автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Моделирование процессов прессования композиционных материалов

На правах рукописи

Перельман Глеб Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Пермь-2013

005058262

005058262

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: академик РАН, профессор

Ширяев Альберт Николаевич

Официальные оппоненты: Левинский Юрий Валентинович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова», и.о. заведующего кафедрой химии и технологии наноразмерных и композиционных материалов

Сиротенко Людмила Дмитриевна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», профессор кафедры конструирования машин и технологий обработки материалов

Ведущая организация: ЗАО «Новомет-Пермь»

Защита состоится 5 июня 2013 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.188.02 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» по адресу 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 4236.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан 26 апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук — Е А- Кривоносова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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. 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. 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. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, дано обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, а также основные практические и научные результаты проведенного исследования.

В первой главе дан анализ ряда моделей пластичности структурно-неоднородных сред, к которым, в частности, относятся пористые, порошковые и композиционные материалы. Рассмотрены методы построения таких моделей и применяемые для их расчета методы вычислений. Отмечена неопределенность, имеющая место при переносе свойств представительного объема, содержащего центральную пору, или некоторый ансамбль пор на свойства прессуемых порошковых и пористых материалов.

Из анализа значительного количества экспериментальных и теоретических исследований и публикаций, посвященных определению вида функции пластичности неоднородных сред, сделано заключение: переход из упругого в пластическое состояние материалов рассматриваемого класса с достаточным уровнем достоверности описывают поверхности пластичности открытого типа, а функции пластичности каждой фиксированной структуры порошковых и композиционных материалов хорошо аппроксимируются условием трения Кулона.

Отмечено, что при уплотнении высокодисперсных и нанодисперсных порошков независимо от материала частиц порошка относительная плотность таких прессовок даже при высоких давлениях прессования редко достигает 50%, а неэффективность традиционных схем их прессования инициирует исследования по поиску и изучению перспективных альтернативных процессов формования заготовок из порошков этого класса.

Из работ, в которых рассматривались процессы экструзии заготовок из порошковых, пористых и композиционных материалов, следует, что процессы экструзии на плунжерных прессах принципиально отличаются от процессов экструзии материалов на шнековых прессах, как по характеру течения материала по формообразующим каналам оснастки, так и по типу дефектов, которые развиваются в отформованных заготовках в процессах их термического передела. Были рассмотрены процессы экструзии материалов на шнековых прессах, в рабочий канал которых встроена диафрагма в виде плоской шайбы с отверстием. Приведенные в них расчеты и рекомендации по конструированию оснасток и технологии вытяжки заготовок не универсальны, а основаны на обобщении накопленных на практике данных для узкой группы материалов.

Из анализа литературных источников можно заключить, что новое качество математическому моделированию процессов прессования и экструзии керамических, композиционных и порошковых материалов может дать

использование хорошо развитого математического аппарата теории пластичности структурно-неоднородных сред, на границах структурных элементов которых свойства терпят разрывы.

Во второй главе подробно рассмотрены представленные в литературных источниках методики определения функций пластичности порошковых материалов на установках простого сдвига и установках трехосного нагружения с поэтапным и пропорциональным нагружением образцов.

Показано, что при определении свойств формуемых материалов по образцам, прошедшим стадию упругого последействия и повторного нагружения сочетаниями давлений, отличающимися' от условий их формования в реальных процессах, фиксируются не прочностные свойства, которые имели материалы в этих процессах, а свойства материалов с разрушенной и заново перестроенной структурой.

В главе приводятся результаты экспериментов, из которых следует, что объемная деформация, сопутствующая процессам пластической деформации порошковых и композиционных материалов, может иметь два знака, а в качестве их функций пластичности может быть использован критерий Мора-Кулона

тп = ст^р + К, (1)

где р - угол внутреннего трения, К - коэффициент сцепления материала.

В координатах главных напряжений Оу это соотношение записывается как

ІСТі - = 2КсОБр + (Оі +<^)5ІПр, І ф). (2)

В сочетании с дифференциальными уравнениями равновесия для осесимметричной схемы деформации

йог/йг + дтгг/дг + (стг - с0)/г = 0, отг,/бг + да,!87. + т„/г = 0, (3) где г, г, 0 - цилиндрические координаты, стд - окружное напряжение, ог -радиальное напряжение, тг/ - касательное напряжение, соотношение (2) дает систему дифференциальных уравнений в частных производных гиперболического типа, уравнения характеристик которой имеют вид

СІГ = (Ф ± ц)сІ7, (4)

где ф - угол наклона оси максимального сжимающего напряжения к оси г; ¡л = л/4 - р/2 — угол пересечения линий характеристик и линий скольжения в материале с осью максимального сжимающего напряжения.

Соотношения между функциями о и <р вдоль линий характеристик (линий скольжения) имеют вид

ісоврсіст - 2С,(іф + [СіЄр/5г + соврЖ/дг + (1- со82ф)Сі/г](іг -

- [С2др/дг + сырдК/дх + 5Іп2фС,/г]сіг = 0, (5)

где о = (оі +ар/2; Сі = оБІпр + КсоБр; С2 = ас(«р - Кїіпр, знак «+» относится к семейству характеристик сіг = tg(ф + ц)с1г; знак «-» относится к семейству характеристик сіг = tg(ф - |і)с1/,.

В главе приводятся методики определения параметров Кир функции пластичности порошковых и композиционных материалов, не требующие специальных видов исследовательского оборудования.

Рассмотрен метод расчета по компрессионным кривым, снятым при прессовании порошков в жесткой матрице и в гидростате, или, как вариант, в установленных в матрицу толстостенных оболочках из пластичных материалов малой прочности, параметров функции пластичности К и р по уравнениям:

АРГ /ЛРМ = (1 - 8тр)/( 1 + 81пр)= К = 1 /2(РМ - Рг с1ёц), (6)

в которых ЛРМ и АРГ - изменения давлений прессования в матрице (Рм) и в гидростате (в оболочке) (Рг) при приращении плотности материала на малую величину Л# Параметры Кир прессовок из порошков А1203 и карбонильного никеля ПНК-ОТ4 (ГОСТ 9722-97) приведены на рис.1, а значения Кир для различной плотности этих материалов и прессовок из порошка

а б

Рисунок 1. Зависимости: а - $ = 1"(Р) для А120:!: б - г9= 1(Р) ПНК-ОТ4 (1 - прессование в оболочках либо в изостате, 2 - прессование в матрице)

Таблица 1

Параметры функции пластичности спрессованных порошковых материалов

30 34 37 39 45 55 65 75

А1203 К, МПа 2,98 20,13 35,05 41,76 — — — —

р, град 13,47 10,87 8,13 7,94 — — — —

N1 (ПНК-0Т4) К, МПа — — 1,80 3,27 10,08 33,44 72,51 —

р, град — — 32,80 31,60 28,00 22,00 16,00 —

N1 (ПНЭ-1) К, МПа — — 0,09 0,33 2,99 18,16 50,74 97,83

р, град — — 42,00 40,40 35,60 27,60 19,60 11,60

Представлена разработанная методика определения параметров функции пластичности Кир экструдируемых материалов и углов их трения по поверхности оснастки в производственных условиях на промышленных

шнековых прессах, основанная на сопоставлении результатов экспериментальных замеров давлений или других характеристик пресса, например, силы тока двигателя привода шнека, при выдавливании масс через гладкие конические каналы мундштуков и результатов просчетов математической модели течения материала по таким каналам в широком диапазоне значений углов трения для разных длин каналов при разных степенях вытяжки материала. Используемая для этого краевая задача расчета полей напряжений в материале для такой схемы экструзии материала приведена на рис.2.

Рисунок 2. Краевая задача расчета полей напряжений в материале, выдавливаемом через типовую оснастку шнекового пресса

Показано, как, сопоставляя интенсивности приращений давлений (силы тока) выдавливания массы с увеличением длины оснастки или с увеличением степени вытяжки материала с результатами расчетов этих вариантов при разных углах трения, можно определять эффективный (усредненный) угол трения материала по поверхности оснастки, а затем для найденных условий трения по величинам давлений выдавливания массы определять величину коэффициента сцепления К материала в функции (1).

Из полученных в эксперименте данных о величинах токовой нагрузки 1ь 12, 13 двигателя привода шнека 0500мм при вытяжке заготовок диаметром 260, 295, и 355мм соответственно вычиталась токовая нагрузка 10 двигателя при вытяжке заготовок 0420мм при длине мундштука 270мм (давление выдавливания близко к нулю). Соотношения у* = Л^/ЛЬ, у* = ЛЬ/ЛЬ, где Д1,=1 [-10; Л12=12-1о и А1з=13-1о, нанесены на рис.3 пунктирными линиями. Там же представлены полученные из расчетов этих вариантов оснастки графики отношений значений напряжений а, в точке О (рис.2) для углов трения фхр от 0 до 0,7рад.

Из сопоставления экспериментальных, паспортных (пресс РУР-500) и расчетных данных было установлено, что при угле внутреннего трения р=0,15рад эффективный угол трения сртр массы МГ-17 (подгруппа 120, ГОСТ 20419-83) с влажностью 19,6% по поверхности мундштука равен 0,5-Ю,брад, а коэффициент сцепления массы К=0,13МПа.

0,2 0.4 0,6 ФТ1)-Рад

Рисунок 3. Определение угла трения фтр:

1 - \|/*= aj <5,2, 2 - \|/*= AI,/ А12; 3 - \|/*= az3/ а,2; 4 - \|/*= А13/ А12

В третьей главе представлена математическая модель процесса деформации композиционных материалов в формующих оснастках шнековых прессов со ступенчатыми переходами в зоне локального уменьшения площади сечения рабочего канала, а также рассмотрена математическая модель процесса прессования цилиндрических заготовок из порошков различной дисперсности в центрифугах, исследование которого и расчеты распределения напряжений в прессовках из нанодисперсных порошков проводились в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Процесс прессования и уплотнения порошков в центрифугах идет под действием сил инерции и сил трения порошка о поверхность цилиндрического контейнера. Распределение давления прессования от сил инерции вдоль оси прессовки Ъ, совпадающей по направлению с радиусом центрифуги, имеет вид

Р = у 0 со2 (ёчг+ (г-г0)2/2), (7)

где у - плотность компактного материала, 9 - средняя относительная плотность прессовки, со - угловая скорость вращения центрифуги, с!ч - толщина единичного слоя, равная среднему диаметру частиц, г - текущий радиус центрифуги, на котором находится рассматриваемый слой частиц, г0 - радиус окружности, описываемый ближайшим к оси центрифуги торцом прессовки. График этой функции для прессовки, высота которой равна радиусу центрифуги, представлен на рис.4а.

На основе математической модели, описывающей влияние сил трения на распределение напряжений при прессовании порошков в матрице при плоском напряженном состоянии был приведен расчет распределения напряжений в прессуемом материале у плоской торцевой поверхности пуансона при формовании цилиндрических заготовок, согласно которому

а = о0- е4(3-гЛ\ (8)

где ß-C0SCP ' sin(2p

ф)

У;

2 cos2 2 р • sin(<p + р)' со-начальное значение а

(ф 0) в материале у плоского торца подвижного пуансона, с1 — диаметр

прессовки. Таким образом, если коэффициент трения порошка о поверхность матрицы не равен нулю, то для получения плоской формы торцевой поверхности прессовки распределение напряжений в материале у торцевой поверхности должно соответствовать уравнению (8), а при а=согШ (прессовании порошков в центрифуге) торцевая поверхность прессовок будет иметь, как показано на рис.4б, форму мениска, подобную эпюре распределения напряжений а у торца пуансона. Отсюда следует вывод: математические модели процессов прессования порошков в жестких матрицах могут быть использованы и для моделирования процессов прессования в центрифугах заготовок не только простой, но и более сложной формы.

а о

Рисунок 4. Прессование порошков в центрифуге: а - зависимость Р^ТЯ). б -образец, спрессованный из нанокристаллического порошка '¿г()2 в центрифуге

Показано, что использование в процессе экструзии крупногабаритных заготовок в оснастках шнековых прессов диафрагм при правильном подборе соотношений диаметров пресса, отверстия в диафрагме и заготовки позволяет избежать появления трещин в изделиях в операциях последующего термического передела заготовок (рис.5)._ _

и б Рисунок 5. Характерные дефекты в заготовках, вытянутых на шнековых прессах: а - продольное сечение; б - поперечное сечение

На рис.6 приведены поставленная в математической модели процесса экструзии материала краевая задача и линии характеристик, построенных для расчета полей напряжений по всему формообразующему тракту оснасток с диафрагмами. Отметим, что в зонах I и III направления максимального сжимающего напряжения ортогональны к оси симметрии деформационного канала, а в зоне II совпадают с этой осью. Соответственно, формирующиеся в очагах деформации зон I и III текстуры материала, параллельные оси вытяжки, в зоне II переформатируются в ортогональном к ней направлении. Поскольку на границах перехода от одной зоны к другой напряжения, нормальные к этим границам и направленные вдоль направления движения потока материала, равны, то на границах перехода материала из зоны I в зону II и из зоны II в зону III Отп зон I и III будут равны ашах зоны II. Откуда следует а, П - ьтр) -Ксовр = Оц (1 + втр) + Ксовр.

Направление течения материала

Зона І Зона II Зона III

Рисунок 6. Краевая задача расчета полей напряжений в материале в формующих каналах шнекового пресса с диафрагмой

В области АВС(АВ**С**), в которой на линии скольжения АВ(АВ**) и особой точке А решается задача Гурса, угол разворота характеристики АВ(АВ**) зависит от соотношения диаметров пресса (с1„р) и отверстия в диафрагме (с1д), а также от условий трения материала по поверхности той части оснастки, в которую встроена диафрагма. Линии характеристик АСЭ(АС**0**) являются границами застойной зоны материала, заключенной между ними, торцевой поверхностью диафрагмы (линия АА') и поверхностью оснастки (А'О и А'О**). Если трение материала по поверхности (А'О и А'О**) равно предельному трению, то поверхность сдвига (линии скольжения) в материале в точках Б и О** будут направлены по касательной к поверхности оснастки.

В зоне III угол наклона характеристики А*С) к границе А*С* определяется углом граничного трения (фтр). Специально отмечается, что слой материала между линиями скольжения Е*0* и Е**0** не должен пластически деформироваться, так как без такого «жесткого» тела между границами Е**о** и Е*0* зон II и III, разделяющего эти зоны, формирование в них

полноценных очагов деформации, показанных на рис.6, не происходит, а это ведет к неконтролируемому хаотичному смятию материала в области перехода от зоны II к зоне III и к разрушению сформированной в зонах I и II текстуры материала, а также к изменению характера течения материала также и в зоне I. Как показала практика, это ведет к серьезному увеличению процента брака и к снижению качества изделий. Для расчета минимальной толщины «жесткой» зоны нагрузка на ее поверхностях рассчитывается по разности между напряжениями, параллельными оси вытяжки, на характеристиках Е** О** и Е*0* зон II и III, которые и являются образующими торцевых поверхностей «жесткого» слоя.

При переходе от схемы осесимметричной деформации к задаче плоской деформации, что при приемлемой погрешности существенно упрощает расчеты, эта разность была пересчитана в разность давлений на поверхностях жесткой зоны по соотношению q(т)=aг(r)■2лr, где ¿¡(г) - интенсивность распределенной силы (рис.7а).

Ц.МН/м 1,0

а

-200 -Ю0 0 юо 200 Г,ММ

в

Рисунок 7. Эпюры распределения q (а), 0(б)иМ (в)

При построении эпюры поперечных сил (рис.76) величина 0 в точке с текущей координатой г* рассчитывалась по формуле

0(Г*)= £я(г)с1г = £СТг(г)-2лг-с1г «Хы.^ -я{1&-Г,2), (9)

а эпюра моментов (рис.7в) - по формуле

М(г*) = £(г - г*) ■ Ч(г) • ёг « - г*) ■ ч(г,) ■ (г1+1 - г,). (10)

Отсюда толщину «жесткой» зоны Ь между очагами деформации зон II и III можно определить из соотношения Ь > JЛÍ/2^crb}o^^ где 1а1 " Д°пУскаемое

напряжение материала на изгиб, - радиус зоны с близкими к нулю значениями поперечных сил и максимальными значениями изгибающих моментов М.

Сформулирован критерий, определяющий сочетания Ъ, и Гтр, при которых материал в центральных зонах заготовок не получает деформационную проработку и его текстурные характеристики и плотность будут существенно отличаться от структур материала в периферийных зонах.

Схема формирования таких зон в заготовках, приведенная на рис. 8а, показывает, как зависят размеры этих дефектных зон от расположения точек пересечения линий скольжения (характеристик) с поверхностью оснастки внутри области ОС'С. Зоны сочетаний коэффициента трения ^р и параметра £= с1пр/с1л на входе и выходе материала из отверстия в диафрагме, которые не должны быть реализованы, представлены на рис.86.

Рисунок 8. Схема формирования дефектных зон в материале: а - сетка линий скольжения в материале на выходе из диафрагмы; б - границы сочетаний 1^,= ОД), отделяющие области формирования дефектных зон в материале (р = 0,15 рад) на входе (1) и на выходе (2) из диафрагмы

Для компьютерного просчета одного варианта всей модели (рис.6) достаточно 3-5 минут, что открывает широкие возможности, варьируя различными факторами (форма поверхности рабочего канала, трение, прочностные характеристики материала, соотношения между диаметром пресса, диаметром отверстия в диафрагме и диаметром заготовки), подбирать их сочетание, оптимальное для технологических процессов вытяжки заготовок.

В четвертой главе на основе просчетов вариантов математической модели процесса экструзии дан анализ влияния формы поверхностей оснастки в зонах перехода к локальному уменьшению площади сечения рабочего канала и условий трения материала о поверхности оснастки на характер течения материала: форму очагов деформации и распределение напряжений в материале этих зон.

Кроме ступенчатого уменьшения площади сечения рабочего канала оснастки (рис.9а), которое создает плоская диафрагма, в главе рассмотрены и проанализированы и другие формы переходных поверхностей к отверстию в диафрагме.

На рис.9 представлены сетки линий характеристик (линий скольжения) в материале для конических (рис.9а,б,в,г) и выпукло-вогнутых (рис.9д) поверхностей перехода от цилиндрических поверхностей тракта к отверстию в диафрагме. Расчеты показали, что такие формы оснастки позволяют уменьшить градиенты напряжений и скоростей течения материала в очагах деформации, прилегающих к диафрагме; интенсивность приращения силовых параметров в очагах деформации материала на входе и выходе его из отверстия диафрагмы, а также позволяют исключить условия формования заготовки (рис.9), при которых деформационная обработка материала в центральных областях заготовки не достигает сколько-нибудь значимой величины.

На рис.9 показано, как изменение угла граничного трения, а также различных сочетаний углов наклона конических поверхностей перехода на входе и выходе материала из отверстия диафрагмы, или использование выпукло-вогнутых поверхностей отражается на форме и размерах очагов деформации.

в зонах входа и выхода материала из отверстия диафрагмы при = 2: а ~ фтр = 0,4рад; б - фтр = 0,6 рад; в - фтр = 0,5рад; г - фтр = 0,5рад; д - фтр = 0,4рад

На рис.9б,г видны застойные зоны ОМГО' (рис.9б) и АМО (рис.9г), которые формируются из деформируемого материала в углах пересечения конических переходных поверхностей с цилиндрическими при некоторых сочетаниях углов наклона конических поверхностей и углов трения ср^.

В таблице 2 для краевых задач, представленных на рис.10, приведены результаты расчетов полей напряжений, из которых следует, что при углах трения ^=0,4^0,брад конические и криволинейные переходные поверхности по сравнению с конструкциями со ступенчатыми переходами от цилиндра пресса к отверстию в плоской диафрагме могут при правильном подборе углов конусов и радиусов кривизны криволинейной поверхности уменьшать перепад напряжений а между границами ОА и Е0(Е**0**) (рис.9) в 2,5-3 раза.

Таблица 2

Отношения значений параметра а на входе и на выходе из диафрагмы в точках О и О** к значениям этого параметра на границе ОА при £ =2

фтр (рад) Угол наклона образующей конуса к оси Ъ (вход О) Угол наклона образующей конуса к оси Ъ (выход Б**)

20° 30° 45° 60° 90° Криволи нейные 20° 30° 45° 90° Криволи нейные

0,4 2,23 1,96 1,91 1,92 2,37 1,68 3,51 2,35 3,45 6,67 2,03

0,5 2,29 2,09 2,00 2,00 4,76 2,67 4,17

0,6 2,49 2,22 2,10 2,08 5,88 3,13 5,26

При расчетах вариантов краевых задач для оснасток с криволинейными поверхностями перехода в зоне локального уменьшения площади сечения канала в процессе перебора вариантов формы их образующей (изменение кривизны и длины элементов образующей в выпуклой и вогнутой части этой линии) была для различных углов трения определена ее рациональная форма, обеспечивающая минимальные градиенты напряжений в очагах деформации в этих зонах.

На рис.10 представлены математические модели процессов течения материала через типовые оснастки с диафрагмами, которыми комплектуются пресса РУР-500, для вытяжки заготовок диаметром 250, 270 и 300мм. Как показали расчеты, давление выдавливания заготовки диаметром с13~ 300мм для одной и той же конфигурации оснастки (рис. 10а,б,в) при уменьшении диаметра отверстия в диафрагме с1л с 250 до 210мм возрастает в =1,22 раза, а при с1д= 195мм - в ~1,3 раза. Увеличение длины конуса Ьк, формующего заготовку, (¿з=300мм, <1д=210мм) с 280 до 500мм увеличивает давление вытяжки в ~1,Зраза., а при Ьк=750мм - до 1,6-^1,8раза (рис.10в,г,д). Поскольку, как следует из математической модели процесса течения материала через каналы с диафрагмами, структура материала на выходе из отверстия диафрагмы (зона II рис.11) переформатируется из продольной, т.е. параллельной оси вытяжки, в

ортогональную ей, а последующее повторное переформатирование текстуры в продольную идет только при прохождении материала через формующий заготовку конус (зона III рис. 11), то для полноценного восстановления текстуры по всему сечению заготовки, особенно в ее центральных зонах, объем очага деформации (длина конуса) в этой зоне должен быть достаточно большим. Отсюда следует полезный для практики вывод: целесообразно использовать технические возможности пресса не столько для увеличения степени деформации материала на входе в отверстие диафрагмы, сколько для восстановления продольной текстуры материала за счет использования длинных формующих конусов.

Рисунок 10. Решения краевых задач процесса течения материала через каналы с диафрагмами: а - <Зд=195мм, ё3=300мм, Ьк=270мм; б - (1д=250мм, <1з=300мм, Ьк=270мм; в - <1д=210мм, (1з=300мм, Ьк=270мм; г - с1д=210мм, с1з=300мм, Ьк=500мм; д - с1д=210мм, <1з=270мм, Ьк=750мм

Поскольку в пределах технических параметров прессового оборудования выбор соотношений между диаметром заготовки, диаметром отверстия в диафрагме и длиной формующего конуса определяет качество продукции и

уровень потерь от брака, то предоставляемые математическими моделями широкие возможности подбора приемлемых сочетаний размеров и форм элементов оснасток позволяют исключить большие потери времени и средств при проведении экспериментов на промышленном оборудовании в условиях реальных производств и получать в материале заготовок продольную текстуру хорошего качества (рис.126), а в готовых изделиях высокие прочностные свойства (рис. 12г).

Рисунок 11. Схема формирования текстур в материале при вытяжке заготовок через оснастки с диафрагмами

Зона I

Направление течения материала

Зона II

Зона III

В главе по результатам сопоставления расчетных и полученных в производственных условиях данных о распределении анизотропии усадок и механических свойств материала по сечению заготовок, отформованных в оснастках различной конфигурации, сделано заключение о хорошем уровне соответствия разработанной математической модели процесса вытяжки цилиндрических заготовок через оснастки с диафрагмами реальным производственным процессам их формования.

Рисунок 12. Структуры материала: а,в - стандартная оснастка; б,г - оснастка с диафрагмой

ВЫВОДЫ

1. Математическая модель процесса течения порошковых и композиционных материалов через формообразующую оснастку с локальным уменьшением площади сечения, основанная на математическом аппарате теории пластичности сред, у которых на границах составляющих их структурных элементов свойства терпят разрывы, позволяет рассчитывать в нескольких тысячах точек распределение напряжений в материале и получать достаточную по качеству и количеству информацию о влиянии на это распределение: предельных свойств материала; условий его трения по поверхности оснастки; формы рабочих поверхностей оснастки и ее трансформации; соотношения диаметров пресса, заготовки и отверстия в диафрагме; соотношение длин различных элементов оснастки, а также находить оптимальные сочетания этих факторов.

2. Моделирование процессов прессования порошков в центрифугах показало, что распределение инерционных сил по объему прессовки и, соответственно, напряжений сжатия в материале неоднородно, а для оценки влияния на это распределение геометрии прессовки и сил трения материала о поверхности контейнера можно использовать математические модели процессов прессования заготовок идентичных форм в жестких матрицах, что, в частности, позволило определить форму мениска торцевой поверхности цилиндрических заготовок, формуемых в центрифуге.

3. Разработанные методы определения углов трения материала по поверхностям формующих оснасток, а также параметров функции пластичности порошковых и композиционных материалов, основанные на сочетании расчетных и экспериментальных данных, полученных непосредственно в процессах прессования порошков и в процессах экструзии композиционных материалов в производственных условиях на промышленном оборудовании, доказали свою эффективность и хорошую чувствительность к составу и дисперсности уплотняемых порошков и формуемых шихт.

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

5. Сформулирован критерий, позволяющий для различных материалов и условий их трения по поверхности оснастки определять те формы переходных поверхностей и соотношений диаметров пресса и отверстия в диафрагме, которые не должны быть реализованы, так как их использование исключает полноценную деформационную проработку материала по всей площади сечения экструдируемых заготовок.

6. Сопоставление расчетных и полученных в производственных условиях данных о распределении свойств материала по сечению заготовок,

отформованных в оснастках различной конфигурации, позволяет заключить, что разработанная математическая модель процесса вытяжки стержневых заготовок через оснастки с диафрагмами с хорошим уровнем соответствия описывает используемые в действующих промышленных производствах процессы формования таких заготовок и является эффективным инструментом для разработки оптимальных конфигураций сложных оснасток шнековых прессов.

Основные результаты диссертационной работы представлены в публикациях:

1. Анциферов В.Н., Перельман Г.В. Напряженно-деформированное состояние формуемых в центрифуге порошковых материалов// Конструкции из композиционных материалов - межотраслевой научно-технический журнал, 2012. - №4. - С.10-16.

2. Перельман Г.В. Моделирование и расчеты процесса вытяжки заготовок из порошковых и композиционных материалов на шнековых прессах// Конструкции из композиционных материалов - межотраслевой научно-технический журнал, 2013. - №1. - С.22-27.

3. Перельман Г.В. Моделирование и оптимизация процесса экструзии цилиндрических заготовок из пластифицированных шихт порошковых и композиционных материалов на шнековых прессах// Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2013. - №1. - С.27-33.

4. Перельман Г.В. Опыт компьютерного проектирования и выбор геометрии формующих поверхностей оснастки для вытяжки стержневых заготовок на шнековых прессах// Новые огнеупоры, 2013. - №2. - С.9-17.

5. Перельман Г.В. Моделирование процесса течения пластифицированных порошковых и композиционных материалов через каналы с диафрагмами// Материалы XIX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т1.- М.: ООО «ТР-принт», 2013.-С.171-172.

6. Перельман Г.В. Компьютерный анализ процесса течения порошковых и композиционных материалов через каналы с локальным уменьшением площади сечения // Сборник докладов Международного симпозиума «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка», Минск, 10-12 апреля 2013г. В 2 ч. 4.1.- Минск: Беларус. Навука, 2013,- С.279-287.

Подписано в печать 22.04.2013. Формат 60 90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 890/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33.

ФГОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА» и Научный центр порошкового материаловедения ФГБОУ ВПО «ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЕРЕЛЬМАН ГЛЕБ ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УДК 621.762

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

На п ' иси

04201357830

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель академик РАН, профессор

Ширяев Альберт Николаевич

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................................11

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИИ ПЛАСТИЧНОСТИ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.......................22

2.1. Оценка качества и достоверности измерений предельных свойств формуемых порошковых и композиционных материалов, проводимых с использованием известных

методик и устройств для их определения....................................24

2.2. Определение параметров функции пластичности порошковых материалов по кривым их уплотнения

в матрицах..........................................................................37

2.3. Определение на промышленном оборудовании в производственных условиях коэффициентов внешнего и внутреннего трения материалов, экструдируемых на

шнековых прессах................................................................49

Глава 3. ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.......................66

3.1. Анализ процесса прессования цилиндрических заготовок

из порошков различной дисперсности в центрифугах....................69

3.2. Моделирование процесса экструзии композиционных материалов через формообразующие оснастки шнековых

прессов с плоскими диафрагмами.............................................82

3.3. Определение размеров жесткой зоны между очагами

деформации зон II и III в оснастках с диафрагмами.......................99

3.4. Определение условий, исключающих деформационную проработку центральных зон материала в диафрагме....................105

Глава 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОСНАСТОК РАЗЛИЧНОГО ТИПА ДЛЯ ВЫТЯЖКИ КРУПНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЗАГОТОВОК НА ШНЕКОВЫХ ПРЕССАХ.............................................................118

4.1. Математическое моделирование процесса течения материала в зонах локального уменьшения площади сечения канала

по переходным поверхностям, прямолинейные

образующие которых не параллельны оси вытяжки.....................120

4.2. Построение оптимальных (по усилию выдавливания) конических и криволинейных поверхностей формообразующих каналов оснасток в зонах локального уменьшения их площади сечения..............................................................................126

4.3. Оценка уровня соответствия математических моделей процессов экструзии композиционных материалов и пластифицированных шихт производственным процессам вытяжки крупногабаритных цилиндрических заготовок

на шнековых прессах через мундштуки с диафрагмами..................138

ВЫВОДЫ.....................................................................................164

ЛИТЕРАТУРА................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

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. 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. 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. 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.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Разработка математических моделей реальных процессов формования порошковых и композиционных материалов включает в себя следующие этапы.

Получение информации о свойствах материала, которые определяют условия развития в нем остаточных деформаций.

Выбор математического аппарата, позволяющего при моделировании процесса деформации материала в конкретном процессе формования учесть реальные свойства материала в очагах деформации, геометрию инструмента (матрицы, фильеры) и условия трения материала о поверхности формообразующих оснасток.

Постановку краевых задач и разработку методов расчета полей напряжений и скоростей деформации в прессуемых телах.

По каждой из перечисленных проблем имеется достаточное количество публикаций, которые в соответствии с изложенным выше перечнем этапов работы будут рассмотрены ниже.

Порошковые и композиционн�