Плотности заготовок

Следует отметить, что рассчитанная по изотермической модели высота боковой поверхности h _б больше, чем полученная из расчета по неизотермической модели. С точки зрения теплового режима этот результат противоречит температурным условиям деформирования заготовки и физической зависимости прочности от температуры. Так, в результате контактного теплообмена температура боковой поверхности заготовки и прилегающих к ней объемов меньше, чем температура центральных объемов. В изотермической модели температура боковой поверхности принимается равной температуре центральной части заготовки. Соответственно в изотермической модели прочность периферийной зоны заготовки меньше, чем в неизотермической модели и физическом эксперименте. Однако, несмотря на более высокую прочность, эксперимент и расчет по неизотермической модели показывают большую степень осадки периферийной зоны, чем расчет по изотермической модели. Это противоречие снимается, если учесть влияние свойств оболочки на закономерности формообразования заготовок. В работах [162, 163] и разд. 5 показано, что с уменьшением прочности оболочки увеличиваются осадка и степень уплотнения периферийной области заготовки. В изотермической модели считается, что песчаная оболочка имеет комнатную температуру и постоянную прочность. В эксперименте происходит нагрев песчаной оболочки и ее разупрочнение. Следствием этого разупрочнения и является более высокая степень уплотнения периферийной зоны заготовки. Неизотермическая модель отражает разогрев и снижение сопротивления деформации песка, и результаты расчета формообразования по этой модели лучше соответствуют экспериментальным данным, чем расчет по изотермической модели.

Слабую зависимость формы круглых заготовок от температурного режима следует связать с несущественным различием температуры периферийной зоны в изотермической и неизотермической моделях. Так, температура наиболее холодной боковой поверхности заготовки в изотермической модели составляет 1910 ^оС, в неизотермической модели – примерно 1770 ^оС (см. рис. 6.3). В относительных единицах разность этих температур не превышает 8%. Кроме того, минимальная температура расчетных точек больше эвтектической температуры системы TiC-Ni, и для обеих моделей весь объем заготовки находится в твердожидком состоянии. Примерно одинаковый уровень температуры и реологических свойств обуславливает незначительное различие характеристик формы, полученных при расчетах по изотермической и неизотермической моделям.

Другая ситуация имеет место при СВС-прессовании заготовок в виде квадратных или прямоугольных пластин. В отличие от гладкой цилиндрической боковой поверхности круглых пластин боковая поверхность квадратных или прямоугольных заготовок имеет выступающие прямоугольные ребра с нулевым радиусом кривизны и плоские грани. Если на гладкой цилиндрической или на плоской грани происходит одномерный теплообмен, то на прямоугольных ребрах – двумерный теплообмен, поэтому охлаждение ребер происходит с большей скоростью, чем охлаждение криволинейной или плоской боковой поверхности. К моменту прессования ребра имеют минимальную температуру и максимальную прочность по сравнению с гранями и внутренними объемами призматической заготовки. Для количественной оценки температуры боковых ребер и прилегающих к ним объемов необходимо решить трехмерную задачу нестационарного теплообмена, которая, как указывалось выше, представляет собой сложную вычислительную задачу и в настоящей работе не рассматривается. Можно предположить, что область боковых ребер охлаждается ниже температуры эвтектики системы TiC-Ni, жидкой фазы нет и прочность этой области намного выше прочности остальных объемов заготовки. Это косвенно подтверждают наблюдаемая в эксперименте малая степень осадки и сильное искажение опорной поверхности заготовки в окрестности ее боковых ребер (рис. 6.6, а).

а б

Р и с. 6.6. Форма спрессованных заготовок с прямоугольными боковыми ребрами (а) и с фасками на боковых ребрах (б)

Простым, но эффективным способом уменьшения искажения формы квадратных или прямоугольных заготовок является выполнение фасок на боковых ребрах исходной шихтовой заготовки. Сторона b или радиус R для круглых фасок соответственно равны

; , (6.3)

где D – величина припуска на механическую обработку боковой поверхности заготовки; a _р – угол при вершине бокового ребра заготовки. Для квадратной или прямоугольной заготовки a _р = 90^о.

С физической точки зрения в заготовках с фасками уменьшается площадь поверхности, с которой происходит теплоотвод в окружающую среду. Этот эффект проявляется локальным образом – в окрестности боковых ребер с характерным размером b или R. С уменьшением площади теплоотводящей поверхности снижается скорость охлаждения боковых ребер. Это приводит к выравниванию температуры и механических свойств по объему заготовки и, как следствие, к существенному уменьшению искажения формы ее верхней поверхности (рис. 6.6, б).

На примере СВС-прессования сложнолегированного твердого сплава СТИМ-5 было проведено экспериментальное исследование размерной точности квадратных заготовок без фасок и с фасками на боковых ребрах. Шихтовая квадратная заготовка имела сечение 70´ 70 мм и начальную высоту 14 мм. Заготовки предназначались для изготовления из них пластин толщиной 4, 76 мм. В спрессованных заготовках без фасок максимальная высота боковых ребер составила h _р» 10 мм; в заготовках с плоской фаской размером 2´ 45^о мм –
h _р» 8 мм. Толщина центральной зоны заготовок в обоих случаях получилась равной h ₁» 7, 5 мм. С учетом необходимости шлифования ребер максимальный припуск на механическую обработку для заготовок без фасок равен D_max = 5, 24 мм, а для заготовок с фасками
D_max = 3, 24 мм. В итоге уменьшение величины максимального припуска составило около 40%.

Близкие значения высот центральной зоны h ₁ и боковых ребер h _р в заготовках с фасками свидетельствуют о том, что эти элементы имеют примерно одинаковые механические свойства и температуру. Выравнивание температурного поля происходит за счет повышения температуры в окрестности боковых ребер с фасками, и температура в этой зоне становится выше эвтектической. В результате весь объем заготовки с фасками находится в твердожидком состоянии и деформируется в осевом направлении примерно на одинаковую величину.