Моделирование процессов прессования композиционных материалов Перельман, Глеб Владимирович

Введение к работе

Актуальность

Шнековые или ленточные пресса относятся к классу высокопроизводительных машин непрерывного действия и широко используются для массового выпуска длинномерных заготовок из пластифицированных шихт широкой гаммы порошковых и композиционных материалов. Наряду с высокой производительностью, возможностью получать длинномерные изделия с постоянными свойствами материала по всей длине и высокой степенью деформационной обработки материала, а, соответственно, и с высоким качеством получаемого продукта, этот тип прессового оборудования имеет вытекающий из его конструкции серьезный недостаток. Вращающийся шнек перемещает массу по каналу шнекового тракта, как «гайку», поэтому из пресса масса выходит в виде уплотненной «трубы», центральная полость которой имеет рыхлую структуру и заполняется материалом по мере его продавливания через сходящийся канал оснастки за счет осевого (осадка) и радиального сжатия. Для хорошего уплотнения рыхлой центральной зоны материала необходимо при формовании заготовок, как показывает практика, обеспечить степень вытяжки материала (отношение площади сечения пресса к площади сечения заготовки) в зависимости от свойств шихты от 4,5 до 8.

Производство, как правило, заинтересовано в сокращении линейки используемого оборудования и в его эффективном использовании, что инициирует поиск технических решений, позволяющих при приемлемом качестве продукции увеличивать габариты заготовок, формуемых на имеющемся оборудовании. Однако, в литературе, руководящих и справочных материалах отсутствуют данные, позволяющие с достаточной точностью оценивать вероятность получения положительного результата от внедрения даже такого известного приема, как установка диафрагм в рабочий канал формующего тракта.

Поскольку, эффективное залечивание дефектной зоны материала в центральной полости заготовок всегда было и остается актуальной задачей для всех производств, использующих шнековое прессовое оборудование, то и разработка математической модели, отражающей реальный характер течения материала через оснастки шнековых прессов, имеющие локальное уменьшение площади сечения формообразующих каналов, также актуальна.

Актуальной задачей является и исследование проблем использования известных методов моделирования процессов прессования заготовок простой и сложной формы в жестких матрицах для анализа перспективных технологий прессования порошков различной дисперсности в центрифугах.

Цель работы

Разработать математические модели процесса прессования порошков различной дисперсности в центрифугах и процесса экструзии композиционных материалов на шнековых прессах, оснастка которых имеет локальное уменьшение площади сечения формообразующего канала.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

Разработать математическую модель процесса прессования заготовок из порошков различной дисперсности под воздействием инерционных сил в центрифугах и определить принципы коррекции имеющихся расчетных схем процессов прессования порошков в матрицах для анализа таких процессов;

Поставить краевые задачи и разработать алгоритмы и программы расчета полей напряжений в порошковых и композиционных материалах, продавливаемых через формообразующую оснастку шнековых прессов с локальным уменьшением площади сечения рабочего канала.

Разработать методы определения значений параметров функции пластичности прессуемых и экструдируемых порошковых и композиционных материалов и углов трения этих материалов по поверхности оснастки непосредственно в реальных процессах их формования, в том числе в производственных условиях на промышленном оборудовании.

Разработать критерии оптимизации процессов экструзии крупногабаритных заготовок на шнековых прессах, алгоритмы и программы компьютерного подбора оптимальной геометрии рабочих поверхностей формообразующей оснастки, имеющей локальное уменьшение площади сечения рабочего канала.

Научная новизна

1. 1. Решена задача распределения напряжений при формовании цилиндрических заготовок из порошковых материалов в центрифугах и показано, что форма торцевой поверхности таких прессовок подобна эпюре распределения напряжений на торце пуансона в процессах прессования порошков в жестких матрицах.

   2. Разработана методика определения без специального оборудования параметров функции пластичности формуемых порошковых материалов в условиях, идентичных условиям их реального нагружения по снятым на разрывной машине кривым их прессования в жесткой матрице, в гидростате или в матрице с толстостенной оболочкой из пластичных материалов малой прочности.

   3. Разработаны методы определения в производственных условиях на промышленных шнековых прессах значений параметров функции пластичности экструдируемых материалов и углов их трения по поверхности оснастки в реальных очагах деформации, а также предложен способ определения величин противодавлений, создаваемых калибрующими цилиндрическими насадками.

   4. Для процессов экструзии крупногабаритных заготовок на шнековых прессах поставлена и решена задача течения композиционных материалов через оснастки с локальным уменьшением площади сечения для ступенчатых, конических и выпукло-вогнутых поверхностей перехода к минимальному диаметру формообразующего канала.

   5. Обоснована необходимость наличия "жестких" (пластически недеформируемых) зон на входе материала в зону локального уменьшения площади сечения формообразующего канала и после выхода материала из этой зоны, а также предложена расчетная схема определения размера этой зоны.

   6. Сформулирован критерий, позволяющий для различных условий трения деформируемого материала по поверхности оснастки определять те формы переходных поверхностей и соотношения диаметров пресса и отверстия в диафрагме, использование которых исключает полноценную деформационную проработку материала по всей площади сечения экструдируемых заготовок.

   7. Разработан принцип и составлена программа компьютерного подбора геометрии формообразующих поверхностей оснасток шнековых прессов, обеспечивающих минимальные для реальных условий производств градиенты свойств материала по всему сечению вытянутых на шнековых прессах крупногабаритных заготовок

   Практическая значимость

   1. 7. 1. Предложенный подход к трансформации известных расчетных схем процессов прессования порошков в жестких матрицах для анализа и расчетов процессов прессования в центрифугах порошков различной дисперсности может быть использован при разработке технологии прессования в центрифугах из различных шихт заготовок не только простой, но и сложной формы.

         2. Предложена методика определения параметров функции пластичности формуемых порошковых материалов по кривым их прессования в жесткой матрице и в гидростате, или в матрице с толстостенной оболочкой из пластичных материалов малой прочности, что позволяет измерять эти характеристики материалов в условиях их реального нагружения без специального оборудования.

         3. Разработанные методы определения эффективных параметров функции пластичности экструдируемых материалов и углов их трения по поверхности оснастки позволяют находить значения этих величин на промышленных шнековых прессах в производственных условиях.

         4. Предложенная математическая модель процесса экструзии крупногабаритных заготовок на шнековых прессах дает возможность для каждого конкретного материала и условий его трения по поверхности оснастки определять те формы рабочих поверхностей оснастки и соотношения диаметров пресса и отверстия в диафрагме, которые не обеспечивают деформационную проработку материала по всей площади сечения отформованных заготовок, поэтому внедрение их в производство следует исключить.

         5. Использование программы компьютерного подбора формообразующих поверхностей оснасток шнековых прессов, имеющих локальное уменьшение площади сечения рабочих каналов, позволяет создавать оснастки, обеспечивающие минимальные градиенты свойств материала по всему сечению вытянутых на шнековых прессах крупногабаритных заготовок.

         6. Метод расчета полей напряжений в материалах, продавливаемых через оснастки со ступенчатыми, коническими и выпукло-вогнутыми поверхностями перехода в зонах локального уменьшения площади сечения формообразующего канала может быть полезен при подготовке специалистов для производств, использующих шнековые прессы.

         Достоверность

         Результаты экспериментов по прессованию нанодисперсных порошков в центрифугах и испытания в производственных условиях вариантов формообразующих оснасток шнековых прессов подтвердили соответствие разработанных математических моделей процессов прессования композиционных и порошковых материалов реальным процессам их формования.

         Личный вклад автора

         Соискателем составлена схема расчета полей напряжений в процессах прессования цилиндрических заготовок из порошков различной дисперсности в центрифугах и предложен метод использования в таких расчетных схемах известных математических моделей процесса прессования порошковых материалов в жестких матрицах, а также предложен способ определения функций пластичности порошковых материалов различной дисперсности по кривым прессования порошков в жестких матрицах и в матрицах с толстостенными оболочками из пластичных материалов малой прочности.

         Поставлены задачи исследования, разработаны алгоритмы и составлены программы расчета напряжений в материале в формообразующих каналах оснасток шнековых прессов, а также предложены способы определения в производственных условиях на промышленных шнековых прессах функций пластичности формуемых материалов и углов их трения по поверхности оснастки.

         Соискателем сформулированы критерии оценки эффективности различных вариантов геометрии переходных поверхностей в зонах локального уменьшения площади сечения формообразующих каналов и предложен метод компьютерного подбора оптимальных конфигураций таких оснасток.

         Соискатель участвовал в разработке методик эксперимента и в определении параметров функций пластичности порошковых и композиционных материалов различной дисперсности.

         Положения, выносимые на защиту:

         1. 7. 6. 1. Расчетная схема процесса прессования цилиндрических заготовок из порошков различной дисперсности в центрифугах.

                  2. Методы определения значений параметров функции пластичности прессуемых и экструдируемых материалов и углов их трения по поверхности оснастки непосредственно в процессах их формования, в том числе и в производственных условиях на промышленных шнековых прессах.

                  3. Математическая модель процесса экструзии цилиндрических стержневых заготовок из композиционных материалов на шнековых прессах через формообразующую оснастку с локальным уменьшением площади сечения рабочего канала.

                  4. Метод расчета объема «жесткой» зоны материала и длины цилиндрических мундштуков между диафрагмой и коническим мундштуком, задающим диаметр заготовки.

                  5. Варианты рациональной геометрии переходных поверхностей в зонах локального уменьшения площади сечения формообразующих оснасток шнековых прессов, учитывающие свойства деформируемых материалов, углы их трения по поверхности оснастки и заданные соотношения диаметров пресса и заготовок.

                  6. Критерий, позволяющий для различных материалов и условий трения материала по поверхности оснастки определять те формы переходных поверхностей и соотношения диаметров пресса и отверстия в диафрагме, использование которых исключает полноценную деформационную проработку материала по всей площади сечения экструдируемых заготовок.

                  7. Программа компьютерного подбора формообразующих поверхностей оснасток шнековых прессов, обеспечивающих при заданных условиях трения и заданных ограничениях на давления выдавливания, минимальные градиенты свойств материала в сечениях вытянутых на шнековых прессах крупногабаритных заготовок.

                  Публикации

                  По материалам диссертации имеется 6 публикаций, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

                  Структура и объем диссертации

                  Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и 1 приложения. Диссертация имеет объем 177 страниц, включая 5 таблиц, 76 рисунков. Список использованных источников из 116 наименований.

                  Похожие диссертации на Моделирование процессов прессования композиционных материалов

                  Теория и моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материаловПоляков, Андрей Петрович

                  

                  Механика и теплофизика процесса прессования порошковых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Федотов Александр Федорович

                  

                  Моделирование процесса жидкофазного спекания композиционных материалов, содержащих карбид титана, контактным плавлением и промышленная реализация полученных результатовГаврилов Константин Николаевич

                  Исследование и моделирование процесса получения заготовок из композиционного материала системы алюминий-редкоземельные металлыГанин, Сергей Владимирович

                  

                  Моделирование пористой структуры и массопереноса в порошковых проницаемых материалах с учетом нелинейных структурных эффектов Крючков Юрий Николаевич

                  

                  Совершенствование технологического оборудования и процессов компактирования и прессования одно- и многокомпонентных композиционных материалов на основе металлических порошковШульгин Александр Васильевич

                  Разработка научных основ технологических процессов взрывного прессования, формирования структуры и свойств сегнетокерамических материаловРозен, Андрей Евгеньевич

                  

                  Исследование напряженно-деформированного состояния металла при равноканальном угловом прессовании и разработка рекомендаций по реализации технологического процесса для получения ультрамелкозернистых материаловПаршиков Руслан Александрович

                  

                  Совершенствование моделирования процесса обеспечения материалами строительства автомобильных дорог с учетом фактора рискаВасильева Людмила Павловна

                  

                  Моделирование коррозионных процессов материалов, эксплуатируемых в хлоридсодержащих средахКрючкова Ольга Александровна