песок
(рис. 5.24). Следуя работе, рассмотрим основные закономерности процессов уплотнения и формообразования при СВС-прессовании в неоднородной по составу оболочке.

 

Как и при исследовании процесса СВС-прессования в однородной по составу оболочке, рассматривалось прессование заготовок радиусом R1 = 39 мм из твердого сплава TiC-20% Ni в пресс-форме радиусом 62,5 мм. Исследовали три варианта: прессование в однородной песчаной оболочке, прессование в однородной шамотной оболочке и прессование в неоднородной песчано-шамотной оболочке. Экспериментальные данныеПодпись:  Р и с. 5.24. Схема СВС-прессования
в неоднородной оболочке:
1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – заготовка;
4 – песчаная оболочка; 5 – пресс-шайба;
6 – кольцевая шамотная оболочка
и результаты расчета высоты центра заготовки h1 в зависимости от давления прессования q приведены на рис. 5.25. Здесь же представлены результаты расчета средней по объему относительной плотности заготовки r1 в зависимости от давления q.

Сопротивление деформации и, следовательно, жесткость шамотной кольцевой зоны меньше, чем жесткость песчаной кольцевой зоны таких же размеров. Поэтому при одном и том же давлении прессования q степень уплотнения заготовки в неоднородной песчано-шамотной оболочке выше, чем в однородной песчаной оболочке. Результаты эксперимента и расчета показали практически одинаковый характер изменения высоты h1 и относительной плотности r1 заготовки при прессовании в полностью шамотной и песчано-шамотной оболочке. Исключение составляет начальный участок (q £ 40 МПа), когда расчетная степень уплотнения заготовки в шамотной оболочке выше, чем в песчано-шамотной оболочке.

Практически одинаковыми являются форма и геометрические размеры заготовок, спрессованных в однородной шамотной и неоднородной песчано-шамотной оболочке (рис. 5.26).

 

 

 

 

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

а

 

б

 
Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

Р и с. 5.25. Изменение  высоты   центра   заготовки h1 (а) и относительной плотности заготовки r1 (б) в зависимо -

сти от давления прессования q:

1 – песчаная оболочка; 2 – шамотная оболочка;

3 – песчано-шамотная оболочка; D, ·; o – эксперимент

 

 

Таким образом, результаты эксперимента и расчета показали, что схема прессования в неоднородной песчано-шамотной оболочке практически эквивалентна прессованию в однородной шамотной оболочке, однако в первом случае расходуется меньший объем более дорогого шамотного материала.

 

Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

а

 

 

б

 
Исследование влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки

 

б

 

Р и с. 5.26. Форма сечения заготовки при прессовании

в однородной шамотной (а) и неоднородной песчано-шамотной (б) оболочке

 

Сформулируем основные результаты исследований, выполненных в этом разделе.

1. Установлено, что в отличие от инертных порошков для процесса уплотнения твердожидких продуктов синтеза характерна высокая начальная скорость уплотнения и не строго монотонный ход кривых уплотнения. Показано, что закономерности уплотнения определяются эволюцией макроструктурного состояния и нелинейно-вязкими свойствами твердой фазы. Высокая начальная скорость уплотнения обусловлена аэродисперсным состоянием и практически отсутствием сопротивления деформации продуктов синтеза. Немонотонный ход кривых уплотнения с образованием горизонтального плато вызван псевдопластической вязкостью твердой фазы при ее уплотнении из состояния насыпной плотности.

2. Исследованы закономерности формообразования при изотермическом СВС-прессовании в песчаной оболочке и установлено, что, несмотря на однородное поле температур и свойств, деформирование и уплотнение приграничных объемов заготовки являются неоднородными. Эта неоднородность вызвана различием реологических свойств материалов заготовки и оболочки. Показано, что форма спрессованной заготовки определяется механическими свойствами продуктов синтеза и оболочки. Опорные поверхности получаются выпуклыми, если продукты синтеза прочнее материала оболочки. Если сопротивление деформации продуктов синтеза меньше, чем сопротивление деформации оболочки, то опорные поверхности заготовки получаются вогнутыми.

 

3. Исследованы закономерности уплотнения и формирования напряженного состояния оболочки и получено, что различие реологических свойств материалов заготовки и оболочки приводит к формированию в оболочке двух зон, отличающихся уровнем плотности и деформирующих напряжений: центральной зоны, в которой находится заготовка, и кольцевой зоны, расположенной вокруг заготовки. При прессовании реальных продуктов синтеза, имеющих меньшее сопротивление деформации по сравнению с песком, кольцевая зона уплотняется в большей степени, чем центральная зона. Соответственно доля непроизводительных затрат на деформирование высокопрочной кольцевой зоны существенно выше, чем доля полезно затрачиваемого усилия на деформирование центральной зоны с заготовкой. Для повышения доли полезных затрат в общем балансе сил необходимо уменьшить сопротивление деформации кольцевой зоны.

 

4. Выполнен цикл вычислительных экспериментов по изучению влияния размеров оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки, анализ которых показал, что причиной низкой плотности малогабаритных заготовок является не температурный режим, а радиальные размеры высокоплотной кольцевой зоны оболочки, которая препятствует уплотнению центральной зоны оболочки и находящейся в ней заготовки. Установлен экстремальный характер изменения плотности заготовки в зависимости от начальной высоты оболочки, которая определяет ее ресурс сжимаемости. Показано, что если начальная относительная плотность заготовки меньше начальной относительной плотности оболочки, то при выборе начальной высоты оболочки ведущим является процесс совместного пластического деформирования заготовки и оболочки, а процесс теплообмена имеет второстепенное значение. Как правило, именно этот вариант имеет место в практике СВС-прессования различных материалов и изделий. Размерная точность СВС - прессованной заготовки зависит от радиальных размеров оболочки. С уменьшением радиальных размеров оболочки возможно усиление искажения формы заготовки из-за неоднородности напряженно-деформированного состояния вблизи поверхностей инструмента с внешним трением.

 

5. При исследовании влияния свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования получено, что за счет меньшего сопротивления деформации шамотной крошки по сравнению с песком скорость уплотнения продуктов синтеза в шамотной оболочке выше, чем в песчаной оболочке. Кроме того, СВС-прессование в шамотной оболочке характеризуется более высокой размерной точностью заготовки.

6. Теоретически обосновано новое техническое решение по снижению прочности кольцевой зоны за счет формирования неоднородной по составу оболочки, когда часть кольцевой зоны заполняется шамотной крошкой, имеющей меньшее сопротивление деформации, чем песок. Схема СВС-прессования в неоднородной песчано-шамотной оболочке практически эквивалентна схеме прессования в однородной шамотной оболочке, но при этом расходуется меньший объем более дорогого, чем песок, шамотного материала.

 


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика