Оболочки и силовые характеристики процесса

При СВС-прессовании совместно с заготовкой происходит пластическое деформирование и уплотнение оболочки. Изучение закономерностей деформирования и уплотнения оболочки представляет интерес, прежде всего, тем, что реакция со стороны оболочки определяет силовую нагрузку на инструмент и его прочность. Кроме того, оболочка выступает в роли нежесткого деформирующего инструмента, свойства которого определяют характер уплотнения и формообразования заготовки. Соответственно информация о поведении оболочки позволяет определить практические способы активного воздействия на процесс деформирования заготовки через свойства оболочки. Следует отметить, что песок и подобные ему сыпучие материалы и в спрессованном состоянии имеют низкую механическую прочность и из них практически невозможно изготовить образцы для экспериментальных исследований, поэтому исследовать закономерности деформирования и уплотнения сыпучей оболочки без пластифицирующих добавок можно только расчетным путем.

С формальной точки зрения СВС-прессование представляет собой одностороннее прессование в закрытой матрице структурно неоднородного порошкового тела, внутри которого находится пористое включение, роль которого выполняет заготовка, поэтому исследование закономерностей уплотнения оболочки целесообразно сопоставить с процессом уплотнения структурно однородного порошка, не содержащего включение.

Одностороннее прессование порошкового материала в закрытой матрице представляет собой классическую задачу пластического деформирования сжимаемых тел, исследованию которой посвящен ряд экспериментальных [55, 158] и теоретических [10, 56, 60, 61, 99, 108] работ. Установлено, что вследствие внешнего трения о стенки матрицы возникает неравномерная плотность прессовки по ее объему. При одностороннем прессовании наибольшую плотность по высоте имеют верхние слои прессовок, к которым непосредственно через пуансон передается давление прессования, и наименьшую плотность имеют нижние слои прессовок, расположенные на дне матрицы. В радиальном направлении плотность прессовок также является неоднородной. В верхних слоях, соприкасающихся с пуансоном, плотность прессовок возрастает от центра к периферии, а в нижней части, наоборот, плотность в радиальном направлении увеличивается от периферии к центру. Рассмотрим, какое влияние оказывают на характер распределения плотности в оболочке заготовка и ее реологические свойства.

На рис. 5.9 показано расчетное распределение относительной плотности r2 вдоль радиуса матрицы r в верхнем и нижнем слоях песчаной оболочки при прессовании заготовок из сплава TiC-20% Ni, из карбида титана TiC и при прессовании песка без заготовки. Давление прессования составляло q =120 МПа. По характеру изменения кривых r2(r) в оболочке следует выделить две зоны: центральную, в которой находится заготовка радиусом R1, и кольцевую зону, расположенную вокруг заготовки. На распределение плотности r2(r) существенное влияние оказывает сопротивление деформации материала заготовки. При прессовании заготовки из сплава TiC-20% Ni, имеющего меньшую прочность, чем песок, кольцевая оболочка уплотняется в большей степени, чем центральная зона. При прессовании заготовки из карбида титана TiC, у которого сопротивление деформации выше по сравнению с песком, плотность кольцевой зоны оболочки меньше, чем плотность центральной зоны. В кольцевой зоне оболочки ход кривых r2(r) такой же, как при прессовании песка без заготовки: в верхнем слое плотность увеличивается при приближении к боковой стенке матрицы (рис. 5.9, а), а в нижнем слое (на дне матрицы) – уменьшается (рис. 5.9, б).

а

б

Р и с. 5.9. Распределение относительной плотности песка r2 вдоль радиуса матрицы r в верхнем (а) и нижнем (б) слоях оболочки: 1 – прессование сплава TiC-20% Ni; 2 – прессование карбида титана TiC; 3 – прессование песка

Плотность объемов спрессованной оболочки, прилегающих к боковой стенке, монотонно уменьшается по мере удаления от пуансона (рис. 5.10). При этом в случае прессования сплава TiC-20% Ni оболочка по всей высоте матрицы имеет более высокую плотность, а при прессовании карбида титана TiC – более низкую плотность, чем при прессовании песка без заготовки.

Р и с. 5.10. Распределение относительной плотности песка r 2 по высоте матрицы z: 1 – прессование сплава TiC-20% Ni; 2 – прессование карбида титана TiC; 3 – прессование песка

Деформирующее напряжение и нагрузка на инструмент пропорциональны плотности локальных объемов спрессованной оболочки. Практическое значение имеют, во-первых, данные о величине осевых напряжений s_z в верхнем слое оболочки, которые определяют нагрузку на пуансон и требуемое усилие прессования. Во-вторых, для расчета матрицы на прочность важной является информация о величине радиального давления со стороны оболочки на боковые стенки матрицы.

На рис. 5.11 показано распределение осевого давления q_z = - s_z на пуансоне при прессовании заготовок из сплава TiC-20% Ni, карбида титана TiC и песка без заготовки. Среднее давление прессования составляло q = 120 МПа. При прессовании песка изменение давления q_z по радиусу матрицы несущественно. Если в песчаной оболочке находится высокопрочная заготовка из карбида титана TiC, то давление q_z в центральной зоне с заготовкой выше, чем давление в кольцевой зоне оболочки. При прессовании сплава TiC-20% Ni с низким сопротивлением деформации деформирование центральной зоны с заготовкой осуществляется при значительно меньшем давлении q_z, чем в случае прессования карбида титана или песка. Однако деформирование высокоплотной кольцевой зоны в этом случае происходит при давлениях, которые существенно выше давления в центральной зоне.

Р и с. 5.11. Распределение осевого давления qz по радиусу пуансона r: 1 – прессование сплава TiC-20% Ni; 2 – прессование карбида титана TiC; 3 – прессование песка

Прочность матрицы определяется величиной радиального давления со стороны оболочки. На рис. 5.12 показано распределение расчетного давления q_r = - s_r по высоте матрицы при среднем давлении прессования q = 120 МПа. Кривые s_r (r) имеют S -образную форму с резким увеличением величины радиальных напряжений в зоне контакта оболочки с пуансоном. Из-за внешнего трения оболочки величина давления q_r уменьшается от пуансона к дну матрицы. Важно отметить, что, несмотря на одинаковую величину давления прессования q, радиальное давление на матрицу при прессовании сплава TiC-20% Ni в 1, 6 раза больше, чем при прессовании карбида титана TiC, и в 1, 3 раза больше, чем при прессовании песка. Таким образом, уменьшение сопротивления деформации заготовки приводит к увеличению нагрузки на матрицу. В инженерной практике при деформировании однородного порошка матрица рассматривается как толстостенный цилиндр, нагруженный внутренним давлением. Считается, что давление распределено равномерно, и расчет на прочность выполняют по формулам Ламе [159]. Величину бокового давления q_r определяют экспериментально. Такая методика не может быть использована при СВС-прессовании, когда в матрице деформируется неоднородное порошковое тело. В этом случае для определения нагрузки на матрицу необходимо решать краевую задачу пластического деформирования с учетом размеров и реологических свойств заготовки и оболочки.

Р и с. 5.12. Распределение радиального давления qr по высоте боковой стенки матрицы: 1 – прессование сплава TiC-20% Ni; 2 – прессование карбида титана TiC; 3 – прессование песка

Согласно полученным результатам при одностороннем прессовании структурно-неоднородного порошкового тела с пористым включением формируются две параллельно расположенные зоны. В зависимости от реологических свойств включения эти зоны имеют разный уровень плотности и прочности. Силовые энергозатраты на деформирование характерных зон оболочки определяются как величиной локальных давлений q_z, так и размерами этих зон. Размерный фактор может быть учтен, если вместо напряжений или давлений рассматривать усилия деформирования. Общее усилие прессования Q представим в виде суммы усилий, расходуемых на деформирование центральной Q _ц и кольцевой Q _к зон оболочки. Полезную работу совершает сила деформирования центральной зоны оболочки Q _ц, в которой находится заготовка. За количественную меру эффективности использования пресса Э_Q примем долю усилия, приходящегося на деформирование центральной зоны: Э_Q = Q _ц/ Q. Величина усилия Q вычислялась путем суммирования давлений q_z по всей площади пуансона; величина усилия Q _ц – по площади круга радиуса R ₁.

На рис. 5.13 приведены расчетные данные о доле полезно затрачиваемого усилия на разных стадиях СВС-прессования в зависимости от давления прессования. При прессовании сплава TiC-20% Ni доля полезной силы невелика и составляет 10-20% от общего усилия прессования Q. Остальная часть мощности пресса расходуется на деформирование высокопрочной кольцевой зоны оболочки и представляет собой непроизводительные потери. При прессовании карбида титана TiC кольцевая зона оболочки имеет меньшую плотность и прочность, чем центральная. Соответственно доля полезно расходуемого усилия пресса составляет ~40%.

Результаты анализа силового баланса наглядно свидетельствуют о некорректности использования простейших моделей СВС-прессования без сыпучей оболочки [59, 234, 259]. Полученные на таких моделях расчетные данные о силовых параметрах процесса относятся только к центральной зоне оболочки с заготовкой с низким сопротивлением деформации. Соответствующие оценки будут в несколько раз меньше реальных усилий и давлений прессования, которые необходимы для деформирования всего объема.

Р и с. 5.13. Изменение доли полезного усилия Q ц при прессовании сплава TiC-20% Ni (1) и карбида титана TiC (2)

Полученная информация о структуре силовых параметров ставит задачу повышения эффективности прессового оборудования в технологии СВС-прессования. Для этого необходимо в общем балансе сил за счет уменьшения непроизводительных затрат на деформирование кольцевой зоны оболочки увеличить долю усилия деформирования центральной зоны Q _ц. В патенте [136] предложен один из вариантов уменьшения сопротивления кольцевой зоны оболочки: кольцевая оболочка вокруг продуктов СВС заполняется материалом, имеющим меньшую прочность, чем песок. Закономерности уплотнения и формообразования заготовки для этой схемы СВС-прессования будут рассмотрены в подразд. 5.5.

К непроизводительным затратам относятся затраты на преодоление сил внешнего трения оболочки. В разд. 4 было показано, что величина удельных сил трения Кулона или Прандтля пропорциональна плотности порошкового тела. Плотность объемов оболочки, контактирующих с боковыми стенками матрицы, при прессовании сплава TiC-20% Ni выше, чем при прессовании карбида титана TiC. Соответственно величина сил трения при прессовании сплава TiC-20% Ni будет больше, чем при прессовании карбида титана TiC. Согласно расчетам доля силы трения Q _тр в общем усилии Q на заключительной стадии прессования сплава TiC-20% Ni составляет 18-20% (рис. 5.14).

Р и с. 5.14. Расходы на преодоление сил трения оболочки при прессовании сплава TiC-20% Ni (1) и карбида титана TiC (2)