Прессование и обработка пластиковых материалов Основные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке

Основные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке

 

Результаты вычислительных экспериментов показывают, что для вариантов бокового и центрального зажигания характерны общие закономерности формирования теплового режима. В обоих случаях при определенных условиях теплообмена в центральной части синтезированной в режиме горения заготовки наблюдается режим внутреннего охлаждения. Качественно одинаковое влияние на тепловой режим оказывают основные технологические параметры: размеры заготовки и оболочки и время задержки прессования.

 

На качественном уровне роль технологических факторов при формировании теплового режима сводится к следующему. Сыпучая оболочка совместно с инструментом образуют двухслойную теплоизолирующую среду. Размеры и индивидуальные теплофизические свойства оболочки оказывают влияние на эффективные теплофизические свойства двухслойной теплоизляции и интенсивность контактного теплообмена. Осевые размеры (толщина) заготовки определяют массу, теплосодержание и, как следствие, тепловую инертность остывающих продуктов синтеза. При послойном горении от радиальных размеров заготовки зависит как общее время синтеза, так и время охлаждения локальных объемов уже синтезированного материала. Наиболее холодной и прочной является зона эпицентра волны горения. В течение времени задержки прессования, с одной стороны, уменьшается неоднородность температурного поля, но, с другой стороны, происходит охлаждение всего объема продуктов синтеза. В исследованном диапазоне варьирования технологических параметров при обоих вариантах зажигания минимальная расчетная температура выше эвтектической температуры системы TiC-Ni и продукты синтеза находятся в твердожидком состоянии.

Несмотря на общий характер качественных закономерностей, способ зажигания определяет  количественное различие теплового состояния продуктов синтеза. Так, результаты расчетов показывают, что параметры теплового режима зависят от длины пути горения lг, времени горения шихтовой заготовки tг и времени послойного охлаждения (см. рис. 2.13, 2.22). По сравнению с зажиганием с боковой поверхности зажигание из центра характеризуется меньшими величинами времени горения и послойного охлаждения, поэтому при прочих равных условиях центральное зажигание должно обеспечивать получение более высокой конечной температуры синтезированного материала.

На рис. 2.23 показано распределение температуры центра Тц и контактной поверхности Тк вдоль радиуса круглой заготовки из сплава TiC-20% Ni при зажигании с боковой поверхности и из центра. Радиус заготовки составлял R1 = 39 мм; толщина заготовки
hзаг=14 мм; толщина песчаной оболочки hоб = 10 мм; время задержки прессования tз = 0,5 с. При центральном зажигании распределение температуры симметрично относительно оси заготовки с координатой r = 39 мм. При боковом зажигании левая половина заготовки, в которой начиналось горение (0 £ r £ 39 мм), является более холодной, чем правая половина заготовки, в которой завершался синтез (39 мм £ r £ 78 мм). Для обоих вариантов зажигания локальные объемы правой половины заготовки охлаждаются в течение одного и того же времени. Соответственно характеристики температурного поля в этой части заготовки не зависят от местоположения точки зажигания.

 

Основные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке

Р и с. 2.23. Изменение температуры контактной поверхности Тк (1¢, 2¢) и центра Тц (1, 2) по радиусу

заготовки:

1, 1¢ – боковое зажигание; 2, 2¢ – центральное

 зажигание

 

Интегральной количественной характеристикой теплового состояния температурно-неоднородной заготовки является средняя по ее объему температура Т1ср. При зажигании из центра и осесимметричном температурном поле средняя температура заготовки составляет Т1ср = 2250 оС. При зажигании с боковой поверхности в связи с формированием асимметричного температурного поля средняя температура слоя единичной толщины заготовки меньше и равна
Т1ср = 2190 оС. Вместе с тем количественное различие несущественно и в относительных единицах не превышает 3%.

Рассмотренные технологические параметры (размеры заготовки и оболочки, время задержки прессования) являются независимыми переменными только при теоретическом анализе общих закономерностей теплообмена. При решении практической задачи по получению изделия заданной геометрической формы размеры заготовки уже не являются варьируемым параметром. Кроме того, в работах экспериментально установлено, что увеличение времени задержки прессования tз негативно влияет на плотность СВС-прессованных материалов. Опережая события, отметим, что аналогичный результат также получен и авторами настоящей работы (см. разд. 6). Вот почему для обеспечения максимальной степени уплотнения заготовки время задержки tз должно быть минимальным и фактически являться фиксированным параметром. В итоге технологическое приложение математической модели процесса теплообмена состоит в определении одного параметра – размеров оболочки. Критерием выбора может служить средняя температура заготовки Т1ср.

На рис. 2.24 показано влияние толщины песчаной оболочки hоб на расчетную величину температуры Т1ср при синтезе круглой заготовки из сплава TiC-20% Ni  с двумя  вариантами зажигания. Радиус  заготовки при расчетах составлял R1 = 39 мм; толщина заготовки
hзаг = 14 мм; время задержки прессования tз = 0,5 с. Уменьшение толщины оболочки сопровождается сначала незначительным, а затем резким уменьшением средней температуры заготовки. Момент начала интенсивного охлаждения продуктов синтеза на кривой Т1ср(hоб) определяет минимально допустимую толщину песчаной оболочки. Для рассматриваемого типоразмера заготовки нижний предел толщины оболочки составляет hоб » 2,5 мм при боковом и hоб » 4 мм при центральном зажигании. Указанной толщины оболочки достаточно для обеспечения надежной теплоизоляции продуктов синтеза от стального инструмента. Однако окончательно вопрос об оптимальных размерах сыпучей оболочки может быть решен после изучения закономерностей процесса деформирования и уплотнения синтезированного материала в оболочках различных размеров.

При описании процесса пластического деформирования принципиально важным является вопрос о том, насколько корректно можно использовать приближение изотермического и однородного температурного поля. Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть характер температурного распределения в заготовке и оболочке и его динамику во времени. Из приведенных выше результатов следует, что для заготовки квазистационарное температурное поле формируется в зоне с режимом внутреннего охлаждения. В горизонтальном направлении (координата х или r) температурное поле этой зоны достаточно хорошо удовлетворяет условиям стационарности и однородности. Рассмотрим температурное поле в заготовке и оболочке в вертикальном направлении (координата у или z). Сначала определим временные рамки процесса охлаждения на стадии прессования. При СВС-прессовании на гидравлических прессах со скоростью перемещения плунжера 8-10 мм/с время деформирования синтезированной заготовки находится в пределах 1,5-3 с. С учетом времени срабатывания исполнительной системы пресса процесс неизотермического пластического деформирования происходит в промежутке времени от tз » 0,5 с до tз » 4 с.

Подпись:
Р и с. 2.24. Влияние толщины оболочки hоб на среднюю температуру заготовки Т1ср:
1 – боковое зажигание; 2 – центральное зажигание
На рис. 2.25 и 2.26 приведены расчетные данные о распределении температуры по высоте в заготовке и оболочке для указанных значений времени задержки в двух характерных сечениях, соответствующих положению границ зоны с внутренним охлаждением. В случае бокового зажигания границы этой зоны имеют координаты х = 22 мм и х = 72 мм (см. рис. 2.8); при центральном зажигании – r = 0 и r = 35 мм (см. рис. 2.17). Согласно результатам расчета распределение температуры по высоте заготовки в пределах рассматриваемой зоны имеет малый градиент температуры и температурное поле близко к однородному. В течение времени tз = 4 с средняя температура зоны с внутренним охлаждением уменьшается на 100-150 оС, что в относительных единицах составляет величину около 5%. В целом, в пределах зоны с внутренним охлаждением заготовку можно считать равномерно нагретым телом с постоянной температурой.

 

Основные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочкеОсновные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке

а                                                                       б

Р и с. 2.25. Распределение температуры по высоте плоского слоя и оболочки при боковом зажигании в сечениях с координатой

х = 22 мм (а) и х = 72 мм (б):

1 – tз = 0,5 с; 2 –  tз = 4 с

 

Основные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочкеОсновные закономерности формирования теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке

а                                                                          б

Р и с. 2.26. Распределение температуры по высоте заготовки и оболочки при центральном зажигании в сечениях с r = 0 (а) и r = 35 мм (б):

1 – tз = 0,5 с; 2 – tз = 4 с

 

В оболочке, напротив, имеют место высокие градиенты температуры, и наблюдается локализация высокотемпературной области в пределах узкой зоны контакта оболочки с заготовкой. Оценим размер высокотемпературной области, в которой начинает проявляться снижение сопротивления деформации песчаной оболочки. Согласно данным работы заметное разупрочнение огнеупорных материалов на основе кварца SiO2, из которого примерно на 95% состоит песок,  начинается  при  нагреве до температуры свыше 1000 оС. Из результатов расчетов следует, что глубина прогрева песчаной оболочки до температуры 1000 оС за время tз = 4 с не превышает 3 мм при боковом и 2 мм при центральном зажигании. Ввиду незначительных размеров зоной начала температурного разупрочнения можно пренебречь и принять, что песчаная оболочка сохраняет начальную (комнатную) температуру.

 

Таким образом, в течение времени прессования тепловой режим в зоне с внутренним охлаждением в первом приближении можно считать стационарным с однородным температурным полем в заготовке и песчаной оболочке. Следует отметить, что зона с режимом внутреннего охлаждения в зависимости от способа зажигания занимает около 80-90% объема заготовки, поэтому вполне допустимо и для всего объема заготовки и оболочки принять приближение изотермического и однородного температурного поля. Вопрос корректности такого допущения рассмотрен в разд. 6 при сопоставлении изотермической и неизотермической моделей пластического деформирования.

В заключение сформулируем в концентрированной форме основные результаты, полученные на основе анализа решений краевых задач плоского и осесимметричного нестационарного теплообмена в системе трех тел конечных размеров с внутренней подвижной границей первого рода (фронт горения).

 

1. Установлено, что в связи с узким интервалом изменения температуры при охлаждении продуктов синтеза в песчаной оболочке результаты решения физически нелинейной и линейной задач практически совпадают. Это позволяет в дальнейшем рассматривать более простую физически линейную задачу без учета зависимости теплофизических свойств продуктов синтеза от температуры.

2. Показано, что при нестационарном контактном теплообмене в заготовке формируется режим внутреннего охлаждения, при котором температура контактной поверхности за фронтом горения остается постоянной и происходит выравнивание температуры по объему заготовки. Режим внутреннего охлаждения сохраняется в широком интервале варьирования основных технологических параметров процесса СВС - прессования. Для оценки параметров температурного поля в зоне с внутренним охлаждением может быть использовано аналитическое решение одномерной задачи об охлаждении бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду.

 

3. Получены основные закономерности влияния технологических факторов на тепловой режим СВС-прессования в песчаной оболочке. Показано, что размеры и индивидуальные теплофизические свойства оболочки оказывают влияние на эффективные теплофизические свойства двухслойной теплоизоляции «оболочка-инструмент» и интенсивность контактного теплообмена. Размеры заготовки определяют теплосодержание и тепловую инертность остывающих продуктов синтеза. В исследованном диапазоне варьирования технологических параметров при зажигании с боковой поверхности или из центра заготовки минимальная расчетная температура выше эвтектической температуры системы TiC-Ni и продукты синтеза находятся в твердожидком состоянии.

4. Определены расчетные минимальные значения толщины песчаной оболочки для обеспечения надежной теплоизоляции горячих продуктов синтеза от стального инструмента. Для варианта бокового зажигания нижний предел толщины оболочки составляет ~ 2,5 мм; для центрального зажигания – около 4 мм.

 

5. Результаты расчетов показали, что в пределах зоны с внутренним охлаждением температурные градиенты малы, и распределение температуры в заготовке можно считать однородным, а тепловой режим – изотермическим. В оболочке, напротив, имеют место высокие температурные градиенты и локализация высокотемпературной области в пределах узкой зоны контакта оболочки с заготовкой. Размеры зоны начала температурного разупрочнения песка не превышают 2-3 мм, и можно принять, что весь объем песчаной оболочки сохраняет начальную температуру. Корректность принятия приближения однородного и изотермического температурного поля в заготовке и оболочке должна быть проверена при сопоставлении изотермической и неизотермической моделей пластического деформирования, что является целью дальнейших  исследований.

 


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика