Підвищення ефективності процесів пресування і використання пористих порошкових матеріалів - Автореферат

Цю задачу вирішує порошкова металургія, яка дозволяє вести безвідходне виробництво, зберігати енергію і матеріали, скорочувати трудові витрати, забезпечує охорону навколишнього середовища та дозволяє розвязати ряд екологічних проблем. З одного боку, при виготовленні деталей конструкційного призначення вона втрачає свої позиції через значну енергоємність отримання вихідної сировини - порошків. Ця структура забезпечується всіма операціями технологічного процесу, але вирішальний етап технології - це формування заготовок, який визначає не тільки розміри, форму, густину, продуктивність, безпеку і культуру праці, але й впливає на ряд найважливіших властивостей готового продукту. З позицій континуальної теорії уточнена модель пластичності порошкових середовищ, яка базується на умові текучості з поверхнею навантаження у вигляді центрального еліпсоїда і відрізняється тим, що встановлює звязок компонент тензору напружень не тільки з густиною та механічними характеристиками матеріалу, але й враховує параметри, які містять інформацію про структурні особливості порошкового тіла та зміцнення порошкового матеріалу в процесі пресування. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень вперше запропоновано нові технологічні схеми і конструктивні рішення обладнання та інструменту для реалізації СР-ІП, які дозволяють, за рахунок створення умов квазіізостатичного пресування та зниження контактного тертя між порошком і елементами оснастки, отримувати порошкові вироби (як простої так і складної в поперечному перерізі форми) з рівномірним розподілом густини по обєму і стабільними експлуатаційними характеристиками.У першому розділі аналізуються сучасні уявлення про процеси пресування і традиційні способи виготовлення ППМ, обґрунтовується вибір раціональних схем пресування, які дозволять комплексно реалізувати сучасні вимоги до виробництва і якості виробів. Аналітичний огляд досліджень і розробок прогресивних технологій дозволив встановити, що в даний час визначено два основних підходи до теоретичних досліджень процесів пресування: контактний і континуальний. Оптимальним процесом для реалізації радіальної схеми ущільнення є СР-ІП, коли форма з порошком ізольована від робочої рідини еластичним середовищем, що дозволяє більш ефективно механізувати та автоматизувати процес, підвищити культуру виробництва та зменшити енерговитрати за рахунок зменшення обєму проміжних середовищ [1]. Тому установки для СР-ІП, які відрізняються малими обємами проміжних середовищ, при інших рівних умовах дозволять зменшити енерговитрати і підвищити продуктивність процесів пресування. , (4) де x - коефіцієнт бічного тиску, який залежить від густини та властивостей матеріалу порошку і пресовки, тобто, в певному ступені, є носієм інформації про структурні особливості порошкового тіла (форму частинок, спосіб отримання порошку, зміцнення матеріалу і т.д.); m і l - показники зміцнення при гідростатичному і осьовому пресуванні відповідно.В результаті інформаційних і патентних досліджень, аналітичного аналізу традиційних процесів ущільнення порошків встановлено, що при виготовленні довгомірних порошкових виробів найбільш раціональною є радіальна схема пресування, яка у своєму розвитку дозволяє комплексно задовольнити потреби до виробництва і якості виробів. З позицій континуальної теорії уточнено модель пластичності порошкових середовищ, яка базується на умові текучості з поверхнею навантаження у вигляді центрального еліпсоїда, орієнтованого вздовж гідростатичної осі і відрізняється тим, що в рівняннях моделі крім компонент тензора напружень, густини і механічних характеристик матеріалу присутні параметри, які містять інформацію про структурні особливості порошкового тіла та зміцнення матеріалу в процесі формування. На базі уточненої моделі пластичності проведено комплексні теоретичні та експериментальні дослідження радіально-ізостатичного пресування на оправку в результаті яких визначено напружено-деформований стан в пресовках для радіальної схеми навантаження і отримано рівняння для визначення енергосилових (роботи пресування) параметрів процесу. Проведено комплекс досліджень по експериментальному визначенню технологічних та експлуатаційних характеристик виробів (здатність до ущільнення, розподіл густини по обєму, розподіл пор за розмірами, коефіцієнт проникності), що отримані методом СР-ІП на оправку.

Основний зміст роботи

1. В результаті інформаційних і патентних досліджень, аналітичного аналізу традиційних процесів ущільнення порошків встановлено, що при виготовленні довгомірних порошкових виробів найбільш раціональною є радіальна схема пресування, яка у своєму розвитку дозволяє комплексно задовольнити потреби до виробництва і якості виробів.

2. З позицій континуальної теорії уточнено модель пластичності порошкових середовищ, яка базується на умові текучості з поверхнею навантаження у вигляді центрального еліпсоїда, орієнтованого вздовж гідростатичної осі і відрізняється тим, що в рівняннях моделі крім компонент тензора напружень, густини і механічних характеристик матеріалу присутні параметри, які містять інформацію про структурні особливості порошкового тіла та зміцнення матеріалу в процесі формування.

3. На базі уточненої моделі пластичності проведено комплексні теоретичні та експериментальні дослідження радіально-ізостатичного пресування на оправку в результаті яких визначено напружено-деформований стан в пресовках для радіальної схеми навантаження і отримано рівняння для визначення енергосилових (роботи пресування) параметрів процесу. Дані залежності відображають звязок не тільки з густиною, але й структурними, механічними та геометричними характеристиками порошкового тіла. Вони покладені в основу розрахунків технологічних параметрів обладнання та інструменту.

4. Проведено комплекс досліджень по експериментальному визначенню технологічних та експлуатаційних характеристик виробів (здатність до ущільнення, розподіл густини по обєму, розподіл пор за розмірами, коефіцієнт проникності), що отримані методом СР-ІП на оправку. Відмічається добре співпадання теоретичних і експериментальних результатів.

5. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблені обладнання, інструмент та технологічні процеси для СР-ІП ППМ: - експериментальна та напівпромислова установки для СР-ІП, які дозволяють отримувати вироби із матеріалів, що ущільнюються різної природи і форми з граничними розмірами ? 40 ? 320, ( р ? 150 МПА) та ? 90 ? 650, ( р ? 250 МПА) відповідно;

- армований еластичний вкладиш, використання якого дозволило суттєво підвищити якість, надійність та довговічність інструменту, зменшити обєми проміжних середовищ і підвищити технологічність обладнання за рахунок скорочення трудовитрат на його виготовлення;

- набір багатошарових еластичних оболонок, використання яких для пресування ППМ дозволяє при переході на новий вид виробів, за рахунок оптимального їх набору при збереженні зовнішнього діаметру, економити еластичний матеріал на основі поліуретану у 2,5…3 рази;

- наладки для СР-ІП ПМ з еластичними втулками, використання яких дозволяє економити порошковий матеріал і отримувати якісні ППМ з рівномірним розподілом густини по обєму виробу і стабільними експлуатаційними характеристиками;

- наладки для СР-ІП ПМ з використанням еластичної пробки, герметично заповненої рідиною, використання яких для отримання виробів складної в поперечному перетині пресовки форми з ненаскрізним осьовим отвором типу „стакан” дозволило забезпечити постійність робочого тиску по всій поверхні виробу, що зменшило кількість браку (економія матеріалів) і дало змогу отримувати якісні ППМ з рівномірним розподілом густини по обєму виробу;

- технологія отримання ФМ на основі карбіду титану, яка дозволила скоротити енергосилові витрати на стадії пресування в 2 рази, на стадії спікання - в 1,3-1,5 рази за рахунок відсутності зовнішніх енерговитрат на спікання (СВС-спікання). Встановлено, що запропоновані заходи по вдосконаленню методу СР-ІП в поєднанні із розробленою технологією підвищують рівномірність поророзподілу одношарових ФМ на 20-35% і збільшують локальну проникність на 20-25% в порівнянні з аналогічними ФМ на основі чистого титану за рахунок відсутності “крайових” ефектів, поверхневого закриття пор і більш рівномірного розподілу пористості по обєму;

- технологія отримання двохшарових ФМ на основі карбіду титану методом СР-ІП на оправку, яка дозволяє підвищити проникність при заданому розмірі пор на 35…50% в порівнянні з ФМ, що виготовлені пресуванням в стальній прес-формі.

6. В результаті виконання роботи виявлені та показані перспективи розвитку сухого радіально-ізостатичного пресування: - запропоновано вдосконалені схеми еластостатичного пресування на оправку та матрицю, які дозволяють уникнути контактного тертя між еластичним елементом і порошком, створити умови для рівномірного прикладання тиску по контуру пресовки, що дозволяє отримати якісні ППМ з рівномірним розподілом густини по обєму;

7. Основні результати і методики досліджень використані в навчальних курсах: “Технологічні основи одержання виробів з порошкових матеріалів”, “Порошкові та композиційні матеріали”, “Маловідходні технології в машинобудуванні” ЛДТУ.

1. Заболотний О.В. Розвиток процесів пресування порошкових матеріалів // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2001. - Випуск 8. - С. 135-141.

2. Усиченко С.Ю., Заболотний О.В., Рудь В.Д. Деформування пористих осесиметричних заготовок в еластичних оболонках // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2001. - Випуск 8.- С. 249-258.

Персональний внесок здобувача - розробка методики проведення експериментів, підбір матеріалу (властивостей) проміжного еластичного середовища, встановлення раціонального співвідношення початкових розмірів пресовки, встановлення впливу осьового зусилля і виду матеріалу пористого тіла на закономірності його деформування.

3. Уточнення умови пластичності ущільнювального порошкового середовища з частинками складної форми / О.В.Заболотний // Вісник ЖІТІ. - 2001. - №19 / Технічні науки. - С. 14-17.

4. Заболотний О.В., Повстяной О.Ю., Рудь В.Д. Розвиток процесів ізостатичного пресування ущільнювальних порошкових середовищ // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2001. - Випуск 9. - С. 152-156.

Персональний внесок здобувача - розробка технології отримання армованого еластичного вкладиша прес-блоку пристрою для радіально-ізостатичного пресування на порошків оправку.

5. Заболотний О.В. Вдосконалення еластичного інструменту для сухого радіально-ізостатичного пресування порошкових матеріалів // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2002. - Випуск 10. - С. 77-84.

6. Заболотний О.В. Робота ізостатичного пресування при радіальному ущільненні порошків на оправку // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2002. - Випуск 11. -

С. 150-154.

7. Заболотний О.В., Рудь В.Д., Богінський Л.С. Виготовлення фільтруючих матеріалів із застосуванням сухого радіально-ізостатичного пресування // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2003. - Випуск 12. - С.106-123.

Персональний внесок здобувача - розробка технології отримання одно- та багатошарових ФМ на основі карбіду титану методом СР-ІП на оправку; вдосконалення схем еластостатичного пресування на оправку та матрицю.

8. Пат. № 52227 А Україна, МПК 7 В22F3/04. Пристрій для сухого радіально-ізостатичного пресування порошкових матеріалів / О.В.Заболотний; Заявл. 20.03.2002; Опубл. 16.12.2002, Бюл. № 12.

9. О.В.Заболотний, С.Ю.Усиченко. Дослідження процесу деформування порошку при тривісному стиску. // Математичні проблеми механіки неоднорідних структур: В 2-х т. - Львів, 2000. - Т.2. - С. 365-367.

Персональний внесок здобувача - розробка методики проведення експериментів, встановлення впливу траєкторії навантаження і виду матеріалу порошкового тіла на закономірності його деформування.

10. Богинский Л.С., Заболотный О.В., Божко Д.И. Энергосиловые затраты при радиально-изостатическом прессовании порошковых материалов на оправку // Современные методы проектирования машин. Расчет, конструирование и технология изготовления: Выпуск 1. - В 3-х т. Сборник трудов первой Международной научно-технической конференции г. Минск, 11-13 декабря 2002 г. / Под общ. ред. академика НАН Беларуси П.А.Витязя. - Минск: “Технопринт”, 2002. - Т.2. - С. 255-258.

Персональний внесок здобувача - експериментальні та теоретичні дослідження напружено-деформованого стану в пресовках для радіальної схеми навантаження; встановлення залежності тиску пресування та осьового напруження від густини, механічних та структурних характеристик та їх експериментальна перевірка.

11. Рудь В.Д., Заболотный О.В. Энергосиловые затраты при радиально-изостатическом прессовании порошков на оправку. // Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения: Сборник научных трудов / Под. ред. С.А.Астапчика, П.А.Витязя. - Минск: “Технопринт”, ПГУ, 2001. -

С. 209-212.

Персональний внесок здобувача - теоретичні та екпериментальні дослідження напружено-деформованого стану в пресовках для випадку радіальної схеми навантаження; встановлення та експериментальне підтвердження залежностей тиску пресування та осьового напруження при радіально-ізостатичному пресуванні від густини, механічних та структурних характеристик.

12. L.Boginsky, O.Reut, Y.Piatsiushyk, O.Zabolotny, I.Kupryianov. The Development of Processes of Pressing of Articles from Powders on the Bases of Metals, Ceramics and Graphite // 15 International Plansee Seminar. Austria, Reutte, 2001, V. 3. - P. 197-209.

Персональний внесок здобувача - встановлення звязку компонент тензору напружень з густиною, механічними та структурними характеристиками пресовки; встановлення та експериментальне підтвердження основного рівняння пресування для радіальної схеми навантаження; вдосконалення конструкції еластичного вкладиша прес-блоку для сухого радіально-ізостатичного пресування виробів з порошкових матеріалів на оправку.