Эластостатическое прессование тонкостенных стаканов из порошковых материалов

Одним из основных направлений современного развития производства является переход на новые технологические процессы, основанные на более экономном расходовании материалов, энергии и других ресурсов. В числе таких новых технологий широкое распространение получила порошковая металлургия.

Использование порошковой металлургии позволяет значительно сократить количество операций при изготовлении деталей сложной формы. При этом потери материалов снижаются до 5−10 процентов, существенно возрастает производительность труда. Во многих промышленно развитых странах мира постоянно увеличивается доля изделий, получаемых методом порошковой металлургии [1].

Технология получения деталей из порошков в значительной степени определяется совершенствованием важнейшей технологической операциипрессования, которая определяет не только размеры и форму деталей, но и их основные эксплуатационные свойства. Следовательно, технология обработки давлением порошковых деталей является определяющей в их производстве и ее дальнейшее развитие позволит расширить границы применимости метода.

В настоящее время в промышленности наиболее широкое применение получил способ холодного статического прессования в закрытых жестких пресс-формах, позволяющий получать лишь несложные по форме и небольшие по габаритам изделия. Для получения более широкой номенклатуры изделий требуется применение новых способов прессования.

Довольно широко распространены в различных отраслях промышленности детали типа «тонкостенный стакан» с отношением высоты к толщине стенки H/S более восьми-десяти, которые являются сложными для прессования. Это разнообразные пористые фильтры, огнеупорные тигли, изоляторы и др. В соответствии с особенностями применения производство подобных изделий может колебаться от крупносерийного в общем машиностроении до единичного для устройств специального назначения. Вследствие большой разноплотности, вызванной действием сил трения, получение таких деталей методом холодного статического прессования в закрытых жестких пресс-формах практически невозможно.

Наиболее перспективными для получения деталей типа «тонкостенный стакан» среди существующих способов прессования являются те из них, которые используют подвижные передающие среды — жидкости, газы и различные эластичные материалы как при статическом, так и при импульсном приложении нагрузки, а также методы прессования, использующие магнитное поле и поле сил инерции. К данным способам относятся гидростатическое, газостатическое, эластостатическое прессование, а также импульсные методы обработки — взрывное, гидродинамическое, магнитно-импульсное, электрогидроимпульсное прессование и другие.

Эти способы позволяют получать высокоплотные изделия больших размеров с равномерным распределением плотности, прессовать трудноде-формируемые порошковые материалы, поскольку обеспечивают приложение равномерного давления на неограниченной площади. Однако большинство из них обладает низкой производительностью, а для отдельных требуется сложное и дорогостоящее оборудование, что ограничивает область их применения.

Среди методов прессования подвижными средами одним из самых перспективных, но еще относительно мало распространенным в производстве является эластостатическое прессование (ЭСП). Эластостатическое прессование выгодно отличается от других способов прессования подвижными средами. Оно обладает высокой производительностью, легкостью механизации и автоматизации, возможностью использования в гибких автоматизированных производствах, простотой и универсальностью оборудования и оснастки. Применение метода эластостатического прессования дает возможность управления, регулировки полей давления, что позволяет создать в порошковой заготовке разнообразные схемы напряженно-деформированного состояния. Особенно важно, что благодаря универсальности, простоте и дешевизне оснастки ЭСП может применяться как в серийном, так и в единичном производстве. Оно не требует применения громоздкого гидропривода, сложных систем уплотнения жидкости и может осуществляться на универсальных гидравлических и механических прессах с высокой степенью механизации и автоматизации [2,3,4].

Несмотря на указанные достоинства, эластостатическое прессование недостаточно изучено, не до конца определены технологические возможности и параметры процесса, вследствие чего оно еще не нашло должного применения в производстве.

Для дальнейшего развития методов получения изделий из порошковых материалов необходимо усовершенствование технологии прессования на основе теоретического анализа процесса. Российскими и зарубежными учеными разработаны основы теории прессования порошковых материалов. Результатом этих работ явилось объяснение особенностей объемного сжатия пористых материалов и пластической деформации частиц, установление количественных зависимостей, связывающих плотность прессовки с давлением прессования.

Значительный вклад в исследование и разработку научных и практических вопросов порошковой металлургии внесли российские и зарубежные ученые В. Н. Анциферов, М. Ю. Бальшин, А. К. Григорьев, Ю. Г. Дорофеев,

A.М. Дмитриев, С. С. Ермаков, Г. М. Жданович, С. С. Кипарисов, М.С. Ко-вальченко, A.M. Лаптев, Н. В. Манукян, Б. С. Митин, H.H. Павлов, В.Е. Пе-рельман, Г. Л. Петросян, И. Д. Радомысельский, О. В. Роман, В. В. Скороход, И. М. Федорченко, И. Н. Францевич, М. Б. Штерн, Ф. Айзенкольб, Р.Дж. Грин,

B. Джонс, В. Д. Джонс, Г. Кун, М. Ояне, С. Шима и многие другие.

Вместе с тем теория процессов прессования подвижными средами при статическом нагружении требует дальнейшего развития. Не все основные положения теории являются полностью установившимися и подвергаются пересмотрам, дополнениям и изменениям. Необходима разработка научно обоснованных рекомендаций по проектированию технологических процессов.

Целью работы является экспериментальное исследование технологических возможностей и параметров процесса эластостатического прессования деталей типа «тонкостенный стакан» из порошка, построение расчетной модели процесса.

В работе рассмотрены и решены следующие вопросы:

— проведен обзор информации по существующим способам прессования деталей типа «тонкостенный стакан», сопоставлены их преимущества и недостатки;

— разработана классификация методов эластостатического прессования стаканов из порошка;

— построена модель процесса ЭСП тонкостенных стаканов из порошка;

— определены технологические свойства порошков, необходимые для моделирования напряженно-деформированного состояния и прогнозирования распределения плотности в прессовке по предложенной расчетной модели процесса ЭСП стаканов из порошка;

— разработана конструкция пресс-формы для ЭСП стаканов обжимом, обеспечивающая получение равноплотных изделий при одновременном начале и окончании воздействия давления на боковую стенку и дно стакана;

— проведено комплексное экспериментальное исследование процесса эластостатического прессования деталей типа «тонкостенный стакан» из порошковых материалов, исследованы свойства полученных образцов, определены условия получения высококачественных прессовок;

— даны рекомендации по проектированию технологических процессов ЭСП стаканов.

Предметом защиты является разработанная классификация способов ЭСП стаканов из порошкаматематическая модель процесса эластостатиче-ского прессования стаканов из порошкаконструкция оснастки, обеспечивающая получение равноплотных изделийрезультаты экспериментальной проверки корректности разработанной математической моделирекомендации по проектированию оснастки для эластостатического прессования тонкостенных стаканов.

Работа является продолжением и дальнейшим развитием исследований в области прессования деталей из порошковых материалов подвижными средами, выполненных на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» СПБГТУ исследователями: К. К. Мертенсом, А. Г. Рябининым, П. А. Кузнецовым, А. В. Гоциридзе, Б. В. Аллоем, Г. И. Смолием.

Основное содержание работы отражено в трех печатных работах. Материалы доложены на «Межвузовской научной конференции» 27 недели науки СПБГТУ (С.-Петербург, СПБГТУ, 1998 г.), «Межвузовской научной конференции» 28 недели науки СПБГТУ" (С.-Петербург, СПБГТУ, 1999 г.), «Межвузовской научной конференции» 29 недели науки СПБГТУ" (С.Петербург, СПБГТУ, 2000 г.), а так же на научно-техническом семинаре кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного технического университета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Метод эластостатического прессования может применяться как в серийном, так и в единичном производстве благодаря универсальности, простоте и дешевизне оснастки. Способ обладает высокой производительностью, легко поддается механизации и автоматизации, может осуществляться на универсальном прессовом оборудовании и обеспечивает высокий уровень прикладываемого равномерного давления, что позволяет получать высокоплотные изделия с равномерным распределением плотности.

2. Предложена классификация способов эластостатического прессования тонкостенных стаканов из порошка, которая может быть полезной при разработке технологии получения конкретных изделий.

3. Разработана теоретическая модель процесса эластостатического прессования тонкостенных стаканов из порошка, которая позволяет определять параметры НДС, плотность стаканараспределение плотности по высоте боковой стенки, угловому элементу и днувеличину разнотолщинности. Результаты расчета по модели процесса хорошо согласуются с экспериментальными данными.

4. В результате проведенного расчета напряженно-деформированного состояния эластичных формующего элемента и разделительной втулки при осесимметричном эластостатическом прессовании стаканов было выявлено, что даже при небольших давлениях прессования наблюдается выравнивание радиальных перемещений и напряжений по высоте. Формующий элемент и разделительная втулка принимают практически цилиндрическую форму за исключением торцевых участков. По мере увеличения давления длина этих участков сокращается.

5. Распределение радиальных напряжений по высоте границы разделительной втулки с порошком зависит от условий внешнего трения, соотношения внутреннего и наружного диаметров формующего элемента, свойств эластичной среды и порошка. Применение смазки позволяет уменьшить величину падения радиальных напряжений по высоте формующего элемента. Использование разделительной эластичной втулки позволяет исключить перемещение частиц порошка в осевом направлении при прессовании.

6. Разработана конструкция пресс-формы для ЭСП стаканов из порошка, в которой воздействия формующих элементов на боковую стенку и дно стакана начинаются при начале нагружения и заканчиваются при разгрузке одновременно, что предотвращает возможное разрушение или растрескивание в зоне сопряжения боковой стенки и дна и позволяет подбором размеров эластичного компенсирующего элемента добиться одновременного уплотнения боковой стенки и дна до одинаковой плотности.

7. Расчет напряженно-деформированного состояния в порошке показал, что ЭСП позволяет получать практически равноплотные и равнотол-щинные стаканы. Разноплотность стаканов по образующей без учета эффекта у кромки не превышает 1% при толщине засыпки 6 мм и давлении прессования 761.1 МПа и 2% при толщине засыпки 11 мм и давлении прессования 742.3 МПа.

8. Проведено экспериментальное исследование процесса ЭСП стаканов из порошка, показавшее возможность получения качественных тонкостенных стаканов при помощи предложенной конструкции оснастки и подтвердившее правильность предложенной расчетной модели. Были получены качественные стаканы из металлических и керамического порошков. Величина разноплотности стакана по образующей, зафиксированная в эксперименте, при толщине стенки стакана из медного порошка 2 мм и давлении прессования 389 МПа не превышает 1.5%, что находится в пределах погрешности измерений и хорошо согласуется с результатами расчета по модели процесса. Плотность дна практически не отличается от плотности углового элемента и прилегающей к нему части боковой стенки. Разнотолщинность стаканов по образующей не превышала 0.12 мм при толщине стенки 2 мм и 0.2 мм при толщине стенки 4 мм. На величину разно-толщинности помимо условий трения большое влияние оказывает точность

108 изготовления оснастки и неравномерность засыпки порошка. Наличие больших зазоров приводит к возникновению перекосов при прессовании, что также является причиной разнотолщинности. Экспериментальные данные по определению плотности стаканов хорошо согласуются с расчетными, особенно при больших давлениях прессования.

9. Разработана методика проектирования технологических процессов

ЭСП стаканов из порошка, позволяющая определить необходимое усилие прессования и основные конструктивные размеры оснастки.

10. На основании проделанных исследований можно сделать заключение о рациональности и перспективности применения эластостатического прессования для изготовления тонкостенных стаканов.