Разработка процесса холодной штамповки высокоплотных заготовок и деталей из металлических порошков на основе железа в конической матрице на прессах Кокорин Алексей Валерьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Повышение эффективности процесс уплотнения металлических порошковых сред при получении высок оплотных изделий 10

1.1 Технологии процесса производства высокоплотных деталей конструкционного назначения из металлических порошков на основе железа 11

1.2.Выводы 27

1.2.1 Цели и задачи исследования 28

ГЛАВА 2. Предмет и методы исследования 31

2.1. Предмет исследования 31

2.2. Методы исследований

2.2.1. Исследования напряженно-деформированного состояния пластического деформирования механической смеси 32

2.2.2. Исследование процесса уплотнения гетерофазной механической смеси

2.2.3 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 35

2.2.4 Изучение структуры уплотненного материала 39

2.2.5. Применяемые материалы, инструмент и оборудование 40

2.3. Выводы 42

ГЛАВА 3. Теоретико-экспериментальное исследование процесса интенсивного уплотнения гетерофазных механических смесей на основе железа при реализации условий нагружения, моделирующих и инициирующих локализованный сдвиг 43

3.1. Схемы деформирования 43

3.2. Напряжённо-деформированое состояние материала при прессовании в конической матрице 3.2.1. Перемещения и деформации 45

3.2.2. Напряжения и действующие силы 52

3.2.3. Боковое давление 58

3.3. Экспериментальные исследования уплотнения гетерофазных 62

механических смесей на основе железа при реализации условий нагружения, моделирующих локализованный сдвиг 62

3.4 Расчетные модели процесса уплотнения механической смеси при реализации осевого и тангенциального перемещения материала 79

3.5. Анализ интенсивности изменения бокового давления при реализации тангенциальных деформаций в поперечном направлении 85

3.6.Исследование деформационного упрочнения металлической матрицы основы массива прессовки гетерофазной механической смеси 90

3.7. Выводы 96

ГЛАВА 4. Исследование структурирования при локализованном сдвиге плотноупакованной структуры. анализ реализации технологии интенсивного уплотнения . 99

4.1. Металлографические исследования структурирования 99

4.2. Исследование механических свойств консолидированных структур 108

4.3. Перспективная техника и технология прессования цилиндрических деталей с обеспечением условий нагружения, инициирующих и реализующих локализованные сдвиговые деформации 110

4.3.1. Прессформа для прессования порошковых механических увлажненных смесей при изготовлении высокоплотных цилиндрических изделий 110

4.3.2.Производство цилиндрических деталей конструкционного назначения тяжелонагруженных 115

4.4. Сравнительный расчет экономической эффективности основных 118

технологий прессования металлических порошков при получении 118

плотноупакованных изделий 118

4.4.1. Исходные данные 119

4.4.2. Анализ рассматриваемых технологий 119

4.4.3. Определение годового экономического эффекта 122

4.5. Годовой экономический эффект представленных технологий 134

4.6 Выводы 137

Заключение 138

Список литературы

• Технологии процесса производства высокоплотных деталей конструкционного назначения из металлических порошков на основе железа
• Исследование процесса уплотнения гетерофазной механической смеси
• Напряжения и действующие силы
• Исследование механических свойств консолидированных структур

Введение к работе

Актуальность темы

Важной проблемой, стоящей перед современным промышленным производством, является повышение эффективности, конкурентоспособности технологий и продукции, обеспечение их импортозамещения в процессах, связанных с получением высокоплотных порошковых деталей и заготовок, обладающих повышенным комплексом механических характеристик.

Современной тенденцией развития процессов обработки давлением при получении изделий, приближающихся по уровню физико-механических свойств к компактным деталям из литья и проката, является снижение остаточной пористостью до уровня 1% и образование благоприятной регламентированной структуры металла, что является важной

на учно-технической проблемой в связи с традиционно высок ой потребностью промышленности в деталях к онструкционного назначения. Наибольшими

преимуществами обладает схема нагружения, реализующая комплексное всестороннее сжатие и сдвиговые деформации, при которых можно ожидать как снижение величины деформирующих сил, так и повышение плотности деталей и заготовок. Однако в настоящее время отсутствуют системные данные по использованию эффективных схем уплотнения гетерофазных механических смесей, реализующих сдвиговые деформации; не выявлен механизм влияния условий уплотнения на структурирование; не сформулированы требования, которым должен отвечать инструмент для производства высокоплотных заготовок из металлических порошков обработкой давлением на прессах что

обуславливает актуальность темы исследования.

Таким образом, исследования процессов интенсивного уплотнения гетерофазных механических систем за счет структурного и деформационного механизмов уплотнения при реализации сдвиговых деформаций решает важную научно-техническую задачу, востребованную промышленным производством.

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в Ульяновском государственном техническом университете в рамках госбюджетной НИР « Разработка и исследование ресурсосберегающих процессов получение заготовок с применением давления»

Цель работы:

Разработка новых технологических решений штамповки заготовок и деталей из металлических порошков на основе железа, обеспечивающих повышение качества структуры материалов на основе получения плотностей, приближенных к теоретической, при реализации механических схем нагружения, инициирующих комплексное осевое и тангенциальное перемещение уплотняемого материала при обеспечении условий возникновения локализованного сдвига. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Провести анализ закономерностей уплотнения поровой структуры и пластического деформирования твердой фазы механической смеси в условиях структурного и деформационного воздействия при использовании схемы нагружения, реализующей комплексное осевое и тангенциальное воздействие на уплотняемую среду;

2. Теоретически выявить основные зависимости влияния деформирования в конической матрице на величину удельных сил при реализации локализованного сдвига;

3. Исследовать процесс получения структур теоретической плотности при реализации локализованных сдвиговых деформаций;

5. Провести оценку эффективности интенсивного уплотнения гетерофазной механической смеси в условиях действующег₃о производства.

6. Разработать конструкцию технологической оснастки, реализующую условия, инициирующие сдвиг;

Научная новизна работы:

1. Разработан способ интенсивного уплотнения гетерофазных механических смесей
при образовании структур теоретической плотности, что соответствует требованиям к
тяжелонагруженным деталям конструкционного назначения. Данный способ основан на
реализации в механической схеме нагружения условий возникновения сдвиговых
деформаций.

2. Выявлены основные системные факторы, характеризующие структуру и
классифицирующие состояния плотноупакованной гетерофазной смеси в процессе
интенсивного уплотнения в условиях комплексного осевого и тангенциального
воздействия на уплотняемую среду.

3. Экспериментально определены общие закономерности постадийного уплотнения, установлен четырехстадийный процесс консолидаций гетерофазной механической смеси на основе железа. Представлен анализ постадийного кластерного состояния плотноупакованной структуры при реализации условий нагружения, инициирующих локализованный сдвиг.

4. Предложены теоретические модели, позволяющие устанавливать величину давления на деформирующем пуансоне и обеспечивающие получение структур теоретической плотности. Предложены комплексные параметрические модели, определяющие технологические параметры прессования. Установлена величина бокового давления в зави симости от стадий уплотнения.

5. Установлен характер деформационного упрочнения матрицы-основы при реализации механизма деформационного уплотнения.

6. Разработана перспективная схема холодной штамповки цилиндрических деталей и конструкция технологической оснастки при использовании комплексного осевого и тангенциального перемещения уплотняемого материала при обеспечении условий возникновения локализованного сдвига.

Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки задач исследования; большим объемом экспериментов и сравнительным анализом и корреляцией с известными данными; использованием современных методов исследования и привлечением статистических методов обработки результатов, а так же в успешной апробацией результатов работы в промышленных условиях.

Практическая ценность результатов работы:

1. Показана эффективность технологической схемы комплексного осевого и
тангенциального воздействия на уплотняемую гетерофазную механическую смесь при
достижении плотностей теоретического уровня;

2. Получена экспериментальная база данных по результатам интенсивного уплотнения и структурирования увлажненных смесей при реализации в механической схеме нагружения совместного поперечного и осевого перемещения и деформации материала, создающих условия возникновения локализованного сдвига;

3. Разработана перспективная конструкция оснастки, позволяющая обеспечивать возникновение локализованных сдвиговых деформаций при прессовании цилиндрических изделий с регламентированной размерной точностью.

Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждается соответствующими актами.

Личный вклад автора

Концепция работы, формулирование цели, определение задач и их практическая реализация принадлежат автору. Теоретико-аналитическая и экспериментальная части

исследования выполнены при участии сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ под руководством и непосредственным участии автора.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций. – Саратов: СГТУ, 2009., Всероссийская НТК «Проведение научных исследований в обработке, хранении, передачи и защиты информации», Ульяновск, УлГТУ, 2009., Международная НТК “Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении-2014 FRITME-2014”, ИМАШ РАН, Москва, Россия (2014, 2105), 47,48,49,50 НТК” Вузовская наука в современных условиях”, Ульяновск, УлГТУ( 2013,2014,2015,2016), Всеросс. НТК «Студенческая научная весна (2011, 2013, 2015): М. Машиностроительные технологии.-М.: МГТУ Им. Э. Баумана (2011, 2013, 2015), СНТК «Cтудент-науки будущего». -Ульяновск,.:УлГТУ,2015. Международная НТК” Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2011)”: СПб, 2011;. Международная НТК ” Неделя науки СПбПУ”.-СПб.: СПбПУ (2014, 2015).

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в УлГТУ в рамках госбюджетной НИР «Разработка и исследование ресурсосберегающих процессов получение заготовок с применением давления»

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 35 научные работы, в том числе 10 статей в рецензированных изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 учебное пособие. На защиту выносятся:

1. Способ получения высокоплотных заготовок и деталей из увлажненного металлического порошка с использованием условий нагружения, инициирующих локализованный сдвиг при получении структур теоретической плотности;

2. Научнообоснованные принципы интенсивного уплотнения и структурирования за счет физико–механического взаимодействия системы контактирующих объектов гетерофазной механической смеси при комплексном осевом и тангенциальном воздействии на уплотняемую среду;

3. Результаты аналитических и экспериментальных исследований взаимодействия основной и заполняющей фаз структуры пористого уплотняемого тела в процессе интенсивного уплотнения;

4. Математические и физические модели постадийного структурообразования при получении высокоплотных структур в процессе интенсивного уплотнения;

5. Математические модели и экспериментальные исследования процесса уплотнения; величины бокового давления; методика установления стадийности структурообразования увлажненных механических смесей при наличии условий нагружения инициирующих локализованный сдвиг;

6. Анализ деформационного упрочнения матрицы-основы порошковой смеси при интенсивном уплотнении;

7. Результаты разработки и внедрения технологического оснащения процессов прессования деталей и заготовок из металлических порошков при получении структур теоретической плотности.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы (134 наименований). Объемы диссертаций: 165 страниц машинописного текста, 62 рис., 14 табл.

Технологии процесса производства высокоплотных деталей конструкционного назначения из металлических порошков на основе железа

В целях развития импортозамещения технологий (продукции) отраслей машиностроения, автомобилестроения, тракторостроения и др. решение вопросов о перспективных путях повышения качества изделий, производительности труда и ресурсосбережения является актуальным и современным. Определяющую роль при этом отводится инновационным технологиям и материалам, позволяющим получать изделия, обладающих повышенным комплексом механических характеристик. Порошковые материалы и изделия из них в настоящее время занимают весомую долю при производстве деталей с улучшенными и специальными свойствами.

В работе В.М. Горохова, Е.М. Звонарёва [1] даётся краткий анализ перспектив потребности в порошковых деталях, заключающийся в том, что мировой промышленный рынок в области производства комплектующих для нужд автомобилестроения связывается в нынешнее время с появлением на производственном рынке широкой гаммы новых металлических порошков, а так же новых способов, инструмента и оборудования для их компактирования в изделия сложной формы, высокой плотности и размерной точности. Это дало новый импульс в расширении номенклатуры и объёмов производства деталей конструкционного назначения на основе железа в таких ведущих в области автомобилестроения и машиностроения странах, как США, Германия, Япония и др. Среднегодовые темпы роста объёмов производства деталей и заготовок из металлических порошков на основе железа в этих странах за последние годы составляет 6…8%.

Основной проблемой при производстве порошковых изделий является высокая остаточная пористость, что ведёт к существенному снижению физико-механических и эксплуатационных свойств изделий. Уменьшение остаточной пористости во многом достигается за счёт применения схем нагружения при холодном формовании, сочетающих как всестороннее сжатие, так и сдвиговые деформации.

Исследованию вопросов повышения эффективности структурообразования при прессовании упрочняющихся металлических порошков посвящено большое количество публикаций отечественных и зарубежных исследователей: Бальшина М. Ю., Дмитриева А.М., Друянова Б.А., Гречникова Ф.В., Ждановича Г.М., Алымова М.И., Богатова А.А., Виноградова Г.А., Колбасникова Н.Г., Мартыновой И.Ф., Мертенса К.К., Перельмана В. Е., Радомысельского И. Д., Рудского А. И., Штерна М. Б., Шатта В., Цеменко В.Н., Сердюк Г.Г., Субич В.Н., Ребиндер П.А., Ковальченко М.С., Дорофеева Ю.Г., Овчинникова А.Г., Коробовой Н.В., Кокорина В.Н. и др. Результаты работ этих учёных позволяют более подробно и глубоко изучить механизмы консолидации металлических порошковых материалов, в том числе при получении высокоплотных механических смесей с остаточной пористостью, не превышающей 3%, которые можно отнести к тяжёлонагруженным [2,3].

Технологии процесса производства высокоплотных деталей конструкционного назначения из металлических порошков на основе железа Производственной практикой установлено, что одними из наиболее прогрессивных способов производства конструкционных деталей являются техника и технологии холодной штамповки металлических порошков. Современные технологии формообразования металлических порошков позволяют получать широкую номенклатуру изделий, обладающих высоким уровнем размерной точности, что сводит к минимуму дополнительную механическую обработку. Развитие процессов получения высококачественной продукции из металлических порошков основывается в значительной мере на разработке и использовании новых технологий консолидации дисперсных металлов, направленных на существенную минимизацию остаточной пористости и создание регламентированной структуры металла [4,109].

Наиболее распространенным видом порошковой продукции конструкционного назначения, используемого в машино-, и автомобилестроении, являются детали общего назначения на основе железа. Анализ литературы [1,88] позволяет сделать вывод, что порошковые конструкционные детали должны обладать высокой плотностью и прочностью, приближающиеся к плотным и прочным деталям, изготовляемых из проката и литья (остаточной пористость 1%)(Рисунок 1.1).

Исследование процесса уплотнения гетерофазной механической смеси

Система уравнений для определения параметров напряженно-деформированного состояния без учета массовых и инерционных сил представляется в следующем виде [107,108]: где у - компоненты тензора напряжений; І - интенсивность напряжений; -функция модификации условия пластичности за счет сжимаемости порошковой массы; s - предел текучести; еу- скорости деформации; и, - скорости перемещений; ощ - псевдо-тензор Леви-Чивиты; к - главное значение напряжения; 0 - среднее напряжение; Е - модуль пластичности.

Уравнение (2.1) представляют собой уравнение равновесия; уравнение (2.2) -условие пластичности; уравнение (2.3) - связь скоростей деформаций и перемещений; уравнение (2.4) - условие сплошности; уравнение (2.5) -физическое уравнение. К этим уравнениям необходимо присоединить условие сжимаемости и граничные условия, которые существенно зависят от типа решаемой задачи. Система уравнений (2.1) – (2.5), представленная в тензорном виде в декартовой системе координат, определяет капиллярную прочность структуры и механизм отвода флюида [100].

Дальнейшие стадии деформирования рассматриваются в приложении к технологической задаче свободной осадки порошкового материала с радиальным подпором.

Определяющим свойством структуры изучаемой смеси, состоящей из элементов трех агрегатных состояний, является ее связность, т.е наличие гибких связей, что отражено в интегральной (кластерной) модели [56,57,58] структурнонеоднородной гетерофазной механической смеси, причем наличие связей и их качество и устойчивость характеризуются стадией уплотнения. Гибкие связи, определяющие реологические свойства структуры, характеризуют наличие в материале предельного напряжения сдвига, при превышении которого происходит нарушение структурной упорядоченности. Начало сдвига определяется внешней сдвигающей нагрузкой, которой отвечает соответствующее внутреннее напряжение сдвига. На рисунке 2.1. представлены факторы, влияющее на предельное сопротивление сдвига [85]. Рисунок 2.1 – Основные факторы предельного сопротивления сдвига

Для изучения влияния основных факторов на процесс в качестве основных методов исследования использовались: геометрические методы измерения линейных и угловых величин [59], методы измерения плотности материала (гидростатический и массовый) [60], метод статического анализа [61], метод тензометрирования [62].

Статистическая обработка результатов экспериментального исследования заключалось в определении количества опытов по доверительной вероятности, оценки точности измерений, выборе плана эксперимента. Статистическая обработка результатов экспериментов по изучению процесса уплотнения заключалась в построении полиномиальных моделей и их анализе. При анализе результатов экспериментальных исследований использовались пакеты прикладных программ по обработке численных величин: Statgraphics, Matrixer, Micrsoft Exeel, MathCAD, позволяющие производить обработку и анализ данных, вычисление статических характеристик расчета, проверку по требуемым критериям. В рамках обработки результатов проводилось определение числа параллельных опытов, оценка достоверности результатов измерения, проверка однородности дисперсий, воспроизводимости параллельных наблюдений по критерию Кохрена. Оценка значимости коэффициентов регрессионных зависимостей проводили по критерию Стьюдента, гипотезу об адекватности полученных полиномиальных моделей со всеми значимыми коэффициентами проверяли с помощью критерия Фишера.

Для фиксирования стадии уплотнения в процессе прессования гетерофазной механической смеси и оценки интенсивности уплотнения предложена методика, заключающаяся в анализе изменения кривых уплотнений [63 – 65] при расчете интенсивности изменения приращения плотности по отношению к изменению давления в характерных точках (зонах): D=(i-o)/(qi-qo) , ( 2.6 ) где (i-o) .-характеризует интенсивность изменения плотности; (qi-qo) -характеризует интенсивность роста удельных усилий. Изменение десятичного порядка расчетной величины D, характеризую пороговые (пиковые) изменения поровой структуры, определяет фиксирование очередной стадии уплотнения.

При выборе интервалов между экспериментальными точками исходили из следующих соображений: кривые строятся при помощи 4…5 точек, точка перегиба устанавливалась при помощи3 характерных точек, повторяемость единичного опыта3 раз [86].

Напряжения и действующие силы

В области горловины матрицы зададим линейное изменение перемещений по углу в соответствии с вышеуказанным допущением в виде: Ur\a = иг(а,(р) = к- -а, (3.9) где а = d/(2sin), (см. Рисунок 3.2); - множитель, учитывающий соотношение плотностей на начальной и конечной стадиях деформирования в рамках континуальной модели ( = 0,915/ ).

Разделив обе части уравнения (3.8) на г2, приходим к следующему соотношению для радиального перемещения: Следовательно, распределение перемещений в теле прессовки полностью определяется зависимостью (3.10), в которой функциональная константа f() задаётся формулой (3.11).

В соответствии с формулой (3.5), можно получить величину радиальной деформации Г= — -Щ!І, (3.12) г з г3 а также две другие деформации с учётом формул (3.1) и (3.5). Таким образом, зависимости (3.10), (3.11) и (3.12) дают полную картину перемещений и деформаций, что также позволяет определить интенсивность деформаций сдвига [8, 64]: У(г,(р) = єі, (3.13) где правая часть задается в декартовых координатах соотношением [39]: ; = у V(n - 22)2 + (и - зз)2 + (22 - зз)2 + 6(22 + г\ъ + е3) (3-14) Зависимость (3.14) в терминах главных деформаций представляется в виде: V2 Ч = yV(i - 2)2 + (1 - з)2 + (2 - з)2- (3-15) Если произвести замену главных декартовых координат на сферические, то будут иметь место соотношения г = г; 2 = ; 3 = е, с использованием которых интенсивность деформации сдвига (3.13) будет иметь вид: у = Ц j(r - (ру + (г _ ду + (Є р _ ду (з.15) В силу формулы (3.1) (р = в , следовательно последнее слагаемое под корнем Еф — Eg = 0. Два других члена в квадрате - одинаковые, следовательно: V2 Y(r, p) = —л[2 {г - є2У = - (r - Єу) . Для определения разности деформаций в правой части формулы (3.16) преобразуем уравнение (3.4) к виду: 2єг + єг — (1 — 0 = 2єг — 2Є(р, или Зєг - (1 - 0 = 2(r - Єр), откуда получим: г-ф = r- {l-W). (3.17) Подставив правую часть зависимости (3.17) в уравнение (3.16), получим: у(г,(р) =\ г \(1 - 0] (318) Подставим в уравнение (3.18) г из формулы (3.12), а f((p) - из формулы (3.11). Тогда после несложных преобразований получим: У(г,(р) = \ЕГ (1 - 01 _ [1 - V 2/( р) 1 - / _ І""] = [ з П = = \—г\ = ;—7 (3.19) L г3 \ а 3 / J L8sin3a-r3 \ а 3 / J Окончательно, на начальной стадии уплотнения при / Ф 1: У (Г, ф) = \— -3 з ( ]\ (3 20) При развитых деформациях (четвертая стадия) W = 1 и, следовательно, из выражения (3.4) следует: р = 0 = _l (3.21) Тогда интенсивность деформаций сдвига принимает форму: , л V2V2 3 г , \1-W 2 -. Л] \1-W 2а3 /fc jo 1- М (3.22) На Рисунке 3.3 представлено распределение перемещений согласно зависимости (3.10), а на Рисунке 3.4 – распределение деформаций сдвига при соизмеримых значениях среднего диаметра и высоты конической части матрицы по сечению прессовки согласно формуле (3.22).

Как показывает Рисунок 3.3, с увеличением радиуса перемещение материала идет по-разному: в центральной части прессовки оно увеличивается, а по мере приближения к стенкам матрицы – снижается.

В то же время деформации сдвига имеют преимущественную тенденцию к уменьшению по мере удаления от горловины матрицы. В центральной части прессовки эти деформации незначительны, а по мере приближения к стенкам матрицы их значения повышаются существенно (Рисунок 3.4). В реальности, у стенок наклонной части матрицы влияние трения должно было бы приводить к стагнации деформаций сдвига, однако в рамках кинематического анализа учёт этого обстоятельства, к сожалению, невозможен.

Влияние параметров матрицы на уровень деформаций можно видеть на Рисунке 3.5. Можно заметить, что с увеличением диаметра горловины деформации повышаются, а при увеличении угла образующей матрицы – снижаются. Это указывает и на влияние размеров зоны «прямого давления» на перераспределение деформаций сдвига: с увеличением этой зоны уровень деформаций сдвига увеличивается. К сожалению, данная картина не позволяет оптимизировать форму матрицы, как, впрочем, и провести исследование функции деформации по параметрам матрицы. Даже при выбранной точке прессовки провести для неё оптимизацию параметров матрицы затруднительно, поскольку из равенства нулю первой производной получается трансцендентное уравнение по углу образующей матрицы. Хотя форма детали (прессовки) задаётся обычно конструктивно, однако для получения наилучшей структуры в результате деформирования в ряде случаев форму детали можно было бы приблизить к так называемой «оптимальной» матрице.

С этой целью найдём в первом приближении такие углы образующей матрицы, при которых сдвиговые деформации будут максимальными. На Рисунке 3.6 представлено распределение деформаций сдвига по телу прессовки (по координате r) в зависимости от угла наклона образующей матрицы. Отсюда видно, что наибольшие деформации сдвига характерны для указанного диапазона углов, ограниченного значениями в 11 и 16. Это значит, что для повышения плотности прессовки углы наклона образующей конической части матрицы следует брать равными 13…15.

Перемещения и деформации в теле прессовки можно выявить также моделированием в Deform3D или Ansys. Не менее важным является выявление возникающих напряжений при формовке. Рисунок 3.5 – Зависимость Рисунок 3.6 – Оптимальный диапазон деформаций сдвига от параметров углов образующей «тающей» «тающей» части матрицы: 1 – 3 – оснастки (d =30 мм): 1 – 4 – r = 60, 70, = 10, 12 и 15 соответственно 80 и 90 мм соответственно

Рассмотрим с помощью инженерного метода [121] модельную задачу осадки цилиндрической прессовки в коническом трубчатом контейнере из сплошного материала (Рисунок 3.7) до полного приведения последнего полностью в пластическое состояние. На Рисунке 3.7 дано примерное распределение давлений, необходимое для приведения каждого участка контейнера в пластическое состояние, показывающее, что у основания контейнера давления максимальные.

Исследование механических свойств консолидированных структур

Эксперименты по изучению консолидации и уплотнения гетерофазной механической смеси в конической матрице проводились с целью выявления функциональных связей между контролируемыми входными технологическими и структурными параметрами и выходными откликами, определяющими характер формоизменения и уплотнения. В проведенных экспериментах изучалось влияние величины межинструментального зазора (), исходной влажности (W) механической смеси, угла наклона конической образующей конической оснастки (о) на процесс уплотнения гетерофазной механической смеси при получении структур высокой плотности. В качестве регистрируемого параметра (отклика) принята плотность структуры на последней (четвертой) стадии уплотнения. Масса навески – 29 грамм.

Принципиальная схема экспериментальных исследований выявления функциональных связей процесса уплотнения

На рисунке 3.25 представлена принципиальная схема экспериментальных Основные технологические факторы, выделенные в настоящих исследованиях, представлены в безразмерном виде (использованы данные анализа основных параметров процесса уплотнения на основании теории подобия и размерностей):

Величина одностороннего зазора Z задавалась в диапазоне (0,05 … 0,1) мм. В основу выбора диапазона одностороннего зазора были положены материалы [8, 64] по анализу массопереноса (массопотерь) влажной смеси, где установлен ряд эффективного зазора, находящегося в диапазоне 0,005 Zотн 0,05, при котором достигается требуемый уровень плотности механической смеси при обеспечении минимизации массоуноса в межинструментальный зазор. Исходя из выше представленного, в экспериментах использована прессформа с регламентируемым варьируемым зазором Z=(0,05 … 0,1) мм, что обеспечивает Zотн=[0,025…0,005].

При выборе диапазона варьирования начальной влажности механической смеси учитывались данные анализа [8, 64], где зафиксировано, что повышенное влагонасыщеность (W 20%) приводит к резкому увеличению массопотери до 50% масс. доли; при W 10% не обеспечивается образование гомогенности смеси (и, как следствие, структуры прессовки) X2=W0 ; X2 є[0,2(20%); 0,1(10%)]

Угол наклона образующей матрицы варьировался в экспериментальных исследованиях в пределах от 10о до 30о. Верхний интервал диапазона варьирования определен исходя из анализа данных работы [25], где при рассмотрении условия возникновения сдвиговых деформаций предложен критерий, количественно определяющий условия их возникновения и развития. В качестве такого критерия предложен угол укладки зерен порошка , определяющий характер интенсивности повышения плотности прессовки (прочности структуры) за счет сдвига, где наибольшая интенсивность отмечено при угле укладки зерен 34-37о. В механике сыпучих сред [95,96] он определен как угол между предельными касательными и нормальными (к сдвигающим усилиям) напряжениями. В соответствии с результатами исследований Н.В. Коробовой диапазон угла о в настоящих исследованиях установлен от 10o до 30о, что определяет множество схем реализации возникновения сдвиговых деформаций.

Установлено преобладающее влияние угла наклона матрицы на интенсивность уплотнения. С увеличением угла наклона образующей наблюдается рост плотности структуры (Рисунки 3.26, 3.29). Графики на Рисунках 3.27, 3.30 характеризуются монотонно возрастающим увеличением плотности при росте влажности среды в рассматриваемом диапазоне; установлен доминирующий рост плотности среды при увеличении относительного зазора (Рисунки 3.28, 3.31). 83

В соответствии с планом полнофакторного эксперимента N=23 был проведен анализ влияния определяющих факторов: Z, W, о на плотность структуры на завершающей (четвертой) стадии уплотнения.

В соответствии с планом эксперимента и трехкратной воспроизводимостью каждой точки статистическая обработка полученных результатов проведена при использовании стандартной программы регрессионного и дисперсионного анализа по методу наименьших квадратов.

Получены комплексные параметрические модели в виде полиномов множественного порядка определяющие количественные связи плотности структуры, зазора, влажности и угла наклона образующей матрицы (формулы 3.48-3.53) при деформационном уплотнении и инициировании локализованного сдвига.

Значимость уравнения регрессии по критерию Фишера 0.004 Из таблицы 3.4 следует, что уровень статистической значимости уравнения регрессии – 0,004. Статистическая значимость факторов , z, w – 0,009; 0,112 и 0,002 соответственно. Наиболее статистически значимым ( = 0,002) является фактор w.

Параметры b, bz, bw являются коэффициентами эластичности (они показывают, на сколько процентов изменится отклик при изменении соответствующего фактора на 1 % от своего номинального значения) [97].

Из модели (3.7) следует, что изменение поочередно переменных , z, w на 1 % приведет к изменению отклика на 0,0081, 0,0024 и 0,0187 соответственно при неизменных значениях остальных переменных. Таким образом, переменная w имеет наибольшую степень влияния на отклик. Заметим, что уравнение регрессии (3.55) отвечает 95 % общей дисперсии отклика.

3.5. Анализ интенсивности изменения бокового давления при реализации тангенциальных деформаций в поперечном направлении

Анализ предложенных физических и расчетных моделей процесса структурирования позволяет сделать вывод, что в многофазных материалах вклад в процессы уплотнения и деформирования структуры дает перемещение частиц вторичных фаз (жидкость, а также жидкость с растворенным в ней воздухом пор), – в соответствии с механизмом стадийного уплотнения.

В работах [98,99] установлено что стабильность (равновесие) механической системы возможно в том случае, если деформация упругого сжатия на каждой из координатных осей равна сумме деформаций упругого расширения под влиянием упругого сжатия по двум другим координатным осям, т.е.: упругого вертикального сжатия металла матрицы и жидкой фазы (соответственно) от приложенного давления прессования.

Величина боковой составляющей упругого сжатия во многом зависит от направления вектора сил, вызывающих упругое сжатие, что в свою очередь определяется геометрией рабочей части матрицы. На рисунке 3.32. представлена принципиальная схема направления вектора упругого сжатия в зависимости от угла наклона образующей матрицы.