И формообразования заготовки

Традиционно в качестве материала сыпучей оболочки используется песок. Вместе с тем научный и практический интерес представляет изучение влияния реологических свойств материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки. Исходя из функционального назначения материал оболочки должен быть хорошим теплоизолятором, иметь высокую огнеупорность, а также быть доступным и относительно дешевым. Этим требованиям вполне отвечают алюмосиликатные огнеупоры и, в частности, шамот. Важным свойством шамотной крошки является то, что она имеет более низкую, чем песок, начальную плотность r20: у песка r20 = 0, 61, у шамотной крошки r20 = 0, 41 [206]. Соответственно ресурс сжимаемости у шамотной крошки выше, чем у песка, и это должно оказать положительное влияние на процесс деформирования заготовки.

В работе [163] проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния материала оболочки на закономерности уплотнения и формообразования заготовки. В качестве материала оболочки были исследованы песок, шамотная крошка и их смесь: 3 объемные части песка и 1 часть шамотной крошки. Рассматривалось СВС-прессование заготовок радиусом R ₁ = 39 мм из твердого сплава TiC-20% Ni в пресс-форме радиусом 62, 5 мм. Служебные характеристики материалов оболочки приведены в подразд. 3.4.

Экспериментальные данные и результаты расчета высоты центра заготовки h ₁ в зависимости от давления прессования q приведены на рис. 5.21.

Здесь же представлены результаты расчета средней по объему относительной плотности заготовки r₁. Реологические свойства материала оболочки оказывают заметное влияние на кинетику уплотнения продуктов синтеза. Так, уплотнение продуктов синтеза в шамотной оболочке требует меньшего давления прессования q, чем в песчаной оболочке. В результате максимальная степень уплотнения продуктов синтеза в шамотной оболочке достигается при меньшем давлении, чем в песчаной оболочке: соответственно при q = 95 МПа и q = 120 МПа. Прессование в оболочке из смеси шамотной крошки с песком по кинетике уплотнения занимает промежуточное положение.

а

б

Р и с. 5.21. Изменение высоты h 1 (а) и относительной плотности r 1 (б) заготовки при СВС-прессовании в песчаной (1), шамотной (2) и пес- чано-шамотной (3) оболочках: ·, D, o – эксперимент

При тождественности температурного режима и реологических свойств продуктов СВС различный характер уплотнения заготовок обусловлен различием реологических свойств материала оболочки. Напомним, что сопротивление деформации порошковых материалов характеризуют кривые уплотнения s (), связывающие гидростатическое напряжение s с приведенной относительной плотностью порошка (см. подразд. 5.2). Расчетные кривые уплотнения s () горячих продуктов СВС, песка, шамотной крошки и их смеси приведены на рис. 5.22. Зависимость s () для склерономных материалов оболочки находилась по формуле (5.6), для реономных продуктов СВС – по формуле (5.5) в процессе решения краевой задачи.

Р и с. 5.22. Кривые уплотнения s() песка (1), шамотной крошки (2) и горячего сплава TiC-20% Ni (3)

Качественный анализ влияния реологических свойств материала оболочки на характер уплотнения заготовки выполним на одномерной механической модели процесса. Одномерная механическая модель процесса СВС-прессования представляет собой два параллельно соединенных элемента – центральную зону оболочки с заготовкой и кольцевую зону оболочки вокруг заготовки. Центральная зона оболочки соединена с заготовкой последовательно. Величина осевой деформации заготовки e_{z 1} при заданном усилии прессования Q будет обратно пропорциональна эквивалентной жесткости элементов:

, (5.9)

где с ₁ – жесткость заготовки; с _ц, с _к – жесткости центральной и кольцевой зон оболочки. Жесткости с ₁, с _ц и с _к пропорциональны сопротивлению деформации соответствующих материалов. Жесткость заготовки с ₁ является фиксированным параметром: с ₁ = const. Уменьшение прочности материала оболочки приводит к уменьшению жесткости элементов оболочки с _ц и с _к. Из (5.9) следует, что при этом увеличиваются осевая деформация e_{z 1} и, как следствие, плотность заготовки. Максимальная степень уплотнения заготовки имеет место при СВС-прессовании в оболочке из шамотной крошки, которая характеризуется наименьшим сопротивлением деформации по сравнению с песком или песчано-шамотной смесью.

Характер формообразования заготовки также определяется соотношением сопротивления деформации продуктов синтеза и материала оболочки (см. п. 5.2). Если сопротивление деформации оболочки выше, чем продуктов СВС, то периферийные объемы заготовки осаживаются в меньшей степени, чем центральные. В результате имеет место вогнутость опорных поверхностей заготовки. Если сопротивление деформации продуктов СВС выше, чем оболочки, то периферийные объемы осаживаются в большей степени, чем центральные, и опорные поверхности становятся выпуклыми. На рис. 5.23 показана расчетная форма сечения заготовок после прессования в песчаной, песчано-шамотной и шамотной оболочках при давлении q =120 МПа. Сопротивление деформации рассматриваемых материалов оболочки выше, чем сопротивление деформации горячих продуктов синтеза (см. рис. 5.22). Соответственно для всех вариантов оболочки высота боковой поверхности заготовки h _б больше высоты ее центра h _ц и опорные поверхности являются вогнутыми. Количественной мерой искажения формы служит разность высот боковой поверхности заготовки и ее центра: D h _заг = h _б - h _ц.

Расчеты показывают, что прессование в шамотной оболочке характеризуется меньшим искажением формы, чем прессование в песчаной оболочке (см. рис. 5.23). Так, в первом случае разность высот составляет D h _заг=1, 58 мм, во втором – D h _заг=2, 5 мм. В относительных показателях размерная точность заготовки увеличивается на 37%. Более низкое, чем у песка, сопротивление уплотнению s() шамотной крошки способствует тому, что в меньшей степени проявляется краевой эффект, связанный с образованием по периметру заготовки периферийной высокопористой зоны. В целом по совокупности положительных эффектов шамотная оболочка является предпочтительней, чем песчаная или оболочка из песчано-шамотной смеси.

а

б

в

Р и с. 5.23 Форма сечения заготовок, спрессованных в оболочке из песка (а), шамотной крошки (б) и песчано-шамотной смеси (в)

Из схемы механической модели процесса СВС-прессования (см. рис. 5.8) следует, что осевая деформация заготовки D h ₁ напрямую связана с деформацией не всей кольцевой зоны, а лишь с деформацией ее элемента К. Высота этого элемента h _К равна высоте заготовки h ₁, поэтому увеличить деформацию заготовки D h ₁ можно за счет уменьшения сопротивления деформации кольцевого элемента К. Такое техническое решение по снижению жесткости кольцевой зоны оболочки предложено в [236]. Суть его в том, что формируется неоднородная по составу оболочка, когда ее кольцевой элемент К заполняется материалом, имеющим меньшую прочность, чем песок
(рис. 5.24). Следуя работе [134], рассмотрим основные закономерности процессов уплотнения и формообразования при СВС-прессовании в неоднородной по составу оболочке.

Как и при исследовании процесса СВС-прессования в однородной по составу оболочке, рассматривалось прессование заготовок радиусом R ₁ = 39 мм из твердого сплава TiC-20% Ni в пресс-форме радиусом 62, 5 мм. Исследовали три варианта: прессование в однородной песчаной оболочке, прессование в однородной шамотной оболочке и прессование в неоднородной песчано-шамотной оболочке. Экспериментальные данные и результаты расчета высоты центра заготовки h ₁ в зависимости от давления прессования q приведены на рис. 5.25. Здесь же представлены результаты расчета средней по объему относительной плотности заготовки r ₁ в зависимости от давления q.

Сопротивление деформации и, следовательно, жесткость шамотной кольцевой зоны меньше, чем жесткость песчаной кольцевой зоны таких же размеров. Поэтому при одном и том же давлении прессования q степень уплотнения заготовки в неоднородной песчано-шамотной оболочке выше, чем в однородной песчаной оболочке. Результаты эксперимента и расчета показали практически одинаковый характер изменения высоты h ₁ и относительной плотности r ₁ заготовки при прессовании в полностью шамотной и песчано-шамотной оболочке. Исключение составляет начальный участок (q £ 40 МПа), когда расчетная степень уплотнения заготовки в шамотной оболочке выше, чем в песчано-шамотной оболочке.

Практически одинаковыми являются форма и геометрические размеры заготовок, спрессованных в однородной шамотной и неоднородной песчано-шамотной оболочке (рис. 5.26).

а
б
Р и с. 5.25. Изменение высоты центра заготовки h 1 (а) и относительной плотности заготовки r 1 (б) в зависимо - сти от давления прессования q: 1 – песчаная оболочка; 2 – шамотная оболочка; 3 – песчано-шамотная оболочка; D, ·; o – эксперимент
Таким образом, результаты эксперимента и расчета показали, что схема прессования в неоднородной песчано-шамотной оболочке практически эквивалентна прессованию в однородной шамотной оболочке, однако в первом случае расходуется меньший объем более дорогого шамотного материала.
	а
	б б
	Р и с. 5.26. Форма сечения заготовки при прессовании в однородной шамотной (а) и неоднородной песчано-шамотной (б) оболочке