автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Развитие конструкции прессового оборудования и технологии компактирования композиционных материалов для повышения однородности

На правах рукописи

РОМАНОВА ОКСАНА ЕВГЕНЬЕВНА

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ КОМПАКТИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

ОДНОРОДНОСТИ

Специальность 05.02.13 -Машины, агрегаты и процессы (металлургия)

Автореферат Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением и металлургического оборудования Московского государственного вечернего металлургического ипституга.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Кохан Л.С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кобелев А.Г. кандидат технических наук, Демченков Г.Г.

Ведущее предприятие - ГП «Опытный завод тугоплавких

металлов и твердых сплавов». Защита состоится «29» 06.2004 года в 15.30 на заседании диссертационного совета Д.212.127.01 в Московском государственном вечернем металлургическом институте.

Адрес: 111250, г. Москва, Лефортовский вал, 26, тел. (095) 361-14-80, факс (095) 361-16-19, E-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Московского государственного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан «¿¿fa мая 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат технических наук

Башкирова Т.И.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Важнейшим направлением развития машиностроения со второй половины XX в. является создание композиционных материалов из металлических порошков и специальных видов оборудования для производства изделий.

Ресурсы и энергосберегающие возможности композиционных порошковых материалов иллюстрируют усредненные, данные о коэффициенте использования металла (КИМ) и энергозатратах на 1 кг продукции. Для процессаобработки металлов резанием КИМ составляет45% и энергозатраты 76МДж/кг; горячей штамповки КИМ - 77% и энергозатраты 47МДж/кг; для холодной штамповки КИМ - 85% и энергозатраты 41МДж/кг; точного литья - КИМ 90% и энергозатраты 35МДж/кг; для порошковой металлургии КИМ - 95% и энергозатраты 29МДж/кг. Порошковые гранулированные материалы обладают способностью получения сложных профилей, возможностью заполнения труднодоступных полостей, ребер с обеспечением высокого качества продукции.

Однако на пути дальнейшего развития производства изделий из порошковых металлов встречаются трудности, ограничивающие широкое их распространение. Это прежде всего высокая стоимость порошковых материалов, штампового инструмента и оборудования для компактирования изделий. Применяемые методы компактирования металлических порошков не позволяют получать изделия с однородными механическими свойствами по всему объему изделий. Дальнейшее совершенствование оборудования и инструмента в совокупности с созданием новых методик и технологий с последующим развитием теории компактирования композиционных материалов являются необходимым условием для широкого использования продукции из порошковых материалов.

В данной работе основное внимание уделено совершенствованию теории компактирования композиционных материалов, технологических режимов, модернизации оборудования и инструмента для производства изделий с однородными свойствами по всему объему.

Цель работы. Целью работы является дальнейшее усовершенствование методики компактирования композиционных материалов, модернизация оборудования и инструмента для повышения качества производимой продукции.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование деформационных характеристик гранулированного металла при компактировании.

2. Определение влияния давления компактирования и трения на устойчивое протекание процесса компактирования.

3. Исследование влияния смазок на механические характеристики гранулированного металла и равномерность их распределения по всему объему композита.

I РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ

I БИБЛИОТЕКА

« О»

4. Совершенствование конструкций технологического инструмента и оборудования для компактирования металлических порошковых гранул.

5. Уточнение методики проектирования технологического инструмента и оборудования.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности соотношений вертикальных и горизонтальных давлений компактирования композиционных материалов в зависимости от геометрических и механических свойств металлических гранул.

2. Произведена оценка устойчивости протекания деформационных процессов при компактировании композиционного материала из различных по форме и свойствам металлических гранул.

3. Приведены теоретические зависимости для выбора режимов компактирования композиционного материала с целью повышения однородности его механических свойств по всему объему.

4. Определены основы проектирования технологического инструмента для компактирования композиционного материала.

Практическая значимость.

1. Представлены новые конструктивные схемы технологического инструмента для двухстороннего и четырехстороннего компактирования композиционного материала из порошковых гранул.

2. Проведено уточнение технологических режимов компактирования с применением смазки, динамическим воздействием вибрационного модуля, определением конструкции технологического инструмента и оборудования для устранения анизотропности свойств гранулированного металла по всему объему.

Публикации и апробация. По результатам работы опубликовано 7 статей. Материалы работы доложены и обсуждены:

- на научных конференциях МГВМИ (февраль 2002; 2003; 2004 г);

- на научно-технических конференциях Российского Университета Дружбы Народов (март 2001; 2002 г.);

- на заседании кафедры обработки металлов давлением и металлургического оборудования МГВМИ (апрель 2004 г).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, библиографического списка, включающего 65 наименований, изложена на 146 страницах, содержит 39 таблиц и 75 рисунков.

Основное содержание работы.

В первой главе приведены общие характеристики процессов компактирования порошковых гранул. Рассмотрены особенности применения смазочных материалов, показаны типовые конструкции оборудования для производства композиционных материалов. Описаны дефекты металлопродукции, образующиеся при компактировании с применением смазки и без нее.

Анализ приведенных работ определил качественный критерий процесса компактирования - неравномерность распределения деформации, и напряжений в объеме заготовки; выявил значительное влияние трения на плотность заготовок и механические свойства. Установлено, что теоретические зависимости для расчета основных параметров, влияющих на формирование механических свойств композиционного материала из металлических порошков, в большей мере применимы к монолитным материалам и требуют дальнейшего уточнения для процессов компактирования.

Для снижения трения между отдельными частицами порошка наибольшее распространение получило, в зависимости от обрабатываемого сплава и материала инструмента, применение смазочных материалов и пластификаторов. Установлено, что определяющим фактором качества процесса компактирования является способ подачи смазки к инструменту и в полость компактирования.

Был проведен анализ технологического оборудования, инструмента для компактирования и определены основные направления его совершенствования.

В заключении поставлены задачи совершенствования технологического оборудования, инструмента и процесса компактирования с целью повышения однородности механических свойств гранулированного металла.

Экспериментальные исследования. Процесс компактирования

моделировался на последней стадии прессования с применением цилиндрических и сферических форм образцов из свинца, меди и низколегированной стали.

На первом этапе исследований изучалось распределение давления компактирования по глубине штампа. Были определены размеры отпечатков деформированных частиц (2Хв,2Хн,2Уб) в вертикальных и горизонтальных направлениях при различной величине общей деформации рядов гранул (рис1). Измерения проводились в три этапа при прохождении пуансоном расчетного для каждой рядной системы расстояния.

Рис 1. Схема деформации гранулы в элементарной ячейке при однорядной сист еме.

Распределение давлений по объему изучалось при различной относительной глубине штампа h/a, где h- высота штампа, а- его ширина. С этой целью в штампе устанавливались образцы в один, два, три, пять и семь рядов по восемь образцов в каждом. Для каждой серии опытов статистически определялись средние значения отпечатков и их

соотношения:

2 Хм 2 Xci

2-2 Уб

2 Уб1

- (таблица 1).

2Хв ' 2Хс(1 +1) ' 2Ха + 2Хс(/ +1) ' 2Ха Распределение длин отпечатков в зависимости от рядности системы без

Таблица 1

Относительная глубина штампа нЛ а 0,125 0,25 0,395 0,625 0,875

Отношение параметров (^у-)ср 0,79 0,69 0,59 0,42 0,31

, 2-2Уб v ' 2Xci + 2Xc(i + 1) 0,81 0,75 0,73 0,73 0,738

В среднем, в каждом ряду любой исследовательской системы уменьшение ^ длины ^ отпечатка без применения смазки равнялось:

Была установлена для длин горизонтальных отпечатков следующая

, 2Хс ■.« , 2Хн ч

закономерность: число рядов.

2 Ач?

Например, для семирядной системы (к=7) при А =0,837 величина (0,837)7=0,288 с отклонением Д от экспериментальной величины

Анализ таблицы 1 показывает на существенные неравномерности распределения давления по объему гранулированного металла. Поэтому, следующим этапом проводилось исследование... влияния смазки на распределение давлений по объему.

Установлено, что с использованием смазки по всему объему при

семирядной системе средняя величина

при пятирядной

системе; 0,944 при трехрядной; 0,976 при двухрядной и 0,91 при однорядной. Среднее значение по всем системам с наибольшим разбросом

Атах=4,5%.

Отметим, что указанная выше закономерность определения неравномерности деформации также соблюдается. Так, для семирядной системы отношение •^^■=0,934 и соответственно 0,9347=0,67 с отличием 10%, с применением смазки длина. вертикального отпечатка изменяется

незначительно

2У6/ 2Хв/

:=0,73. Без применения смазки длина отпечатка

составляет 0,75. Таким образом, применение смазки увеличивает однородность компактирования не более 10-11% на каждый ряд. Полученные экспериментальные данные проверялись с использованием- условия-равновесия отдельной гранулы под действием вертикальных верхнего Р,ерв» нижнего Р>ер „ усилий и четырех боковых Ртр усилий трения.

Рвер в Рвер н+4 Ртр- Рвер н^^^гор/ ■ (О

Учитывая выше полученные результаты,

устанавливаются

СООТветсуптокшти£, тситтия с учетол^ тппчнения мятепиягга:

Ргор=1,033У бОтоек» Рвер в=2тсХ „атоек, Рвер н=2дХ„ат0£к, и также соотношения длин Хн=2ЛЛ/(1 - е)е -Хв.

С условием равновесия определяются длины Хв ^В1 +4А(1-е1)-В

Т= 2(1-£*)

где А=4е|Г+,(2-е)+2,066/(1,43е-0,49е2)(0,5е)|Г;

(2)

отпечатков

(3)

коэффициенты.

Расчеты по предложенным зависимостям определяют, что для

однорядной системы при отношение

2 Хн 2Хв

=0,96 при коэффициенте

трения Отметим, что по экспериментальным исследованиям при

использовании смазки соотношение ("^г)с=0,934 с отклонением 2,7-3%.

Полученные результаты позволяют усовершенствовать технологический процесс контактирования.

Устойчивость деформационных процессов при компактирования

гранул.

Известно, что при линейной деформации и идеальной пластичности устойчивость определяет монотонность процесса, когда:

(4)

При немонотонном процессе знак производной изменяется и процесс становится неустойчивым. При компактировании упрочняющихся материалов композита сопротивление пластической деформации зависит и

от относительной деформации £ и скорости ее изменения ¿: <г = Ае"-ёт (5) где А - модуль, зависящий от свойств композита, к- показатель упрочнения.

т> « «а

В этом случае условие устойчивости: — = А-ке

"'¿т+Ае'—>Ае"

или

Дальнейшее исследование зависит от реологической модели поведения материала композита. При принятом реологическом законе деформации напряжение представляется в виде: а = е'Е + Ве" (7)

Использование

этого закона изменения следующее условие устойчивости: к>е +

напряжения определяет

Так как модуль пластичности В намного меньше модуля А (последний стремится к модулю упругости Е), то величина критической деформации определяется степенью упрочнения к: /о £кр. (9)

Исследуем устойчивость деформационных процессов при упрочнении материала композита:

условием устойчивости процесса будет зависимость: ¡ОЕ^. (11)

При больших деформациях получение решения для объемной задачи в аналитическом виде затруднительно. Учитывая, что компактирование композиционных материалов на последней стадии осуществляется порядное, схему деформаций и напряжений можно представить линейной. В этом случае интенсивность напряжений равна: а, =<т,л/1 -а + а2 и условие пропорциональности девиаторов будет иметь вид:

Откуда: — = —=в.(13). С этими выводами интенсивность деформаций будет равна:

Используем условие монотонности деформационных процессов: ^->о-|л/1-а+а2 или >л/1-а + аг

3',

да

2е„

(15)

1.5

и находим для плоской задачи:

л/1-а + а2

(16)

где знак «+» - соответствует схеме растяжения, «-» - сжатия по 1Ш оси, перпендикулярной направлению пуансона.

Решение показывает, что е^^О и обращается в нуль п р]<зф-н(осс м . табл. 2). Для реальных отношений

Граница критических деформаций £Kpi

Таблица 2.

а -2 -1 -0,8 -0,6 -0,725 -0,4 -0,2 0

£кр\ ±0,57 ±0,87 ±0,9 ±1,07 ±1 ±1,2 ±1,35 ±1,5

а 0,2 0 0,5 0,6 0,8 1 1,6 1,72 2

£кр\ ±1,04 ±1,72 ±1,73 ±1,64 ±1,5 ±0,87 ±1 ±1 ±1,36

Таким образом, деформация £\ при плоской задаче устойчива и нигде не обращается в бесконечность.

Посмотрим, как при сжатии по Iе3 (вертикальной) оси изменяется относительная деформация по 2"® (горизонтальной) оси: __________________.. (17)

ч> I (- 1,5 + -\/Г- а +

Отметим, что при сжатии по I"4 оси, по 2е" оси будет растяжение.- Для

J 5 ~ ГТ7

этого растяжения точки неустойчивости определяются из равенства нулю знаменателя: -1,5+1/1 -а+а2 =0. Откуда нулевое решение получается при а,=1,725 и а2=-0,725.

Ниже в таблице 3 приведены значения границы устойчивости при растяжении по и сжатия по первой оси.

Граница критических деформаций при растяжении. Таблица 3.

Откуда видно, что процесс проходит монотонно.

В случае растяжения по 1Ш оси, по 223 оси будет сжатие, определяемое

по формуле е 2 = -

1,5

(Vl-a+a2)

+ 1,5

(18)

Анализ предложенной зависимости показывает, что процесс сжатия будет протекать устойчиво (табл. 4).

Граница критических деформаций s^ при сжатии.

Таблица 4.

Проанализируем процесс компактирования с деформационным упрочнением материала частиц (формула 5). В этом случае интенсивность напряжения становится: а, = -Jcrf -а,ст2 + а\ = Àe'-Jl-a' +а2'. (19)

Интенсивность деформации имеет тот же вид: е,= —s^l-a' +аи . (20)

Используем условие монотонности деформации (4) и получим в общем виде условие устойчивости компактирования упрочняющихся материалов:

l,5Wl-a+a2-a*-'(2a'-l)

±-г-. N .ч-1>£кР1

(l-e'+a2'J(2o-l)

Знак «+» соответствует деформации растяжения, «-» - деформации сжатия. Отметим, что в вертикальном направлении по оси 1 компактирование осуществляется сжатием. По горизонтали (ось 2) компактированию соответствует процесс растяжения.

Анализ зависимости (19) показывает, что данная формула носит общий характер. Так, при к=0 устойчивость будет только при сжатии: е^сО

При к=1 формулы (19) переходит в начальную зависимость. Учитывая, что показатель упрочнения к варьируется в границах можно

установить границы устойчивости для любого промежуточного состояния. Для большинства цветных сплавов и легированных сплавов показатель к находится в диапазоне 0,3 ^ к ¿0,55. При к=0,5 границами устойчивости при

к 0,75 \М-а + а2(2а05 -

сжатии будут: (■-^"а^-О"'

Откуда выявляются определенные закономерности компактирования упрочняющихся материалов.

Прежде всего, проявляется нарушение монотонности: при процесс сразу становится немонотонным с переходом напряжений из области сжатия в растяжение. Такая же неопределенность компактирования будет при =0. При =0,25 отмечается изменение знака деформации, что так же делает процесс неустойчивым. Граница устойчивости процесса компактирования при сжатии приведена в табл.5.

(22)

Анализ таблицы 5 показывает, что "процесс устойчивого компактирования может проходить в довольно узких диапазонах изменения а от 0,2 до 0,45; от 0,6 до 0,8 и а> 1. По нашим исследованиям вертикальное давление компактирования: где - показатель формы

частицы композита, - полуширина, полувысота частицы,

сопротивление пластической деформации.

Горизонтальное давление на частицы составит:

где - показатель профиля частицы, описывающей ее при повороте системы координат. Связь показателей пищ определяется из соотношений при

координате — = 0,5: —

X, 8

После преобразований этих равенств, находим:

и устанавливаем связь (таблица 6).

- = 1-0.5" „0.5 = ,-(£)"•

(24)

Развиваемое при компактировании давление определяют соотношением

коэффициента

(25)

В таблице 6 приведены параметры частиц величина коэффициента

давления а и границы е^, е^.

Силовые параметры компактирования.

Таблица 6.

п 0,8 2 3 4 7

П\ 0,64 2,41 5,19 10,7 88,4

X. 5 0,85 2,5 3,5 4,2 8

а 1,2 0,52 0,48 0,53 0,47

-0,73 -12,5 11,46 -8,35 7,47

£*рг 3 -1,09 -0,81 -1,14 -0,88

Анализ таблиц 5 и 6 показывает, что при упрочнении, достигающим п=0,5, устойчивость компактирования композитов резко ухудшается для частиц чечевицеобразной (п=0,8) и овальной -Iе8 группы (п=2) форм, так как нарушается монотонность процесса. Поэтому применение указанных форм композиционных материалов при производстве ответственных изделий не рекомендуется.

Приведенные экспериментальные исследования на моделях подтвердили полученные результаты теоретических исследований. При проведенных испытаниях наибольшая неустойчивость компактирования устанавливалась при обжатии чечевицеобразных формах частиц (« = 0,5-5-0,8), лучшая устойчивость отмечается при овальных 2-ой группы и пластинчатых формах частиц композиционных материалов. После уточнения критических режимов обжатия оценивается возможная однородность деформационного поля при компактировании.

Неоднородность деформаций при компактировании гранул.

При компактировании композиционных материалов шихта из металлического порошка задается в контейнер, где после динамического перемешивания происходит прессование под действием подвижного пуансона. Для конечных степеней деформаций из уравнения равновесия тонкого слоя материала определяется дифференциальная связь напряжений и деформаций.

_Об

г- /б

(26) где - насыпной вес металлического

порошка, б^р - вертикальное давление компактирования, 5 - площадь

сечения матрицы, f- коэффициент трения шихты, а = <т„,р / амр — отношение безразмерных горизонтального напряжения взаимодействия частиц к вертикальному, (табл.7), L - периметр сечения контейнера, у - текущая

8Уу. Эу '

высота пуансона до дна матрицы, ——=с - высотное обжатие. Интегралом

уравнения (26) будет б вер = б пуан • е R г , (27) где Rr —

гидравлический радиус, равный отношению площади сечения S к периметру сечения штампа L, Rr^S/L.

Для прямоугольного сечения со сторонами а, b величина для

квадратного сечения R[=0,25a, для круглого сеченÄ/ff=$,Jffi.исимость (27) показывает, что при контакте пуансона (у=0) с частицами давление наибольшее. По мере приближения ко дну матрицы давление уменьшается с ростом отношения y/Rp. У большинства матриц для компактирования

максимальное отношение = ^ ^^ , где Н - толщина изделия. В

этом случае при отсутствии смазки (/=0$) максимальном заполнении материалом' частиц всего пространства элементарной ячейки, (табл. 7) относительное напряжение зависит только от формы частицы (табл. 7 -числитель). При тех же параметрах, по коэффициентам трения f=0,l величина давления на глубине H/R приведена в знаменателе.

Параметры компактирования Таблица 7

Форма частиц Чечевице образная Овальная 1-ой группы Сферическая Овальная 2-ой группы Пластинчатая

Показатель формы п=0,75 1,5 3 4 7

Величина Ели* 0,89 0,66 0,53 0,46 0,39

а 1,2 0,52 0,48 0,53 0,47

Отношение бмр/бп,™ при у/Яг=1,25 и су=сопз1 0,425/0,752 0,722/0,897 0,758/0,912 0,75/0,91 0,782/0.92

Отношение бвер/бплш При у/Яг=1,25 и еу#соп8( 0,52/0,804 0,77/0,908 0,795/0,927 0,782/0,92 0,801/0,93

Отношение бвер/бпуан при у/Яг=0,5 и Г=0,3 0,77 0,9 0,912 0,906 0,906

При компактировании особо вязких металлов эмпирически установлено,

что степень деформации у них изменяется линейно. В этом случае у

' вер

I пуан

- (1 + 0,5 es)f6 ■ - е 1(2

(28)

Сравним величину давления и величину отношения отпечатка

О"пуан

на примере сферической частицы. При относительной высоте

(таблица 1) величина- о-«т> =0,758/0,972. Соответственно (!*!_)ср=0,69/0,96,

2 до

что отпечаток характеризует

смазки позволяет снизить по сечению компактируемого

и пуан

Это наглядно подтверждает факт того, распределение давления по объему штампа.

Таким образом, использование неравномерность распределение давления материала, что видно из таблицы 7, приведенным в знаменателях при /=0,1 и у/Яг=1,25.

Вывод: анализ приведенных данных показывает, что повышение однородности композиционного материала, в большей степени, обеспечивается применением подобранной смазки или резким сокращением толщины компактированного материала. В случае дальнейшей необходимости повышения, однородности следует совершенствовать конструкции технологического оборудования и инструмента.

Модернизация технологического оборудования и инструмента.

Рассмотрим конструктивные возможности изменения схемы деформационного процесса компактирования так, чтобы уменьшить неравномерность механических свойств у композита. Согласно предыдущему выводу необходимо провести разделение общей длины очага деформации И0 на две равные зоны длиной 0,5Ьо с осуществлением двустороннего прессования (рис 2).

материалов.

Схема составлена по конструктивным типовым решениям. Порошок после шихтовки засыпается через отверстие в контейнере из бункерной части 5. Механизм запорного устройства 1 совместно с контейнером 2 образует матрицу для двухстороннего компактирования. С этой целью очень синхронно навстречу друг другу перемещаются прессштемпели пуансонов 3

и 4 на расстояние (Ь<г М/2. В целом, деформация по двум прессовым головкам будет осуществлять компактирование до полной величины хода Ьо~ Ь=Ьо(1-е). Полученная на данном оборудовании неравномерность распределения давления Рп между поверхностями, по которым пуансоны воздействуют на заготовку - так называемые давящие поверхности (рис.2) и напряжением на серединной поверхности Р приведена в табл.8.

Отношение Р /Рп. Таблица 8

Величина / /=0,1 /=0,2 ■ /=0,3 /=0,4 '

Размеры контейнера Ь/Кг

0 1 1 1 1

0,1 0,998 0,997 0,987 0,985

0,2 0,997 0,988 0,975 0,98

0,3 0,997 0,975 0,963 0,958

0,4 0,988 0,987 0,951 0,935

0,5 0,997 0,988 0,94 0,926

0,6 0,997 0,981 0,951 0,935

0,7 0,988 0,989 0,963 0,908

0,8 0,997 0,975 0,975 0,98

0,9 0,998 0,988 0,987 0,985

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Анализ данных полученных результатов показывает, что применение двухстороннего компактирования на прессах с двухстороннем прессованием существенно снижает неравномерность механических свойств у композита.

Увеличение равномерности свойств потребовало увеличения суммарного усилия, при коэффициенте трения /=0,1 усилие возрастает в 1,042 раза, при /=0,2 усилие растет в 1,084 раз. П р .иу^Зи л и е возрастает в 1,124 раза и при /=0,4 усилие возрастает в 1,195 раз. Это связано с необходимостью увеличить на торцах давление до

Другим недостатком данного гидравлического пресса является невозможность полной синхронизации ходов у пуансонов, которые не всегда стабильно занимают постоянное положение относительно серединной поверхности. Поэтому на рис.3 предложена модернизированная схема исполнительного механизма к прессу, отличающаяся, во-первых тем, что используется более простой по конструкции пресс одностороннего действия и во-вторых, используется механическая система синхронизации движения прессующих пуансонов навстречу друг другу.

Рис.3. Конструктивная схема механизма двойного прессования к одностороннему гидравлическому прессу.

Синхронизирующий и также давящий механизм состоит из гидравлического цилиндра 1 с поршнем 2, плунжером 3, который является верхним прессующим пуансоном. Пуансон входит в верхнюю часть контейнера 4. Ход пуансона Ь|=(Но-Ь)/2; соответствует технологической задаче компактирования. С плунжером шарнирно соединён рычаг, качающийся вокруг неподвижного шарнира 6. Тяга 7 передаёт движение на двуплечий рычаг 8, качающийся вокруг неподвижного шарнира 9. Другое плечо рычага 8 шарнирно связано с нижним пуансоном 10, входящим с нижней стороны в контейнер. Нижний пуансон должен совершать такое же перемещение Ьс=Ь=(Ь0-Ь)/2, как и верхний пуансон. Равенство перемещений обеспечивается соотношением плеч рычагов 5 и 8. Действительно, точка А рычага 5 от пуансона 3 получает перемещение Ь2=Ь|-в/(а+в). Это же перемещение получает точка Б рычага 8. Его другое плечо перемещается вокруг шарнира 9 в обратном направлении и точка 3 перемещается на

расстояние Лс =

И2(а+Ь) _ И,-Ь (а+Ь) = ь = К~Ь Ь ~(а + Ь)' Ь ~ 1_ 2 '

Таким образом, верхний и нижний пуансоны кинематически связаны между собой. Они получают одинаковое перемещение и за одно и то же время, что гарантирует также равную скорость прессующих пуансонов. Данный механизм был смоделирован и опробован в лабораторных условиях на кафедре ОМД и МО МГВМИ. Опытная модельная проверка подтвердила конструктивные преимущества предложенной конструкции в сравнении со сложными механическими конструкциями пресса двухстороннего действия.

Для высоких штампов с следует использовать схему

четырехстороннего компактирования (рис4).

Отличительной особенностью данной схемы компактирования является дополнительное воздействие прессштемпелями 1 и 3 на серединные области штампа после завершения компактирования прессштемпелями 2 и 4.

Доработка средних слоев порошка в штампе повышает общую однородность гранулированного металла.

Исследование влияния скорости компактирования на однородность

Другим возможным решением поставленной задачи создания изотропного композиционного материала является применение импульсных источников нагружения при компактировании композита из порошковых гранул. В качестве расчетной модели используется схема показанная на рис.4, с включением в контур пуансона вертикального вибратора.

1

Рис 4Схема четырехстороннего компактирования.

композита.

Описываться данная схема будет зависимостью аналогичной (26) с добавлением динамической составляющей:

Поступая аналогично изложенному выше и обозначая инерционную нагрузку Рии.=Р(1+(12у/(И2)-8 через динамический коэффициент Рин=Р8кд,

_ Яр

получим ^ '1п

/аР £к 2

у—--\~У + --У +с

Яг-К) 2И У '

(30)

Рг

р+ с^/эу

Низкочастотный вибратор

И

г

Рис.5. Динамическое компактирование. При линейном изменении относительной деформации:

дД 2И )К.

Р = Рп-е

Для варианта, когда е=соп51,

(31)

-4^0«. >4-

Р = Рп-е "г

Для исследуемой системы при 8тах=0,56, а=0,65 давление на дне /Л

-0,832-

матрицы — Рп ' &

Яг-К,

(32)

Динамический коэффициент Кд определяется условием статики прессовки одной частицы с учетом инерционного усилия

К

Его решение определяет максимальный коэффициент динамичности от инерционного характера движения:

РъН1л{\-а-/)-т ^ ЬаРвЯв

К'=игЛ

При модели в виде шаровой частицы отношения (Ьв/Я)Ср=0,3, и Ьв/Я=0,714.Тогда коэффициент динамичности КД1 =1+0,ЬГ,,■ (34)

Расчёт показывает, что собственная динамическая колебательная система композита определяет коэффициент динамичности не выше

Подбором частоты вибратора р можно значительно повысить коэффициент динамичности системы:

иг Кт

или

Выбором частоты р можно получить заданный

1 -{л/Р1) '

коэффициент динамичности и соответственную анизотропность

композиционного материала. Ниже для отношения Ь/Яг=1 и различных

коэффициентовтрения / приведены отношения Р|/Рп при различных Кд. Кй= 1,1 1,2 1,3 1,5 2,0

Р,/Рп= 0,738 0,757 0,773 0,80 0,846 при/=0,4

Р,/Рп= 0,859 0,869 0,879 0,895 0,92 при/=0,2

Р,/Рп= 0,927 0,932 0,938 0,946 0,959 при/=0,1

Анализ полученных результатов показывает, что совместное уменьшение коэффициента трения и увеличение коэффициента динамичности за счет установки на пуансоне вибратора снижает анизотропность при И/Кг=1 на:

Таким образом, уменьшение анизотропности до 15% может обеспечить установка вибраторов на прессующий инструмент.

Силовые параметры компактирования и методика проектирования технологического инструмента.

Силовые параметры компактирования определяются на основании ранее приведенных формул давления. Общее вертикальное давление определяется давлениями вертикального и горизонтального компактирования частиц и для преодоления сопротивления трения между ними.

Откуда, среднее общее вертикальное давление при компактировании без

434+7/

смазки °л>аи — (*аер+СГА>цди6+<Тгор/ ~

■"ю

По площади пуансона Рпу11И вычисляется усилие компактирования

Последним этапом является уточнение методики расчета проектирования технологического штампа, основанная на прочностных характеристиках. Для этого строится 3 сечения штампа: по высоте и одно сечение горизонтальное. В соответствии с имеющимися методиками сопротивления материалов угловые соединения штамповой коробки разрываются и соответственно заменяются моментом заделки. С использованием метода Верещагина по эпюрам грузовых моментов и моментам заделки определяются углы поворота прилегающих сторон штампа. По равенству углов определяются моменты в заделках. По

моментам в заделках вычисляется напряжения в днище и боковых стенках: по углам и в середине. После чего рассчитываются напряжения о, в исследуемых сечениях и сравниваются с допустимыми напряжениями по теории максимального напряжения. Окончательно размеры стенок

контейнера проверяются по формуле: 0|<[о]=-^р-, где ст,- предел прочности материала, К,ап- коэффициент запаса прочности (=1,3).

Основные итоги и выводы по работе.

1. Проведенный комплексный анализ оборудования и процессов для компактирования композиционных материалов позволил установить основные направления при производстве гранулированного порошкового металла с равномерным распределением механических свойств по объему компактирования: использование смазки, непосредственная подача смазки в очаг деформации, многостороннее компактирование, создание специализированного оборудования, использование устройств для создания динамического воздействия на металлический порошок.

2. Экспериментально установлены кинематические и геометрические характеристики процесса компактирования порошковых материалов: влияние рядности и формы гранул на соотношения горизонтальных и вертикальных деформаций, вертикальных и горизонтальных напряжений.

3. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана методика определения контактного трения при компактировании порошкового композита.

4. Установлены теоретические зависимости для определения соотношений вертикального и горизонтального давлений компактирования в зависимости от структурной формы порошка и их механических свойств.

5. Разработаны оценочные зависимости технологической устойчивости протекания деформационных процессов при компактирования гранул, для исключения немонотонности их осуществления.

6. Разработаны методы повышения однородности композиционного материала за счет выбора технологических режимов компактирования при различных соотношениях толщин и длин из гранулированных изделий.

7. Разработана и модельно опробована усовершенствованная конструкция для двухстороннего и четырехстороннего компактирования композиционного материала с целью снижения неоднородности его механических свойств по всему объему композита.

8. Установлены расчетные зависимости силовых параметров последнего этапа компактирования, учитывающие процессы формоизменения гранул в вертикальном и горизонтальном направлениях, контактное трение и упрочнение материала.

9. Уточнена методика проектирования технологического инструмента для компактирования композиционного материала из металлического порошка.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кохан Л.С. Романова О.Е. Неоднородность деформаций при компактировании. - Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 12. Москва, 2003г,стр- 112-113.

2. Кохан Л.С. Романова О.Е Исследование деформационного поля при > компактировании однородных порошков. Труды международной научной' конференции. Архитектура оболочек и прочностной расчет тонкостенных строительных и машиностроительных конструкций сложной формы. Москва, издательство Российского Университета Дружбы Народов, 2001 г, стр- 175 -182.

3. Кохан Л.С. Романова О.Е Устойчивость деформационных процессов при компактировании композиционных материалов. Вестник Российского Университета Дружбы Народов. Серия инженерные исследования. Специальный выпуск. Геометрия и расчет тонкостенных пространственных конструкций №1, Москва, 2002г, стр-116-122.

4. Кохан Л.С. Романова О.Е Исследование деформации двух свинцовых гранул с использованием смазки. Состояние проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. Выпуск №3, Москва, 2003г, стр-82-85.

5. Кохан Л.С. Романова О.Е Влияние контактных условий деформирования на однородность механических свойств композиционных материалов. Состояние проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. Выпуск №3, Москва, 2003г, стр-86-89.

6. Кохан Л.С. Романова О.Е Экспериментальное исследование компактирования композиционных материалов из металлических порошков разных форм. Архитектура оболочек и прочностной расчет тонкостенных строительных и машиностроительных конструкций сложной формы. Тезисы докладов международной научной конференции; Москва, издательство Российского Университета Дружбы Народов, 2001г, стр-139-140.

7. Лукашкин Д.Н. Кохан Л.С. Романова О.Е Прочностной расчет контейнера для компактирования. Новые технологии №6, Москва, 2003г, стр 34-38.

Р127 9 5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1 Анализ современного технологического оборудования и режимов производства композиционных материалов

1.1. Физико-химические и технологические свойства металлических порошков, используемых для компактирования композиционных материалов

1.1.1. Физико-механические свойства композитов из металлических порошков

1.2. Компактирование композиционного материала из металлических порошков

1.2.1. Операции и оборудование для подготовки металлических порошков к пластической обработке 5 1.2.1.1. Общие сведения

1.2.2. Спекание уплотненных гранул и. Вторичное прессование порошковых гранул

1.3.1. Конструктивные схемы технологического инструмента для различных способов прессования порошковых гранул

1.3.2. Смазки при компактировании и конструкции приспособлений для подвода смазки

1.4. Общий анализ теории исследований, выполненных по теоретическим разделам

1.5. Выводы по первой части литературного обзора

1.6. Технологическое оборудование для компактирования гранулированного металла

1.7. Основные задачи работы

Глава 2 Экспериментальное исследование напряженно-Деформированного состояния при компактировании металлических гранул

2.1. Определение деформационных параметров при вертикальном компактировании гранул

2.2. Этапы проведения эксперимента

2.3. Подготовка оборудования и материалов

2.4. Монтаж установки на испытательной машине

2.5. Проведение эксперимента и измерение полученных величин, статистическая обработка данных

2.5.3. Методика проведения эксперимента

2.6. Исследование относительных деформаций при сжатии одной гранулы

2.7. Исследование относительных деформации двухрядной системы при компактировании гранул

2.8. Исследование послойных деформации трехрядной системы гранул при компактировании

2.9. Исследование послойных деформации пятирядной системы гранул при компактировании

2.10. Исследование послойных деформации семирядной системы гранул при компактировании

Глава 3 Совершенствование технологических процессов при компактировании

3.1. Влияние контактных условий деформирования на однородность механических свойств композиционных материалов

3.2. Устойчивость деформационных процессов при компактирования гранул

3.3. Неоднородность деформаций при компактировании гранул

3.4. Выводы по теоретической части

Глава 4 Совершенствование технологического оборудования для снижения неравномерности свойств композитов, полученных при компактировании гранул

4.1. Общая теоретическая схема выравнивания свойств композита по объему прессования за счёт совершенствования оборудования и технологии процесса компактирования

4.2 Усовершенствование конструкции пресса для снижения неоднородности механических свойств композита

4.2.1. Модернизация конструкции пресса

4.3. Использование динамических вибраторов

4.4. Разработка методики расчётов силовых параметров прессов для компактирования гранул

4.5. Методика проектирования штампов для компактирования гранул

Итоговые выводы

Важнейшим направлением развития машиностроения со второй половины XX в. является создание композиционных материалов из металлических порошков и специальных видов оборудования для производства изделий.

Ресурсы и энергосберегающие возможности композиционных порошковых материалов иллюстрируют усредненные данные о коэффициенте использования металла (КИМ) и энергозатратах на 1 кг продукции. Для процесса обработки металлов резанием КИМ составляет 45% и энергозатраты 76МДж/кг; горячей штамповки КИМ - 77% и энергозатраты 47МДж/кг; для холодной штамповки КИМ - 85% и энергозатраты 41МДж/кг; точного литья - КИМ 90% и энергозатраты 35МДж/кг; для порошковой металлургии КИМ - 95% и энергозатраты 29МДж/кг. Порошковые гранулированные материалы обладают способностью получения сложных профилей, возможностью заполнения труднодоступных полостей, ребер с обеспечением высокого качества продукции.

Однако на пути дальнейшего развития производства изделий из порошковых металлов встречаются трудности, ограничивающие широкое их распространение. Это, прежде всего. высокая стоимость порошковых материалов, штампового инструмента и оборудования для компактирования изделий. Применяемые методы компактирования металлических порошков не позволяют получать изделия с однородными механическими свойствами по всему объему изделий. Дальнейшее совершенствование оборудования и инструмента в совокупности с созданием новых методик и технологий с последующим развитием теории компактирования композиционных материалов являются необходимым условием для широкого использования продукции из порошковых материалов.

В данной работе основное внимание уделено совершенствованию теории компактирования композиционных материалов, технологических режимов, модернизации оборудования и инструмента для производства изделий с однородными свойствами по всему объему.

Глава №1 Анализ современного технологического оборудования и режимов производства композиционных материалов.

1. Виноградов Г.А., Кагашинский В.П. Теория листовой прокатки металлических порошков и гранул. — М.: Металлургия, 1979. — 224 с.

2. Крушинский А.Н. Спекание изделий из металлических порошков. — М.: Металлургия, 1979. 240 с.

3. Мидуков В.З., Рудь В.Д. Экспериментальное исследование пластических деформаций пористых тел // Порошковая металлургия. 1982. №8. С. 10—16.

4. Овчинников А.Г„ Дмитриев A.M., Широков М.В. Холодное выдавливание полых цилиндрических деталей из железного порошка// Кузнечно-штамповочное производство. 1984. С. 104-109.

5. Каспаров И.А; Дитятковский Я.М; Формичвв В.А., Федоров В.И. Изготовление кольцевых деталей раскаткой пористых металлических заготовок: Материалы семинара "Порошковая металлургия и композиционные материалы". —Л.: ЛДНТП, 1984. С. 25-28.

6. Больший М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. — М.: Металлургия, 1972. — 336 с.

7. Больший М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1978. 184 с.

8. Ермаков С. С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.-319с.

9. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. — М.: Металлургия, 1969. 264 с.

10. Райченко А. И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. — М.: Металлургия, 1987. — 128 с.

11. Роман О.В., Габриелов И.П. Справочник по порошковой металлургии: порошки, материалы, процессы. — Минск: Беларусь, 1988. — 175с.

12. Скороход В. В., Солонин С.М. Физико-металлургические основы спекания порошков. — М.: Металлургия, 1984. — 159 с.

13. Фомина О.Н., Суворова С.Н., Турецкий Я.М. Порошковая металлургия: Энциклопедия международных стандартов. — М.: ИПК

14. Кохан JI.C. Романова O.E. Неоднородность деформаций при компактировании. — Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 12. Москва, 2003г,стр- 112-113.

15. Груздев A.M. Зилъберг Ю.В. Трение и смазки при обработке металлов давлением. Москва Металлургия 1982г, стр 310-312.

16. Андриевский Р.А Введение в порошковую металлургию. — Фрунзе: Илим, 1988. -174с.

17. Томленое А.Д. Теория пластических деформаций металлов. Машгиз, 1951 г 198стр.

18. Башкетов A.M. Кузнечно штамповое оборудование. Металлургия Москва 1976г стр 234.

19. Залеский H.H. Оборудование кузнечно прессовых цехов. Высшая школа 1973г 632стр.

20. Королев A.A. Кохан Л.С. Механическое оборудование заводов цветной металлургии. Металлургия Москва 624 стр.

21. Лукашкин Н.Д. Кохан Л.С. Процессы компактирования композитов из неоднородных металлических порошков. Известия вузов. Черная Металлургия, №5 1999г 31-34стр.

22. Федосьев В.И. Сопротивление материалов. Москва, Наука, 1986г 512стр.Ъ2.Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Москва. Госиздатиельство технической литературы, 856 стр.ЪЪ.Яблонский A.A. Норейко С. С. Курс теории колебаний. Москва Высшая школа 248стр.

23. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. Физмашгиз 1958г 316стр.

24. Цимбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. Москва Металлургия 1986г 240стр.

25. Налимов В.В. Теория эксперимента. Москва Наука 1971г 208стр.ЪПЛибенсон Г.А. Лопатин В.Ю. Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. МИСИС, 2001г. -192с.Ъ%.Гегузин Я.Е. Физика спекания. 2-е изд., перераб. И доп. — М.: Наука 1984. -312с.

26. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Москва Машиностроение 1968г 271стр.

27. Кожевников С.А. Динамика машин с упругими звеньями. Киев АН Украины. 1961 г 159стр.

28. Андриевский Р.А Порошковое материаловедение. — М.: Металлургия, 1991. -205с.

29. Буланов В.Я. Ватолин H.A. Залазинский Г.Г Волкова H.H. Гидрометаллургия железных порошков. -М.: Наука, 1984 -222

30. Буланов В.Я. Кватер Л.И. Долгаль Т.В. и др. Диагностика металлических порошков. -М.: Наука, 1983. -288с.

31. Капринос ДМ. Тучинский Л.И. Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. -Киев: Вища школа, 1977. -312с.

32. Кипарисов С.С. Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. -3-е изд., перераб. — М.: Металлургия, 1988. -448с.Ав.Кипарисов С.С. Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. -М.: Металлургия, 1988. -448с.

33. Новые процессы и материалы порошковой металлургии / Под ред. JI.X. Явербаума\ пер. с англ. -М.: Металлургия, 1977. -176с.

34. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник / КН. Францевича и В.И. Трефилова. —М.: Наука, 1986. -294с.

35. Павлов В.А. Кипарисов С.С. Щербина В.В. Обработка давлением порошков цветных металлов. -М.: Металлургия, 1977. -360с.

36. Роман О.В. Габриелов И.П. Порошковая металлургия — безотходная, энергосберегающая технология. -Минск: Беларусь, 1986. -160с.

37. Шаталова И.Г. Горбунов Н.Г. Лихтман В.И. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых металлов. —М.: Наука, 1965. -162с.

38. Дорофеев Ю.Г. Мариненко Л.Г. Устименко В.И. Конструкционные порошковые материалы и изделия. -М.: Металлургия, 1986. -144с.

39. Актуальные проблемы порошковой металлургии / Под ред. О.В. Романа B.C. Анруначалама. -М.: Металлургия, 1990. -156с.

40. Г.Л. Петросян. Пластическое деформирование порошковых материалов. -М.: Металлургия, 1988. -234с.

41. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Высшая школа, 1983. -175с.

42. Мартынова И.Ф. Штерн М.Б. Порошковая металлургия, 1978, №1, с 23-29.

43. Мастеров В. А. Берковский B.C. Теория пластичности деформации и обработка металлов давлением. М.: Металлургия, 1976. 352с.вХ.Малинин Н.Н Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 399с.

44. Малинин Н.Н Технологические задачи пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1979.199с.63 .Николаевский В.Н. Механика деформируемых тел и конструкций. М.: Машиностроение, 1975, с. 342-348.

45. S/L/ Hoyt, Trans. AIME, 89(1930), 9.

46. L.F. Athy, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol., 14(1), (1930), 1.