Портал освітньо-інформаційних послуг «Студентська консультація»

  
Телефон +3 8(066) 185-39-18
Телефон +3 8(093) 202-63-01
 (066) 185-39-18
Вконтакте Студентська консультація
 portalstudcon@gmail.com
 facebook.com/studcons

<script>

  (function(i,s,o,g,r,a,m){i['GoogleAnalyticsObject']=r;i[r]=i[r]||function(){

  (i[r].q=i[r].q||[]).push(arguments)},i[r].l=1*new Date();a=s.createElement(o),

  m=s.getElementsByTagName(o)[0];a.async=1;a.src=g;m.parentNode.insertBefore(a,m)

  })(window,document,'script','//www.google-analytics.com/analytics.js','ga');

 

  ga('create', 'UA-53007750-1', 'auto');

  ga('send', 'pageview');

 

</script>

Теоретичні основи напівсухого пресування порошкоподібних мас

Предмет: 
Тип роботи: 
Лекція
К-сть сторінок: 
17
Мова: 
Українська
Оцінка: 
ЛЕКЦІЯ № 
 
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ НАПІВСУХОГО ПРЕСУВАННЯ ПОРОШКОПОДІБНИХ МАС
 
4.3.1. Аналіз існуючих теорій пресування
 
Численні дослідження вітчизняних і закордонних вчених в області пресування порошкоподібних матеріалів свідчать про целе-сообразности реалізацію на практиці наступних технологічних прийомів, спрямованих на одержання високоміцних виробів з мінімальної анизо-тропией властивостей по їхньому обсязі: забезпечення оптимального гранулометриче-ского складу компонентів шихти; вибір раціональної форми і розмірів прессуемого виробу для забезпечення рівномірного розподілу напря-жений по його обсязі; попереднє ущільнення суміші перед прессовани-ем і виключення запресовування газоподібної фази в прессуемое виріб; двох^ фсхступенчатое пресування (чи двостороннє пресування) шихти з це-лью забезпечення рівномірного розподілу щільності по обсязі прес-совки; витримка спресованої шихти під тиском з метою релаксації напруг у спресованому виробі після зняття навантаження й інші меха-нико-технологические заходи.
Фундаментальні дослідження в області пресування порошкообраз-ных мас проведені в порошковій металургії, у вогнетривкому, керамиче-ском і силікатному виробництві, у хімічної, паливному й інших отрас-лях промисловості [1... 18]. При цьому найбільш важливими є теоре-тические дослідження з установлення необхідного зусилля пресування Рср визначального енергосилові параметри пресового устаткування і якість одержуваної продукції. Відомі також дослідження, у яких за критерій якості приймають щільність спресованого виробу (р).
У формулі А. Н. Миколаєва [19] при визначенні середнього тиску пресування Р^ була почата спроба врахувати геометричні розміри,
форму і взаємне розташування часток у процесі їхнього деформування за допомогою емпіричного коефіцієнта «с»:
де с – емпіричний коефіцієнт, що враховує розміри, форму і взаим-ное розташування часток; 5 – границя текучості металевого порошку; S -відносна щільність спресованого виробу (відношення вихідної насыпної маси шихти р0 до дійсної щільності матеріалу рист,  = р0/рист.
У рівнянні (4. 1) при  =0. 5, рср=0 що обмежує область його примінення.
З використанням чисельного методу досліджень М. Б. Генералов і інших вчених одержали рівняння для розрахунку тиску пресування минеральных порошків [13]:
де 0 – нормальні напруги зрушення порошкоподібного матеріалу; М -маса прессуемого порошку; R – радіус прес-матриці; - час запізнення (ретардації) деформації; lv – швидкість відносної об'ємної деформації; 8 – швидкість руху пуансона, що пресує; m, n – емпіричні коефіцієнти; Р0 – початковий тиск пресування; f, , -відповідно коефіцієнти внутрішнього і бічного тертя.
Рівняння (4. 2) враховує сукупний вплив факторів і досить об'єктивно оцінює процес пресування порошкоподібних мінеральних часток з урахуванням основних положень теорії граничної рівноваги, по якій навіть мала зміна об'ємних і поверхневих сил приводить до порушення рівноважного стану системи.
Досліджуючи контактну взаємодію часток металевого порошку, М. Ю. Бальшин установив наступну залежність [20]:
де к – контактний тиск між частками; Δ = -0 – збільшення відносної щільності; 0=0/ист- відносна щільність часток при 0=0; П0=1-0 початкове значення відносної пористості.
При висновку рівняння (4. 3) покладалося, що число контактів, приходящихся на одну частку, пропорційно відносної щільності:
=i/ист
де pі -насипна маса шихти; ист- дійсна щільність шихти при заданому тиску пресування, У даному вираженні покладалося, що
де А – приведена робота деформації; V – безрозмірна частка обсягу частинок, деформируемых при ущільненні.
Як показали дослідження И. С. Кайнарского, Р. Я. Попильского, Г. М. Ждановича, И. М. Федорченко, Р. А. Андриевского, DJones, W. Gegіelskі, ДО Kegel і інших учених [1... 20], при пресуванні поліфракційних порошкообразных шихт спостерігається здрібнювання зерен і утворення додаткової кількості тонких фракцій часток, для щільного упакування яких необхідні додаткові витрати енергії.
Дослідження процесу гідростатичного пресування металевих порошків, проведені під посібником Г. А. Меерсон [21], підтверджують доцільність забезпечення максимальної щільності прессовки і исключения анізотропії її властивостей.
Була встановлена залежність відносної щільності від тиску пресування Р:
m=P/Pmax (4. 5)
де Pmax- тиск, необхідне для забезпечення 100% -і щільності брикету; m- постійний емпіричний коефіцієнт.
Чи після підстановки відповідних значень і перетворень одержимо
При вивченні процесу пресування мідних сферичних часток діаметром (0, 8... 1, 2) х10-3м при тиску Р= (100... 700) Мпа була підтверджена гипотетическая схема деформації часток, відповідно до якої при равномерном обтисненні шихти (гідростатичному пресуванні) спостерігається менша деформація зерен при спрямованому силовому впливі (звичайному пресуванні). В останньому випадку частка сплющується в напрямку руху пресуючого пуансона, що пресує, і витягається в перпендикулярному направлении.
Звідси випливає висновок про доцільність для процесу пресування створення умов, що забезпечують мінімальну анізотропію властивостей прессуемых часток, тобто забезпечення умов з рівномірним розподілом напруг по обсязі деформуємих часток.
Вивченням залежності щільності пресування (опади шихти) від давления пресування займалися й інші дослідники: П. П. Баландін, А. С. Бережной, М. Я. Шевців, Н. Е. Дроздів і інші [22... 26]. Відповідно до исследованиям В. А. Полюх [23], залежність між осіданням маси і давлением пресування можна визначити по формулі
де h- осадка маси наприкінці пресування; Н – глибина засипання маси в прес-форму; п – безрозмірна величина, що характеризує властивості глиня-ной массы; Р0 – параметр, що характеризує відношення властивості маси до тиску; Р0 – тиск пресування.
Відповідно до досліджень інших учених [27], установлено:
де W – абсолютна вологість порошку, % ;  – коефіцієнт, що відбиває вплив гранулометрического складу, при W<11. 5% = 1, 1…1, 3; - коэффициент, що залежить від пластичності глиняного сирцю. при W<10, 5% для глин середньої і малої пластичності =1, 0, для глин високої пластичності =1, 04.
Однак отримані рівняння, як правило, носять емпіричний ха-рактер, або містять коефіцієнти, для визначення яких необходи-мы спеціальні дослідження.
Визначений інтерес викликає емпіричне рівняння пресування, отримане Ю. Г. Дорофеевым і Н. Т. Жердицким [20];
де К – постійний коефіцієнт, одержуваний емпіричним шляхом; Аmax -максимальна приведена робота ущільнення, необхідна для достижения щільності моноліту.
Рівняння (4. 9) враховує деформаційний механізм ущільнення час-тиц, однак його автори допускають відсутність тертя на контактних поверхностях часток, що не відповідає реальним умовам процесу прессования.
Найбільш фундаментальні дослідження в області пресування по-рошкообразных матеріалів присвячені вивченню контактної взаємодії часток методами статичної механіки і проведені Г. М. Ждановичем [26]. Рівняння пресування з урахуванням витрат тиску на подолання сил зовнішнього тертя пресовок об стінки пресформи має вид
де К – постійна величина; =1/- відносний обсяг брикету.
Значення постійної величини К визначається по формулі
де LH, LB – параметри внутрішньої і зовнішньої бічної поверхні пресовки, відповідно; hk – приведена чи критична висота прессовки При =1; SH – площа поперечного переріза прессовки.
Рівняння (4. 11) досить всебічно описує деформаційний механізм взаємодії прессуемых часток, однак не враховує прочностные характеристики часток у процесі їхнього руйнування.
Існують і інші теоретичні розробки, у більшій чи меньшей ступені уточнюючі процес пресування порошкоподібних мас.
 
4.3.2. Механізм пресування порошкоподібних мас
 
Процес пресування порошкоподібних мас під дією зовнішніх супроводжується істотною зміною первісного обсягу відрізняє його деформування від деформування компактного монолітного тіла, що спостерігається при руйнуванні порід. При стиску порошкоподібних мас з різними физикомеханічними характеристиками (гранулометрическим складом, насипной масой, пластичністю і т. д.) спостерігається загальна закономірність – экспоненціальна залежність зміни об'ємної щільності прессовки від тиску пресування Р. Це наочно виявляється при побудові діаграмм пресування (мал. 4. 12), отриманих при ущільненні порошків у замкнутій матриці.
До початку ущільнення порошкоподібна маса має велику пористість (малу насипну щільність) обумовлену тим що частки матеріалу, і, взаємодіючі між собою і стінками матриці, утворять аркі зводи, що створюють внутрішні порожнечі. На першій стадії пресування (ділянка ОА) під впливом зовнішньої сили Р відбувається структурне ущільнення матеріалу – частки змішаються відносно один одного і заповнюють порожнечі.
Зусилля, подолані при цьому, звичайно незначні. Енергія витрачається на подолання сил тертя часток відносно один одного і на тертя об стінки пресформ, а також на руйнування деякої частини крупних часток. Тому ущільнення матеріалу по висоті засипання відбувається не однаково. Спочатку ущільнюється шар матеріалу в самого штемпеля, а за тим тиск передається на нижній шар, причому тиск і ступінь уплотнения з глибиною зменшуються.
 
Рис. 4. 12. Діаграма пресування порошкоподібних мас
 
Довжина першої стадії залежить від кількості порожнеч (порозности) шихти в її насипному стані і визначається гранулометрическим складом і механізмом аутогезионного взаємодії часток.
На другій стадії пресування (ділянка АВ), після того як укладання часток в основному завершилася, ущільнення матеріалу происходит за рахунок деформації часток. Частина подводимой ззовні енергії витрачається на преодоление внутрішнього і зовнішнього тертя часток, а основна – на пружне-пластичне деформування зерен, що вимагає підвищеної витрати енергії. Під впливом зусилля, що пресує, відбувається зближення часток, збільшення поверхні їхнього контакту як за рахунок взаємного зіткнення зерен суміші, так і за рахунок появи нових поверхонь при тендітних разрушениях часток.
Міцність спресованого тіла обумовлена механічним зчепленням, дією електростатичних сил, а також міжмолекулярною взаимодействием як самих часток, так і речовин, адсорбованих на їхній поверхні. Сили електростатичного і межмолекулярного взаємодії часток прямо пропорційні поверхні контакту і назад пропорциональны квадрату відстані між ними. Остання взаємодія проявляеться лише на відстані порядку 10-10м. Із збільшенням тиску пресування дія зазначених сил зростає.
Третя стадія процесу пресування (ділянка ВС) характеризується сжатием міцного тіла, що утворилося, і зростаючою часткою пружних деформацій. Пружна деформація відновлює систему в колишній стан після зняття тиску (ділянка СЕ) і приводить до порушення структури спресованого тіла й ослабленню зв'язків між частками. При збільшенні часувитримки суміші під тиском пружні деформації можуть переходити в остаточні.
Таким образом, формование спресованого тіла – результат последовательно процесів ущільнення, що протікають, і зміцнення порошкообразного матеріалу під впливом прикладеного тиску (ділянка ОВ) і ослабления його структури після зняття тиску (ділянка BD).
На діаграмі пресування (див. мал. 4. 12) крива ОВ характеризує властивість матеріалу ущільнюватися при стиску. Робота, витрачена на стиск еквівалентнаі площі F1, фігури ОВК. Крива BD характеризує пружні властивості матеріалу (здатність його до розширення після стиску) а плошадь F2 фігури KBDN – роботу, чинену стиснутим матеріалом при його пружному розширенні.
Відношення вихідної висоти матеріалу Н0 у прес-формі до висоти його під тиском Н1, називається коефіцієнтом ущільнення:
Купл=Н0/Н1’
Відношення висоти прессовки Н1’ після пружного розширення до її высоте під тиском Н1, називається коефіцієнтом пружного розширення:
Купp=Н1’/Н1
Виходячи з умов сталості мас
де р0, р1, р1’ – щільність матеріалу, відповідно у вихідному, уплотненном станах і після зняття тиску.
По величина Купл і Купр можна судити про пресуємість матеріалів. З підвищенням пресуемості суміші коефіцієнт Купл зростає, а коэфіцієнт КУПР зменшується. По діаграмі пресування визначається количественное співвідношення між корисною енергією Е1, затрачуваної на пластические деформації, у результаті яких матеріал ущільнюється й упрочняется, та енергією пружних деформацій Е2 стиснуті матеріали при знятті давления, що послабляють структуру пресованого тіла. Більш повно про пресуємість матеріалів можна судити по показнику пластичності k:
У сумішей гарної прессуемости показник пластичності складає 14... 19. Для забезпечення раціональних режимів обробки тиском порошкообразных сумішей необхідно знати їх реологические властивості і фізикомеханічні характеристики в процесі ущільнення.
 
4.3.3. Розрахунок тиску пресування
 
Аналіз кривих пресування різних порошкоподібних матеріалів показує їхню якісну ідентичність.
Залежність між питомим тиском пресування Р0 і осіданням массы Н можна представити у виді [23]
де а, n – постійні коефіцієнти характерні для прессуемого материала; е- основа натурального логарифма.
Значення коефіцієнтів а, n можуть бути отримані по экспериментальній залежності для початкової і кінцевої крапок (мал. 4. 13).
 
Рис. 4. 13, Залежність опади шихти від питомого тиску пресування при різній вологості матеріалу (криві пресування)
 
Загальний тиск пресування   необхідне для пресування порошков, складається з тиску  , яке потрібно для досягнення заданний щільності (р) прессовки при рівномірному розподілі тиску по высоте і при відсутності втрат на тертя часток об стінки пресформи; явища  - на тертя часток порошку об стінки пресформи; надлишкового давления  , викликуваного неоднаковим розподілом тиску по высоті пресовки, через нерівномірну вологість маси, неоднорідності зернового складу і нерівномірності засипання пресформи масою:
Максимально можливе осідання прессуемой маси
Нmax=H0-Hизд
У диференціальній формі залежність осадки маси в межах пружньої деформації для твердих тіл від тиску можна представити у виді
де γ -відносний стиск; Р0 – питомий тиск; Е – модуль пружності.
Залежність необоротної деформації від тиску пресування по иналогии з (4. 15) виражається непропорційною залежністю
dН=dР0/А (4. 16)
де А – модуль пресування – величина перемінна, залежна від зусилля пресування, вологості шихти і її опади.
Модуль пресування характеризується кутом нахилу дотичної в какой-либо крапці кривої пресування до осі абсцис. Зі збільшенням значень і зменшенням вологості шихти (W) значення А зростають. Дану залежність можно представити у виді
А=CW-n/Hmax-Hi
де C – постійний коефіцієнт; W- вологість шихти; n – показник степени; Hmax, Hi- максимальна і поточна осідання маси відповідно.
Позначивши R = CW-n і підставивши у формулу (4. 1 6) значення А, маємо
dН = dР0 (Hmax-Hi) /R; dР0=dHR/Hmax-Hi. (4. 17)
Інтегруючи вираження (4. 17), одержимо
Прийнявши при Р0=0 Н=0, визначаємо значення С =-Rln Hmax,
Р0 = -RlnHmax-Rln (Hmax-Нi) =-RlnHmax-Hi/Hmax,
-Р0/R=lnHmax-Нi/Hmax; e-P/R=Hmax-Нi/Hmax
Остаточно
Нi=Hmax (1-e-P/R) (4. 18)
З вираження (4. 18) при заданому тиску пресування Р и відомих величинах Н и R можна установити осадку прессуемой маси.
Коефіцієнт пористості
Кп = Vn / Vтв = HnF/HтвF= Нп/ Нтв, (4. 19)
де Vn -обсяг пористості; VTB -обсяг твердої речовини; F -перетин форми в площині, перпендикулярної до прикладеного тиску; Нтв -висота твердого тіла. Представимо вираження (4. 19) у виді
1+Кп= (Нп+Нтв) /Нтв=Низд/Нтв
При Нп+Нтв=Н0; де Н0 -глибина пресформи, одержимо Кп = Кп0, звідки
1+Кп0=Н0/Нтв (4. 20)
Підставляючи в (4. 20) значення Н0=Нм +Низд, одержимо
1 + Кпо = (Нм + Низд) /Нтв= (Нм +Нтв + Нводи) /Нтв (4. 21)
відкіля Нм = КпоНтв-Нводи
Вираження (4. 18) можна представити як
eP0/R=Нmax/Нmax – Нi
Значення параметра R можна визначити з діаграми (мал. 4. 14).
 
Рис. 4. 14. Діаграма для визначення параметра R
 
Максимальне ущільнення одержуємо при Нi, що наближається до Нmaх.
Наприклад, при Нmaх-Нi, = 0, 005Нmaх маємо ep°/R =200 чи Р0 /R. lge = lg200,
Звідки одержуємо максимальне (критичне) тиск пресування, соответующее найбільшого ступеня ущільнення шихти Рmaх= 2. 3R/0. 434.
У даному вираженні значення параметра R приймається максимальним. Робочий тиск пресування відповідає заданому значенню коэффициента пористості пресовки.
Висоту готового виробу можна установити з залежностей
Нтв (1+ Кт) = Низд; Нтв (1+ Кпо) =Но; Низд=Но (1 + Нп) /1+ Кпо. (4. 22)
Величина осадки маси
Н=Но-Низд
Параметр Но – величина емпірична, залежна від вологості порошку його зернового складу. Параметр Кпо визначається по формулі
Кпо =γ/γ0 (1 + W/100) -1 (4. 23)
Відповідно до формули
еP/R=Нм/ (Нм – Н) ; P/R lge=lg (HM/ (HM – Н)). (4. 24)
Для робочого тиску пресування по діаграмі (див. мал. 4. 14) вибираємо значення параметра R.
 
4.3.4. Вплив тертя на процес пресування
 
З обліком розглянутого вище механізму пресування порошкоподібних шихт представимо розрахунок тиску пресування по висоті пресування з обліком тертя. Вивченням даного питання займалися різні вчені: П. П. Баландин, М. Я. Сапожников і ін. Розглянемо положення пресуємого матеріалу наприкінці пресування шихти (мал. 4. 15).
Допустимо, що в довільному перетині 1-1, що відстоїть від упора на відстані Н, питомий тиск дорівнює Р. У перетині 2-2, що відстоїть від перетину 1-1 нескінченно мала відстань dН, питомий тиск більше на нескінченно малу величину dP і дорівнює (рНі,). Допустимо, що питомий тиск у поперечному перерізі прессовки по всій її площі однаковий. Уравнение равновесия шару пресованої шихти (без обліку його ваги, як величини достатньо малої в порівнянні з діючими силами) одержимо виходячи з наступних міркувань.
На внутрішній шар спресованої шихти в напрямку, зворотному руху пресуючого пуансона, діє сила Pf. У цьому ж напрямку діє сила тертя по бічній поверхні шару dН
dН= PfUdН, (4. 25)
де  – коефіцієнт бічного розпору, дорівнює відношенню бічного тиску q на стінку матриці, спрямованого нормально до його поверхні, до основного тиску Р в тій же точці; Г – коефіцієнт тертя матеріалу о пресс-матрицю; U – периметр перетину пресовки; dН – висота шару прессовки.
 
Рис. 4. 11 5. Схема до розрахунку тиску пресування
 
У напрямку руху штемпеля, що пресує, (площею S) на шар dН діє сила, рівна (Р+dР) S. Тоді рівняння рівноваги шару dН приймає вигляд
PS + fPUdH – (Р + dP) S = 0 (4. 26)
Після перетворень одержимо
dPS = fPUdH
Розділивши обидві частини рівняння на PS, одержимо
dP/P=fUdH/S.
Так як питомий тиск на поверхні штемпеля, що пресує, і на упорі істотно не відрізняється, то параметр  можна вважати величиною постійною по всій висоті пресовки Н. З урахуванням незначної різниці температур стінок прес-матриці на ділянці Н величину f так же можна прийняти постійною. При зазначених умовах відношення fU/S буде також величиною постійною, котру позначимо через К тоді
dP/P=KdH
Після інтегрування даного диференціального рівняння одержимо
lg=KH + C,
де С- постійна інтегрування.
Після потенцирования будемо мати
Значення постійної С знаходимо при Н=0, тоді Р=Р0 і рівняння і (4. 27) прийме вид
або остаточно
У даному рівнянні значення питомого тиску   виражено через тиск на упорі   і поточне значення висоти шаруючи матеріалу Н при відрахунку її від упора.
При Н = Н2 з рівняння (4. 28) одержимо
Тоді питомий тиск на упорі
При відліку довільного перетину Н, не від упора, а від штемпеля рівняння (4. 28) прийме вид
Дане рівняння різними авторами інтерпретується посвоєму. Так П. ІІ. Баландін (1938р.) пропонує наступне рівняння розподілу тиску в пресовках
де Rг – гідравлічний радіус перетину пресуємого виробу, тобто відношення площі перетину S' до периметра U; m – добуток коефіцієнтів  та f.
Р. Я. Попильский вважає більш правильним дотримання умови
RГ = 2S'/U.
Значення величини  П. П. Баландін визначав по відомому виразу механіки сипучих тіл
 =tg2 (45-/2)
де - кут внутрішнього тертя чи матеріалу кут його природного укосу.
Більш правильним вважається визначення значення  по экспериментальным даним за допомогою месдоз. Значення f так само доцільно определять експериментально. У результаті експериментальних досліджень установлено, що зі збільшенням тиску пресування значення  зростає за рахунок збільшення ролі гідравлічної передачі тиску, а значення f снижается за рахунок змазуючої дії витискуваної рідкої, плівки, що позволяет вважати
f=f (P) = const.
Для глиняних мас (2 клас пластичності) відповідні значення параметрів  = f (W) рівні:
При W=8% =0, 57; W=11% = 0, 63; W=13% = 0, 66; W=16% = 0, 725, а для параметрів f=f (W) відповідно: при W=7% f=0, 5; W=ll% f=0, 435; W=9% f=0, 357; W=10% f=0, 31; W=ll% f=0, 246; W=12, 5% f=0, 155.
Вологість пресуємої маси також визначає значення зусилля выталкивания (N) готового виробу з прес-матриці.
Так, наприклад, для залежності N=f (W) : при W=8% N=7%, від тиску пресування при W= 10% N=5%, при W= 12% N=3%.
Рівняння може бути интерпретированно різним образом при відповідному представленні показника експоненти
H/Rr=H/ (2S/U) =HU/2S (4. 33)
Тоді рівняння (4. 32) можна привести до виду
де DГ – гідравлічний діаметр пресовки.
При логарифмуванні вираження (4. 34) маємо
lgPo/Рн = mН/RГ = mHU/2S = 2fН/RГ = 4fН/DГ
З урахуванням еластичної деформації часток порошку Торкар пропонує показник експоненти представляти у виді 8fН/DГ.
Представлені рівняння використовуються в кераміці і порошкової металлургии. Необхідно мати на увазі, що в міру зниження тиску пресования з боку пуансона, що пресує, у напрямку нерухомого нижнього упора щільність спресованого брикету також знижується (аналогічно зниженню тиску пресування, див. мал. 4. 15). Ступінь однорідності пресовки можна представити у виді відношення Δр= Р0/Р2, чи з обліком (4. 29) Δp=l/ekН2. З даного рівняння видно, що зі збільшенням висоти прессовки Н ступінь однорідності матеріалу зменшується і по величине ступінь однорідності завжди менше 1. При проведенні экспериментальных досліджень необхідно дотримувати умову HD, тоді можна вважати Δ1.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Фото Капча