Прессование изделий из порошков подвижными средами

преддипломную практику, выполняют курсовые и дипломные проекты, магистерские диссертации.

В последние годы технические возможности кафедры существенно расширились благодаря реализации в университете инновационно-образовательной программы. Появилась возможность коллективного использования на механико-машиностроительном факультете технологии конструирования Calls с применением трехмерного сканирования и визу-

ализации, прототипирования и других средств, определяющих современный уровень технологического проектирования.

Таким образом, на кафедре имеются необходимые технические и интеллектуальные ресурсы для подготовки высококвалифицированных специалистов для промышленности и разработки наукоемких технологических процессов мирового уровня по новым перспективным направлениям обработки металлов.

УДК 621.762.4

Прессование изделий из порошков подвижными средами

К. К. Мертенс, П. А. Кузнецов

Исследование процессов прессования порошков подвижными средами проводится с начала 70-х годов XX века, параллельно с работами по изучению электрогидроимпульсной и магнитно-импульсной штамповки. Наличие на кафедре уникальных электрогидроимпульс-ных и магнитно-импульсных установок, методик экспериментального определения импульсных параметров процессов (давления, скорости деформаций и др.) позволило создать базу для возникновения научного направления, цель которого — создание и исследование процессов прессования изделий из порошковых материалов подвижными средами.

К подвижным средам принадлежат жидкости, газы, резины, полиуретаны, то есть среды, которые могут передавать действующее на них давление практически во всех направлениях, а при соответствующем конструктивном исполнении инструмента — на уплотняемое изделие из порошкового материала. К процессам прессования подвижными средами можно отнести прессование порошков магнитными полями, впрочем с определенным допущением. Один из вариантов классификации таких процессов был разработан сотрудниками кафедры и опубликован в работе [1].

В связи с тем что процессы гидростатического, газостатического и гидродинамического прессования исследовались достаточно давно, основное внимание было уделено изучению электрогидроимпульсного (ЭГИП) и эластоста-тического (ЭСП) прессования порошковых материалов. Эти способы принадлежат к числу самых перспективных, но практически неизученных. Они предусматривают разные скорости приложения нагрузки и примерно одинаковый уровень прикладываемого давления, измеряемый сотнями мегапаскалей, одинаковую по размерам и форме номенклатуру прессуемых деталей. Область их применения — прессование полых тонкостенных деталей, сложнофасонных и удлиненных деталей средних размеров (примерно до 0200 х 300 мм) из труднодеформируемых порошков.

По сравнению с аналогами эластостатиче-ское и электрогидроимпульсное прессование обладает рядом преимуществ, к ним относятся:

• простота и универсальность оборудования и оснастки;

• более высокая производительность;

• возможность управления полями давления для создания различных схем напряженно-деформируемого состояния в порошке;

• пригодность для механизации и автоматизации;

• менее жесткие требования к технике безопасности.

ЭСП и ЭГИП не требуют применения громоздкого гидропривода, сложной системы уплотнения жидкости и могут осуществляться на серийном оборудовании. Их целесообразно использовать в случае, когда трудно или невозможно получить детали требуемого качества прессованием в жестких пресс-формах. Благодаря универсальности, простоте и дешевизне оснастки эти способы можно применять для прессования деталей как в серийном, так и единичном производстве.

В результате проведенных работ были разработаны и комплексно исследованы новые способы, схемы и устройства для прессования порошков подвижными средами (ЭГИП и ЭСП), разработаны методики расчета основных параметров и проектирования технологических процессов. Новизна разработок подтверждена 20 авторскими свидетельствами и патентами.

Основная часть работ по электрогидроим-пульсному прессованию была посвящена разработке технологии прессования брикетов и втулок как из металлических, так и из керамических порошков. Помимо авторов статьи в исследовании участвовали канд. техн. наук доцент В. В. Подгорный, канд. техн. наук старший научный сотрудник Н. А. Коврижных и д-р физ.-мат. наук профессор А. Г. Рябинин. Профессор А. Г. Рябинин внес значительный вклад в развитие теории импульсного прессования порошков и разработку методик его экспериментального исследования.

Схема ЭГИП брикетов представлена на рис. 1. Заряженный от сети через повышающий трансформатор 1 и высоковольтный выпрямитель 2 конденсатор 3 разряжается при включении разрядника 4 между электродами 7 разрядной камеры 5, заполненной

>

ЧЧУ-

/ / / 5с <

./ / *

/ /1 / к / ^ /

/ / _ / ^

/

Рис. 1. Схема ЭГИ прессования брикетов

ПЗ

л

Рис. 2. Схема ЭГИП втулок раздачей:

1 — высоковольтный выпрямитель; 2 — повышающий трансформатор; 3 — сопротивление; 4 — разрядник; 5 — конденсатор; 6 — проволочка; 7 — эластичная оболочка; 8 — порошок; 9 — матрица

водой 6. Импульсное давление жидкости через эластичную мембрану 8 уплотняет (вакуум 10) порошок 9, помещенный в матрицу 11.

Для ЭГИП втулок (рис. 2) разряды обычно инициируются тонкой проволочкой. Образующаяся при взрыве проволочки 6 волна сжатия в воде уплотняет в радиальном направлении порошок 8, засыпанный в матрицу 9, через тонкостенную эластичную оболочку 7.

Физические явления, происходящие при электрическом разряде в воде, отличаются очень сложным характером. Процесс высоковольтного разряда в жидкости длится несколько десятков и сотен микросекунд. Энергия электрических разрядов, источника импульсного давления может достигать 105 Дж. Импульсные электрические мощности оцениваются на уровне 102-105 кВт, а плотность энергии в канале разряда — 102-103 Дж/см3, но это на порядок ниже плотности энергии при взрыве бризантных взрывчатых веществ.

Технологическое значение имеет волна сжатия, которая образуется в результате разряда в жидкости, ее можно направить на уплотняемый порошок. Проведен анализ процесса ЭГИП брикетов и втулок в общем случае, что позволило оценить, как влияют на процесс основные факторы: волновой процесс, сжимаемость воды и упругость матрицы, возможность образования разрывов в воде, отделение порошка от эластичной оболочки и матрицы.

Проводился расчет для порошка ПЖ4М2 с учетом заданного закона уплотнения и упругой разгрузки в широком диапазоне измене-

№ 3 (63)/2011

ния удельной энергии — от 1 до 5кДж/см, время выделения энергии составило 50150 мкс. Анализ результатов показал, что максимальное давление на границе с порошком достигало 250 МПа. Давление на границе «порошок — матрица» достигало 400 МПа. Давление стало больше при увеличении энергии и уменьшении времени импульса, что согласуется с результатами опытов.

Сопоставление результатов расчетов по волновой и неволновой теории позволяет сделать вывод о том, что допущение о несжимаемости жидкости, принятое в неволновой теории, можно использовать для расчета процесса прессования, так как результаты расчетов по обеим теориям практически совпадают.

На рис. 3 приведен пример расчетных зависимостей, полученных в результате теоретического анализа процесса ЭГИ прессования порошка на основе железа ПЖ2М2 (энергия разряда 18 кДж; длительность разряда — 200 мкс; высота слоя порошка — 17,5 мм; радиус разрядной камеры — 40,0 мм). Основными факторами, влияющими на конечную плотность прессовки, являются физико-механические свойства порошка, размеры прессовки, энергетические характеристики установки, конструкция и размеры разрядной камеры и оснастки.

Разработанная классификация технологических схем ЭГИП трубчатых изделий, исследование импульсных давлений, получаемых в цилиндрических разрядных камерах и прессуемом порошке, позволили создать новые технологические схемы прессования и определить области эффективного использования процесса, а именно:

• прессование тонкостенных трубчатых изделий из малопластичных, например керамических, порошков;

• импульсное уплотнение поверхностных слоев предварительно сформированного изделия в целях повышения его эксплуатационных характеристик;

• напрессовка тонких слоев порошка на компактную или порошковую основу с целью получить сложные композиционные, в том числе биметаллические, изделия.

На рис. 4 представлены экспериментальные графики зависимости плотности втулок из различных порошковых материалов от энергии разряда. Применение даже максимальной энергии разряда не позволяет прессовать изделия с плотностью более 0,75-0,80 на существующих установках. Дальнейшее повышение плотности можно обеспечить, используя многоразрядное ЭГИП, однако с технологической точки зрения в большинстве случаев это существенно усложняет процесс.

Более эффективной технологией получения высокоплотных изделий сложной формы являются комбинации ЭГИП с другими процессами формования порошков. Исследования показали, что такими комбинированными процессами являются сочетания ЭГИП со статическим прессованием, гидростатическим прессованием и виброформированием. Комбинированные процессы позволяют получать изделия сложной формы: стаканы, тигли, ступенчатые втулки и др., с относительной плотностью 0,85-0,90. Очень важно, что при использовании комбинированных процессов, как правило, сохраняются преимущества самого процесса ЭГИП. Так, например, при

Р-105, vn,

Н/м2 q м/с Z, мм

800 0,56  во 6  1

12

0,54 50 5 - 3

600 -

0,52 40 4 4

400 0,48 30 3 /

0,44 20 2 /

200 - Уу У

0,40 10 1 ^ \ 1 1 1 1 1 \

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 t/r

Рис. 3. Расчетные зависимости параметров процесса ЭГИ прессования брикетов из железного порошка от относительного времени:

1 — скорость поршня Vn; 2 — перемещение поршня Z; 3 — сопротивление порошка Рп; 4 — относительная плотность 0; 5 — давление в волне сжатия Pn

Wg, КДЖ

Рис. 4. Экспериментальные зависимости относительной плотности V втулок от энергии разряда 1 — порошок алюминия АСД104-80; 2 — порошок меди ПМС-2; 3 — порошок никеля ПЭНС; 4 — порошок железа ПЖ4М2

комбинированном виброформовании и ЭГИП втулок из корунда неравномерная плотность прессовок по высоте не превышала 2,0-2,5 % при средней пористости 12,0-14,0 %. Основные результаты исследований импульсных процессов прессования порошковых материалов были опубликованы в ряде книг [2, 3]. Широкое применение этого процесса в промышленности сдерживают сложность реализации ЭГИП (необходимость отделения порошка от жидкости, изоляция высокого напряжения, трудности инициирования высоковольтного разряда при больших межэлектродных промежутках и др.) и дорогое специальное оборудование.

Более простым, но не менее эффективным процессом является квазиизостатическое прессование порошковых материалов с применением эластичных сред. По аналогии с гидростатическим прессованием такое прессование было предложено называть эластостати-ческим [1].

На рис. 5 показаны принципиальные схемы процессов ЭСП порошковых материалов. Из значительного многообразия возможных схем прессования втулок можно выделить основные — раздачу, обжим и их комбинации с осевым уплотнением. На практике легче осуществить ЭСП втулок по схеме раздачи, показанной на рис. 5, б. Прессование проводят следующим образом: порошковый материал 4 помещается в матрицу 3. Пуансон 1 передает усилие пресса Р в осевом направлении на эластичный формующий элемент 5, который передает давление на порошок 4 уже в радиальном направлении. Вытеснению порошка в осевом направлении препятствуют крышка матрицы 2 и основание 7. После снятия давления эластичный стержень и сменная втулка возвращаются в исходное поло-

Рис. 5. Схемы ЭСП втулок: а — методом обжима; | — методом раздачи

жение, а спрессованное изделие извлекается из матрицы 3 и снимается со оправки 6.

Многообразие схем прессования, широкая номенклатура получаемых изделий и возможность использования практически любых порошковых материалов предопределили значительный объем исследований по данной тематике, в которых помимо авторов статьи участвовали канд. техн. наук Б. В. Аллой, канд. техн. наук А. В. Гоциридзе, канд. техн. наук Г. И. Смолий, канд. техн. наук А. В. Да-ниленко, М. А. Ильин и Т. Т. Нгуен.

Проведенный анализ радиального ЭСП тонкостенных втулок по схемам раздачи и обжима при эллиптическом условии пластичности показал, что радиальные напряжения и плотность прессовки распределены неравномерно и зависят от сжимаемости полиуретана и трения полиуретанового формующего элемента об элементы оснастки. Однако при увеличении давления напряжения и плотность втулок по высоте выравниваются. С ростом давления формующий элемент принимает практически цилиндрическую форму, за исключением участков защемления.

Результаты расчетов, подтвержденные опытами, показывают, что на усилие, ход пуансона, равноплотность и разнотолщинность втулок оказывают влияние свойства порошка и эластичной среды, определяемые кривыми их сжимаемости, условия внешнего трения и соотношение размеров формующего элемента. Для улучшения качества деталей необходимо уменьшать силы трения и по возможности увеличивать площадь формующего элемента, то есть уменьшать степень его деформации.

Были проведены исследования технологических и физико-механических характеристик отечественных полиуретанов, используемых для ЭСП. Экспериментально определено, что наилучшими эластичными материалами для ЭСП являются полиуретаны СКУ-7Л и СКУ-ПФЛ. Опыты и расчет показывают, что с увеличением давления напряжения по всему объему полиуретана выравниваются, а коэффициент бокового давления быстро растет, приближаясь к предельной величине 1. Это позволяет получать равно-плотные по высоте втулки и стержни.

Проведены большие серии опытов по ЭСП брикетов и втулок из металлических и керамических порошков. ЭСП позволяет достигать весьма высокой относительной плотности втулок — до 0,90-0,92. Разноплотность втулок по высоте не превышала 1,0-2,0%, а разнотолщинность — 2,0-5,0%, причем

Константы кривых уплотняемости

с ростом давления эти параметры уменьшаются. Математическая обработка результатов опытов дала константы кривых уплотняемости при ЭСП (см. таблицу): 0 = 0о + Врп, где 00 — плотность засыпки; Врп и п — экспериментальные значения констант.

На рис. 6 представлены зависимости плотности от давления для тонкостенных втулок из нескольких порошковых материалов.

ЭСП целесообразно применять для изготовления тонкостенных изделий из керамических порошков (втулок, стаканов и др.). Таким способом можно получать практически равноплотные тонкостенные втулки из керамических порошков с пористостью 1517 % и отношением высоты к толщине до 50 и более, что трудно получить другими способами. Их неравноплотность и разнотол-щинность зависят главным образом от неравномерности засыпки порошка, трения и неравномерности деформации формующего элемента. Для их уменьшения целесообразно проводить виброукладку, использовать

Рис. 6. Зависимости относительной плотности 0 втулок от давления Р при ЭСП:

1 — порошок бронзы БрОГр2; 2 — порошок легированного железа РМ225Н; 3 — порошок железа АНС100

эластичную оболочку, разделяющую порошок и формующий элемент, торцевые эластичные прокладки.

Испытание керамических прессовок на механическую прочность показали, что после ЭСП она значительно повысилась и стала в 1,5-3,0 раза выше прочности виброформо-ванных образцов. В качестве примера на рис. 7 приведена схема опытно-промышленной пресс-формы для ЭСП стаканов из порошка [6]. Пресс-форма работает следующим образом. В зазор между знаком 6 и разделительной втулкой 7 засыпают порошок 5, который покрывает и сам знак 6. Сверху порошок закрывают эластичным вкладышем 4. На эластичный вкладыш помещают составной пуансон (1, 2, 3). Затем осуществляется прессование, при котором усилие пресса передается на боковые стенки стакана через втулку 3, формующий элемент 8 и разделительную втулку 7. На дно стакана давление передается через пуансон 2 и эластичный компенсирующий элемент 1. После прессования спрессованный стакан извлекается вместе с основанием 10 и знаком 6 из контейнера 9.

При разгрузке воздействие формующих элементов на боковую стенку и дно стакана начинается и заканчивается одновременно, что предотвращает его возможное разрушение в зоне сопряжения стенки и дна. Подбором размеров эластичного компенсирующего элемента можно добиться одновременно-

Рис. 7. Схема опытно-промышленной пресс-формы для ЭСП стаканов из порошка [6]

Порошок Плотность засыпки 0О Экспериментальная константа

В п

ПМС-1 0,203 0,111 0,276

ПЖ4М2 0,275 0,008 0,713

АП 0,360 0,148 0,232

ПНЭ-1 0,395 0,280 0,387

го уплотнения боковой стенки и дна до одинаковой плотности.

Дальнейшим развитием технологии ЭСП порошковых материалов явилось исследование возможностей применения метода для изготовления композиционных сложных изделий. Были разработаны несколько вариантов технологии радиального ЭСП биметаллических трубчатых изделий из порошковых материалов, с существенно различающимися характеристиками уплотняемости и спекаемости.

В зависимости от свойств порошковых материалов, особенно параметров их уплотнения и спекания, при ЭСП биметаллических изделий возможны различные технологические варианты изготовления слоистых композиционных втулок: совместное прессование слоев, раздельное последовательное прессование слоев, напрессовка порошка на спеченную втулку, соединение спеченных втулок пластической деформацией. Разнообразие технологических вариантов ЭСП позволяет изготавливать трубчатые изделия из порошков самой сложной формы.

Для повышения производительности процесса ЭСП можно рекомендовать использование не только универсальных гидравлических прессов, но также специализированных установок. Один из вариантов такой установки был разработан и опробован на кафедре МиТОМД [7].

Выводы

Проведенное теоретическое и экспериментальное исследование ЭГИП и ЭСП показало их эффективность и позволило разработать рекомендации по рациональным областям их применения. Разработанная инженерная ме-

тодика позволяет рассчитать все необходимые технологические параметры процессов, определить связь конечной плотности изделия с давлением прессования, выбрать необходимое оборудование.

Литература

1. Богоявленский К. Н., Кузнецов П. А., Мертенс К. К.

и др. Принципы классификации процессов формования порошковых материалов // Порошковая металлургия. 1985. № 6. С. 89-95.

2. Богоявленский К. Н., Кузнецов П. А., Мертенс К. К. и др. Высокоскоростные способы прессования деталей из порошковых материалов. Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отделение, 1984. 168 с.

3. Экономичные методы формообразования деталей / Под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса. Л.: Лениз-дат, 1984. 144 с.

4. Богоявленский К. Н., Гоциридзе А. В., Кузнецов П. А. и др. Обработка давлением порошковых материалов. Л.: ЛПИ, 1988. 116 с.

5. Мертенс К. К., Кузнецов П. А. Перспективы применения и развития технологии эластостатического прессования порошковых материалов //Тр. Машиностроение / СПбГПУ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. С. 41-49.

6. Пат. 2181318 Российская Федерация. МПК В22Г3/ 03. Пресс-форма для прессования стаканов из порошка / Даниленко А. В., Кузнецов П. А., Мертенс К. К.; заявитель и правообладатель Санкт-Петербургский государственный технический университет. № 2000118349/02. Заявл.10.07.2000; опубл. 20.04.2002 Бюл.

7. Пат. № 88604 Российская Федерация. МПК В28В3/02, В28В7/10. Установка для изостатического прессования изделий из порошковых материалов / Кузнецов П. А., Демчук Ф. А., Нгуен Т. Т.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». №. 2009127031/22, заявл. 14.07.2009; опубл. 20.11.2009.