Прессование и обработка пластиковых материалов Результаты моделирования и экспериментальных исследований

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

 

Моделировался процесс СВС-прессования кольцевых заготовок со следующими размерами: начальные радиусы заготовки
r10 = 74 мм; R10 = 113 мм; радиусы матрицы r2 = 67 мм; R2 = 120 мм; начальная высота шихтовой заготовки h10 = 35 мм; начальная высота всего деформируемого объема h0 = 49 мм. Скорость перемещения плунжера пресса принималась равной v0 = 5 мм/c. Время задержки прессования составляло tз = 5 с. В экспериментах осуществлялось ступенчатое изменение нагрузки с выдержками при постоянном давлении q в течение заданного времени tв. Программы нагружения взяты из работы.

При СВС-прессовании КГИ теплоизолирующей оболочкой служит не песок, а жесткие песчаные фильтры с относительной плотностью rф = 0,5 и пределом прочности на сжатие 2,5 МПа. Шихтовая заготовка размещается внутри жестких фильтров с радиальными зазорами порядка Dr » 1 мм. С таким же радиальным зазором фильтры устанавливаются и внутри матрицы. Конструктивные особенности теплоизоляции КГИ учитывались в математических моделях теплообмена и пластического деформирования следующим образом. Так как полость между заготовкой и фильтрами заполняется горячими газами, выделившимися при горении, то принималось, что на стадии задержки прессования теплообмен заготовки с оболочкой не происходит. При силовом нагружении происходит разрушение жестких фильтров и они превращаются в песок насыпной плотности r20. Уплотнение сыпучей оболочки, образовавшейся после разрушения жестких фильтров, начинается после того, как заполнится весь объем радиальных зазоров. До этого момента теплоизолирующая оболочка не оказывает сопротивления деформации и происходит свободная осадка заготовки без изменения ее радиальных размеров на величину

                                         Результаты моделирования и экспериментальных исследований,                                    (6.20)

где Vз – объем радиальных зазоров; S1 – площадь основания заготовки. Для рассматриваемых размеров кольца при Dr =1 мм; rф = 0,5 и r20 = 0,61 начальная высота заготовки при свободной осадке уменьшится на величину Dh1 = 4,3 мм и составит h1 = h10 - Dh1 » 31 мм. Соответственно с этого момента времени наступает полный контакт заготовки с оболочкой и оболочка начинает оказывать сопротивление деформации. При свободной осадке теплообмен учитывался только на опорных поверхностях заготовки. Боковые поверхности считались полностью теплоизолированными.

Результаты расчета, представленные на рис. 6.8, показывают достаточно хорошее соответствие с экспериментальными данными. Следует отметить, что  при  умеренных  давлениях  прессования, не превышающих q =100 МПа, расчет показывает более высокую степень уплотнения по сравнению с экспериментом. Аналогичный результат получен и в работе. Это расхождение может быть связано с образованием закрытой пористости и неполным выдавливанием зажатых в порах газов из внутренних объемов при давлениях прессования до q = 100 МПа. Эффект образования закрытой пористости в рамках рассматриваемой модели не описывается, что, вероятно, и является причиной расхождения результатов расчета и эксперимента в диапазоне умеренных давлений. Достаточно хорошее соответствие результатов расчета с экспериментальными данными работы подтверждает адекватность принятых теплофизических и реологических моделей горячих продуктов синтеза и песчаной оболочки и в случае прессования КГИ со ступенчатым нагружением.

Уровень физической и математической постановки и метод решения краевой задачи неизотермического деформирования позволяют выполнить подробный анализ закономерностей теплообмена, уплотнения и формообразования при СВС-прессовании кольцевых изделий. По результатам расчетов кратко рассмотрим основные закономерности процессов теплообмена и формообразования для второго эксперимента.

На рис. 6.9 приведены расчетные данные о динамике распределения температуры по радиусу r и высоте z в заготовке и оболочке в их средних сечениях. Температурное поле в заготовке близко к однородному полю температур. Максимальная разность температур в центре Тц и на контактной поверхности заготовки Тк не превышает DТ = Тц - Тк = 50 оС, что меньше 3%. Это позволяет для оценочных расчетов теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке использовать приближение однородного температурного поля.

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

1

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

2

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

3

 

Р и с. 6.8. Зависимости средней относительной плотности заготовки r1 и давления прессования q от времени t: 1, 2, 3 – номера экспериментов;  эксперимент – сплошные линии; расчет – штриховые линиии

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

а

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

б

Р и с. 6.9. Распределение температуры по

радиусу r (а) и высоте z (б) заготовки и

 оболочки в различные моменты времени t:

1 – t = tз = 5 с; 2 – t = 15 с; 3 – t = 20 с

 

Скорость охлаждения КГИ в песчаной оболочке невысокая и составляет в среднем 8 град/с (рис. 6.10). Это в два раза меньше, чем скорость охлаждения малогабаритных изделий. Вместе с тем непрерывное охлаждение приводит к постепенному уменьшению способности материала к пластическому течению и уплотнению. Практический интерес представляет оценка температурно-временных и силовых параметров, при которых в неизотермических условиях можно получить беспористый материал.

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

Р и с. 6.10. Кинетика изменения средней температуры заготовки Т (1) и объема жидкой фазы mL (2)

 

Следуя работам, температуру, при которой синтезированный материал сохраняет способность к пластическому течению и уплотнению, будем называть температурой живучести Тж, а время охлаждения до температуры Тж – временем живучести tж. Соответственно длительность цикла обработки давлением остывающих продуктов СВС не должно превышать времени живучести.

Кроме температурно-временных параметров способность материала к пластической деформации зависит от величины напряжений и напряженно-деформированного состояния, поэтому количественную оценку параметров Тж и tж следует проводить для конкретной схемы деформирования продуктов СВС. Известные теоретические методы оценки Тж и tж для СВС-прессования используют простейшие одномерные модели процессов теплообмена и пластического деформирования. Так, для оценки теплового режима используется аналитическое решение об охлаждении бесконечного слоя вещества, помещенного в неограниченную среду с граничными условиями четвертого рода. Описание процесса пластического деформирования производится по схеме одностороннего прессования в закрытой матрице без оболочки. Естественно, что эти оценки носят качественный характер. Математические модели процессов теплообмена и пластического деформирования, учитывающие реальное физическое состояние материалов и граничные условия, позволяют более точно оценить искомые температурно-временные и силовые параметры. В дальнейшем под температурой живучести Тж будем понимать температуру, при которой для заданных размеров заготовки и оболочки, а также величины давления прессования q заготовка уплотняется до беспористого или близкого к нему состояния. Исходным технологическим параметром является заданное давление прессования q, величина которого определяется усилием пресса и габаритными размерами заготовки и инструмента. Процедура оценки температурно-временных рамок неизотермического процесса СВС-прессования состоит в следующем. Сначала для заданного давления q находится температура живучести материала. Затем по кривой охлаждения заготовки определяются время живучести и соответственно максимально допустимая длительность цикла обработки давлением остывающих продуктов СВС.

Для определения параметров Тж и tж процесса СВС-прессования кольцевых заготовок из сплава TiB-40% Ti выполнена серия вычислительных экспериментов по изотермическому прессованию с монотонным нагружением. Варьировалась изотермическая температура заготовки Т1 и определялось давление q, при котором средняя по объему относительная плотность прессованной заготовки составляет не менее r1 = 0,99. Результаты расчетов приведены на рис. 6.11.

 

 

q, МПа

 
Результаты моделирования и экспериментальных исследований

 

Р и с . 6.11. Влияние температуры на расчетное

давление прессования заготовок до относительной

плотности r1 = 0,99

 

Как и следовало ожидать, с уменьшением температуры Т1 увеличивается величина давления q, необходимая для получения беспористого материала. Вместе с тем следует отметить ряд особенностей на кривой q(Тж). Во-первых, при температуре Тж ³ 1700 оС беспористый материал получается при одном и том же давлении прессования, равном q » 33 МПа. Этот результат следует связать с твердожидким состоянием уплотняемого материала заготовки. Вязкость жидкой фазы на несколько порядков меньше вязкости твердого тела, и сопротивление деформации твердожидкого тела определяется реологией и количеством твердой фазы. Дисперсное твердожидкое тело становится механически устойчивым к внешнему силовому воздействию, если объемная доля твердой  фазы  rS  будет равна насыпной относительной плотности  rSН.  Если rS £ rSН, то твердая фаза находится во взвешенном состоянии и материал не оказывает сопротивления деформации. При температурах Т ³ Тэвт = 1677 оС объемная доля жидкой фазы mL в сплаве TiB-40% Ti составляет mL ³ 0,46. Согласно зависимости (6.11) объемная доля твердой фазы rS при уплотнении сплава  от  начального  состояния  с  r10 = 0,55 до беспористого  состояния  с  r1 = 1 находится в пределах rS = 0,3 - 0,54. Это меньше или незначительно больше, чем теоретическая насыпная относительная плотность, которая для монодисперсных сферических частиц равна rSН = 0,53. Частицы твердой фазы изолированы расплавом от контакта друг с другом, и материал заготовки не оказывает сопротивления деформации в течение всего процесса прессования, поэтому при Т ³ Тэвт величина давления q полностью определяется механическими свойствами оболочки и не зависит от  свойств  заготовки.  При  температурах Т < Тэвт объема расплава недостаточно, чтобы исключить контактное взаимодействие и деформирование частиц твердой фазы, поэтому с уменьшением температуры и количества расплава увеличиваются объем пластически деформируемой твердой фазы и расчетное давление прессования q. При температуре, меньшей, чем температура полной кристаллизации Ткр = Тэвт - 50 оС, жидкой фазы нет, и отмечается резкое увеличение давления q с уменьшением температуры. Практический опыт СВС-прессования подтверждает, что при давлениях прессования q = 200-250 МПа необходимым условием получения высокоплотного материала на основе тугоплавких соединений является наличие в нем жидкой фазы. Для рассматриваемого варианта максимальное давление  составляет  q = 225 МПа.  Из  диаграммы q - Т1  можно получить  значение Тж » 1630 оС  и  из  зависимости «Т(t) – допустимое  время  цикла  нагружения» – tж » 20 с. Этот результат хорошо согласуется с длительностью цикла ступенчатого нагружения в экспериментах.

Наряду с плотностью материала качество СВС-прессованного изделия определяется его размерной точностью. На рис. 6.12 приведена расчетная форма сечения кольцевой заготовки.

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

 


 

 

r1 =75,4 мм

 

21

 

20,8

 
Результаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследований

21

 
Результаты моделирования и экспериментальных исследованийРезультаты моделирования и экспериментальных исследований

 

 

Результаты моделирования и экспериментальных исследований

R2 =111,8 мм

 

 

 


Р и с. 6.12. Форма сечения спрессованной кольцевой заготовки

 

 

Опорные и боковые поверхности заготовки имеют вогнутую форму в виде кратера с плоским дном. В среднем сечении внутренний радиус прессованной заготовки составляет r1 = 75,4 мм и увеличился по сравнению с начальным размером r1 = 74 мм на 1,4 мм; наружный радиус, наоборот, уменьшился с R2 = 113 мм до R2 = 111,8 мм. Одной из причин искажения формы является неоднородность температурного поля, которое формируется в заготовке. Температура объемов, расположенных по периметру заготовки вблизи границ контактного теплообмена с оболочкой, на 50-100 оС меньше температуры центральных объемов. Наиболее ²холодными² являются объемы, находящиеся в окрестности ребер заготовки. При прессовании ²холодные² объемы деформируются и уплотняются в меньшей степени, чем горячие, и происходит искажение формы заготовки. Кроме температурного фактора неоднородное деформирование при СВС-прессовании связано с различием реологических свойств заготовки и оболочки. В частности, в разд. 5 и работах показано, что поверхность заготовки становится вогнутой, если сопротивление деформации продуктов синтеза меньше, чем прочность материала оболочки.

Разработанная математическая модель позволила получить количественные оценки закономерностей уплотнения и формообразования крупногабаритных кольцевых изделий и может быть использована для прогнозирования конечных свойств материала и оптимизации технологических режимов процесса.

В заключение сформулируем в концентрированной форме основные результаты исследований, выполненных в этом разделе, и некоторые рекомендации.

1. Выполненное экспериментальное и расчетное исследование влияния временных параметров на закономерности уплотнения и формообразования круглых пластин показало, что при минимально необходимых временах цикла прессования неизотермическая и изотермическая модели пластического деформирования процесса СВС-прессования круглых пластин в песчаной оболочке дают практически одинаковые результаты расчета формы и плотности заготовки. Слабая зависимость физико-геометрических свойств круглых заготовок от температурного режима обусловлена одномерным теплообменом на боковой поверхности и несущественным различием температуры периферийных объемов в неизотермической и изотермической моделях. В квадратных или прямоугольных заготовках двумерный теплообмен и охлаждение ребер на боковой поверхности приводят к сильному искажению формы спрессованной заготовки. Применение шихтовой заготовки с фасками на боковых ребрах позволяет за счет уменьшения площади теплоотводящей поверхности и скорости охлаждения ребер значительно повысить размерную точность спрессованной заготовки.

2. Неизотермическая и изотермическая математические модели достаточно хорошо описывают процесс формообразования заготовки, но завышают уровень плотности. Такое расхождение вызвано образованием усадочной пористости во внутренних объемах заготовки при кристаллизации расплава. Этот процесс в рамках принятых моделей не описывается.

3. Расчетами и экспериментальными исследованиями подтверждено, что плотность заготовок возрастает пропорционально температуре начала деформирования продуктов синтеза. Для получения максимальной степени уплотнения синтезированного материала необходимо использовать технологический цикл с минимальным временем задержки прессования.

4. Показано, что вязкое течение и уплотнение горячих продуктов СВС на стадии выдержки при постоянном давлении прессования происходит при условии пластической деформации оболочки и прекращается, когда оболочка вследствие упрочнения переходит в упругое состояние. Согласно результатам расчетов и экспериментов время перехода оболочки из пластического состояния в упругое состояние составляет 1-2 с, и дальнейшая выдержка под давлением не приводит к заметному уплотнению заготовки.

5. Выполнена расчетная оценка температурно-временных и силовых параметров, при которых в неизотермических условиях можно получить практически беспористую крупногабаритную кольцевую заготовку из сплава TiB-40% Ti. Показано, что для реальных давлений прессования 200-250 МПа необходимым условием получения высокоплотного материала на основе тугоплавких соединений является наличие в нем жидкой фазы. Соответственно температура деформации должна быть выше эвтектической температуры синтезированного сплава.

 


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика