Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Природознавство arrow Теорія і технологія пресування порошкових матеріалів
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Вібраційне формування

Загальні засади вібраційного формування

Суть вібраційного формування полягає в тому, що на порошковий матеріал, який перебуває під статичним тиском або без нього, впливає вібрація. При цьому значно знижується тиск пресування, підвищуються рівномірність розподілу щільності у виробі і її максимальні значення.

Позитивний вплив вібрації на процес ущільнення пов'язаний з порушенням первинних зв'язків між частинками порошку, що полегшує процес їх структурної деформації за рахунок зниження коефіцієнтів внутрішнього і зовнішнього тертя. За I.I. Блехманом і Г.Ю. Джанелідзе ефективний коефіцієнт тертя при русі частинки по шорсткій поверхні під дією вібрації може бути визначений так:

(9.1)

де- класичний коефіцієнт сухого тертя;

- амплітудне значення змінної сили вібраційної дії;

N – нормальна реакція.

Приефективний коефіцієнт тертя за рахунок порушення контакту між частинками прямує до нуля. Як наслідок, переміщення частинок при їх структурній деформації під час ущільнення може відбуватися під впливом дуже малих сил. Таким чином, при вібраційному пресуванні частинки порошку можуть навіть під дією власної ваги переміщатися в положення, відповідні мінімуму потенційної енергії, і укладатися більш щільно. Крім того, в цьому випадку має місце більш рівномірний розподіл тиску і деформацій в ущільнюваному матеріалі.

Можливі три відмінні одна від одної схеми вібраційного ущільнення (рис. 140) за допомогою "вібруючих пуансонів" (а); "вібруючого контейнера і вібруючих пуансонів" (б): "вібруючого контейнера" (в).

Схеми вібраційного формування

Рисунок 140 – Схеми вібраційного формування

Крім того, розрізняють Оса процеси ущільнення під впливом вібрації.

1. Вібраційне формування під впливом динамічних зусиль змінної величини. З фізичної точки зору такий процес вібраційного формування відрізняється від статичного пресування тим. що пластичній деформації або крихкому руйнуванню частинок передує більша структурна деформація. При цьому динамічний тиск за величиною практично може не відрізняється від тиску статичного пресування тих же порошків.

2. Вібраційне формування під дією власної ваги або тиску, який у багато разів менший від тиску статичного пресування тих же порошків. Процес характеризується високим ступенем структурної деформації порошкового тіла, який дає змогу одержувати вироби високої щільності навіть при прикладанні незначного зовнішнього тиску.

Застосування другого варіанта вібраційного ущільнення в поєднанні зі схемою "вібруючого контейнера" дає змогу при відносній простоті апаратурного оформлення одержувати вироби з високим ступенем рівномірності розподілу щільності по їх об'єму. В цьому випадку ефективність застосування вібраційного формування також зумовлюється значним зниженням (в 10-100 разів) тиску пресування порівняно зі статичним пресуванням, спрощенням і зниженням матеріаломісткості устаткування й оснащення, що використовують при цьому. Особливо ефективним є застосування методу вібраційного ущільнення при формуванні виробів із порошків твердих, крихких матеріалів, що вимагають високого тиску при статичному пресуванні або введення зв'язок.

На процес вібраційного ущільнення і властивості кінцевих виробів впливають параметри вібрації, властивості вихідних порошків, час процесу, геометрія виробу, наявність мастил і зв'язок.

Найбільш суттєвий вплив на процес вібраційного ущільнення мають частота і амплітуда коливань, а також прискорення. Переважно зі збільшенням частоти коливань щільність виробів збільшується (рис. 141). Проте при ущільненні порошків деяких матеріалів, наприклад типу САП, з пластинчастою формою частинок (на відміну від порошків, які мають сферичну форму) ця залежність немонотонна (рис. 141, 2, 3). При досягненні певної оптимальної частоти подальше її збільшення призводить до зниження щільності виробу. При цьому збільшення часу ущільнення може зумовлювати деяке зниження інтенсивності зменшення щільності (рис. 141,1, 2).

Такий характер зміни щільності виробу від частоти вібрації при вібраційному формуванні несферичних порошків зумовлений тим, що такі порошки менш чутливі до зміни параметрів вібрації. Несферичні порошки можуть необоротно "розпушуватися", що зменшує їх щільність. Більша їх структурна деформація можлива за рахунок додаткових енергетичних витрат, що і спостерігається при збільшенні часу ущільнення (рис. 141, 7, 2).

З урахуванням викладеного вище оптимальні значення частоти вібраційного ущільнення залежатимуть від властивостей вихідного порошку, (розмір і форма частинок, густина матеріалу частинок тощо), маси ущільнюваного матеріалу тощо.

Залежність щільності формовок від частоти вібрації

Рисунок 141 – Залежність щільності формовок від частоти вібрації

У цілому найбільша швидкість ущільнення спостерігається при резонансних частотах. При цьому при ущільненні великогабаритних виробів слід вибирати частоту вимушених коливань, близьку до частоти власних коливань частинок, а при ущільненні виробів невеликих розмірів вибирають частоти, близькі до власних коливань вібруючої системи. При цьому необхідно враховувати, що, за інших рівних умов, частота власних коливань великогабаритних об'ємів порошкової системи нижча, ніж малогабаритних. Це зумовлено тим, що при великих масах матеріалу, який ущільнюється, порушенню зв'язків між частинками перешкоджає маса розміщених вище шарів порошку .

Істотний вплив на частоту вібрації має розмір частинок вихідного порошку. Вищі частоти вібрації застосовують для ущільнення дрібних порошків, що мають малі інерційні сили. Збільшення частоти збільшує інерційні сили, що сприяє порушенню сил зв'язку між частинками і. тим самим, більш повній структурній деформації порошкової системи. Так, наприклад, при ущільненні за допомогою вібраційного формування невеликих об'ємів порошку (до 1 дм3) при зменшенні розміру його частинок від 100 мкм до 1 мкм частоти повинні збільшуватися з (6-8)* 103 коливань за хвилину до 18×103 і більше.

За інших рівних умов на ступінь ущільнення порошків також впливає амплітуда коливань. У цілому збільшення амплітуди сприяє ущільненню в тих межах, поки її збільшення не станс причиною переважання процесів розпушування порошку над процесами ущільнення. У зв'язку з цим вплив властивостей порошку. який ущільнюється, а також інших параметрів вібраційного ущільнення на залежність щільності виробів від амплітуди коливань неоднозначний (рис. 142).

Залежність щільності виробів від амплітуди коливань при вібраційному ущільненні

Рисунок 142 – Залежність щільності виробів від амплітуди коливань при вібраційному ущільненні

Зазвичай зі зменшенням розміру частинок порошку значення оптимальної амплітуди зменшуються. У протилежному випадку можливе виникнення шаруватих тріщин. Максимальне ущільнення кожного порошку відбувається тільки за оптимальних для нього співвідношень частоти і амплітуди, які між собою взаємопов'язані, як це, наприклад, спостерігається при вібраційному ущільненні порошку суміші твердого сплаву ВК6 (рис. 143). Чим вища частота, тим нижче значення оптимальної амплітуди.

Максимально допустимі значення амплітуди коливань при вібраційному ущільненні порошку ВК6 залежно від частоти вібрації

Рисунок 143 – Максимально допустимі значення амплітуди коливань при вібраційному ущільненні порошку ВК6 залежно від частоти вібрації

Істотним при вібраційному ущільненні є прискорення, якого набувають частинки вихідного порошку. Так, при ущільненні порошків з частинками малої маси (розмірів) для збільшення інерційних сил, що сприяють руйнуванню зв'язків між частинками, необхідно разом зі збільшенням частоти вібрації збільшувати прискорення, яке пропорційне амплітуді коливань А і квадрату частоти, тобто

(9.2)

У цьому випадку також збільшується енергія частинок:

(9.3)

Досягненню максимально можливої щільності при вібраційному ущільненні сприяє тиск, прикладений ззовні. При цьому його значення для досягнення однієї і тієї ж щільності виробу в 4-100 разів менший, ніж при статичному пресуванні. Проте, як показано в працях В В. Іващенка, слід враховувати, що залежно від умов вібраційного ущільнення дійсний тиск, який впливає на ущільнення порошку, складається зі статичного і динамічного. В результаті максимальне зусилля, що прикладається до порошку при його вібраційному ущільненні з прикладанням зовнішнього статичного тиску, може значно перевищувати його (табл. 43). При цьому максимальне зусилля залежить від параметрів вібра-

Таблиця 43 – Тиск статичного і вібраційного пресування порошків заліза марки ПШ-2М до відносної щільності 41 %

Параметри

Тиск

статичного пресування, кН/м2

Тиск вібраційного пресування, кН/м2, при частоті,

Гц

60

120

160

220

Додатковий статичний тиск

31500

4000

4000

4000

4000

Тиск, що максимально розвивається, при вібраційному пресуванні

31500

27500

27500

29000

33000

Відхилення Ріши ВІД Рсх > 0//°

-

-12,7

-14,3

-7,95

+4,75

Знання максимального зусилля, що прикладається до порошку при його вібраційному формуванні, важливе для з'ясування механізмів ущільнення, які при ущільненні твердих, крихких і пластичних матеріалів відрізняються один від одного. При ущільненні твердих, крихких матеріалів вібраційна дія викликає руйнування первинних зв'язків між частинками порошку, що призводить до їх ефективної структурної деформації, що зумовлює найщільніше укладання частинок. При цьому механізм структурної деформації якісно відрізняється від структурної деформації при статичному пресуванні і вимагає значно менших зовнішніх зусиль. Після завершення структурної деформації енергія вібраційної дії поглинається пружними деформаціями порошку. Останнє після закінчення вібрації може призвести до зменшення щільності виробів або навіть до їх руйнування за рахунок пружнoi післядії.

Механізм структурної деформації пластичних матеріалів практично не відрізняється від такого для непластичних.

Проте після завершення структурної деформації пластичних матеріалів значення тиску в місцях контактів частинок одна з одною можуть перевищити межу текучості матеріалу і викликати пластичну деформацію частинок, що приводить до збільшення щільності і міцності виробу. І чим вищий тиск, тим вищий ступінь пластичної деформації.

При вібраційному пресуванні пуансон періодично відривається від порошку, що змінює умови контактного тертя між порошком, пуансоном і стінками прес-форм. Це приводить до зменшення тертя і до більш рівномірного розподіл} деформації і щільності у виробі. За інших рівних умов вказані явища зумовлюють зменшення тиску, що прикладається ззовні, порівняно зі статичним пресуванням.

Слід мати на увазі, що вібраційне ущільнення порошкової системи, що перебуває під певним статичним тиском, у більшості випадків протікає з меншою інтенсивністю, ніж при вільному ущільненні (рис. 144). І чим вищий тиск, що прикладається, і менша частота коливань, тим нижча щільність.

Залежність щільності виробів з мідного порошку фракції -016+01 від тиску, прикладеного ззовні, при амплітуді коливань 35 мкм і різній частоті (Гц)

Рисунок 144 – Залежність щільності виробів з мідного порошку фракції -016+01 від тиску, прикладеного ззовні, при амплітуді коливань 35 мкм і різній частоті (Гц)

Для підвищення щільності виробів у цьому випадку необхідно збільшувати частоту коливань до тих пір, поки потужність імпульсу не перевищуватиме зростаючі в результаті прикладеного ззовні тиску сили тертя. Проте з енергетичної точки зору такий процес не є оптимальним.

У цьому відношенні більш доцільне прикладання тиску на завершальному етапі ущільнення, коли процес вільного віброущільнення вичерпав свої можливості. При цьому найбільший ефект має місце прикладання відносно невеликого тиску (рис. 145).

Залежність щільності пресувань з мідного порошку фракції -016+01 від часу ущільнення за частоти 50 Гц, амплітуди 35 мкм і різного тиску (кН/м2)

Рисунок 145 – Залежність щільності пресувань з мідного порошку фракції -016+01 від часу ущільнення за частоти 50 Гц, амплітуди 35 мкм і різного тиску (кН/м2)

Ефективність прикладання тиску також збільшується зі зменшенням розміру частинок порошку і збільшенням ущільнюваних об'ємів. Останнє зумовлене тим, що зі зменшенням розміру частинок і збільшенням об'єму збільшуються сили контактного тертя між частинками. Останнє перешкоджає їх взаємному переміщенню і, тим самим, є причиною зростання кількості дефектів укладання, що утворюються в результаті структурної деформації при вільному віброущільненні. Прикладання тиску сприяє усуненню цих дефектів.

У цілому наявність зовнішнього навантаження при вібраційному ущільненні має позитивне значення. Оптимальні її значення перебувають у межах 0,5-15 МПа.

Час вібраційного ущільнення до отримання максимальної щільності виробів для даних умов формування, як правило, невеликий і становить 5-30 с. Причому найбільша швидкість ущільнення має місце в перші 3-5 с (рис. 146, 147).

Залежність щільності твердосплавної суміші (94% С + 6% Со) від часу ущільнення за різного тиску (МПа)

Рисунок 146 – Залежність щільності твердосплавної суміші (94% С + 6% Со) від часу ущільнення за різного тиску (МПа)

Час ущільнення залежить від параметрів вібраційного пресування і властивостей порошків, перш за все гранулометричного складу. Час ущільнення до максимальних значень щільності зменшується для порошків із частинками простої форми, і чим вища сферичність частинок, тим менший час ущільнення, що пов'язано зі зменшенням в цьому ж напрямку міжчастинкового тертя, що утруднює відносне переміщення частинок при їх структурній деформації. Триваліше ущільнення порошків з частинками, що мають шорстку поверхню (наприклад, одержаних гідрометалургійними методами), а також конгломератних порошків (одержаних відновленням) відбувається тому, що разом із високими значеннями міжчастинкового тертя порошки також мають можливість ущільнюватися з часом за рахунок руйнування виступів на поверхні частинок і конгломератів (рис. 147, і). Проте триваліше ущільнення разом із незначним збільшенням щільності призводить до збільшення внутрішніх напруг у виробі. Тиск при вібраційному пресуванні одних і тих же порошків практично не впливає на час ущільнення. Спостерігаються тільки інтенсивніше зростання щільності в початковий період ущільнення і, як наслідок, вищі значення кінцевої щільності (рис. 147, 2).

Залежність щільності від часу ущільнення залізного порошку за різних умов

Рисунок 147 – Залежність щільності від часу ущільнення залізного порошку за різних умов

У той же час процес ущільнення відбувається тим інтенсивніше, чим вищі частота й амплітуда вібрації. При цьому спостерігаються оптимальні їх значення. Коли частота й амплітуда менші оптимальних, то ущільнення відбувається швидко, але максимальні значення щільності можуть знижуватися за рахунок розпушування порошкової системи.

Як наголошувалося, важливе значення для отримання максимально щільних виробів при вібраційному формуванні має гранулометричний склад вихідних порошків. Найвищі значення щільності досягаються при ущільненні порошків, що містять дві і більше фракції. При цьому важливим є співвідношення розмірів частинок окремих фракцій, яке повинне бути таким, щоб дрібніша фракція повністю просівалася через паралелограмну пору, утворену частинками крупної фракції. Повне просівання забезпечується при виконанні такої умови:

(9.4)

де- максимальний розмір частинок дрібної фракції;

- мінімальний розмір частинок крупної фракції.

Співвідношеннявпливає на щільність деталі, що фо

рмується (рис. 148). При збільшенні цього співвідношення щільність збільшується. Кожному конкретному випадку ущільнення властиві оптимальні режими, що забезпечують найбільшу швидкість просіювання і, тим самим, найбільшу щільність. Наприклад, для мідних сферичних порошків, що відповідають вказаній умові, максимальна швидкість просіювання спостерігається при частоті 50 Гц і амплітуді 10-20 мкм, а максимальна щільність – при частоті 50 Гц і амплітуді 5 мкм. З погляду отримання заданої щільності застосування амплітуд, більших за оптимальні, при відповідній частоті коливань приводить до руйнування правильного укладання шарів крупнішої фракції.

Останнє призводить до порушення процесу рівномірного просівання дрібної фракції і зменшує щільність виробу в цілому. Для отримання заданої щільності виробів при формуванні їх з порошків, що складаються з декількох фракцій, важливим є кількісне співвідношення цих фракцій. За В.В. Іващенком щільність двокомпонентної системи може бути визначена так:

(9.5)

Для досягнення такої щільності необхідно, щоб кількість дрібнішої фракції відносно крупнішої становила

(9.6)

Залежність максимальної щільності двокомпонентної системи від співвідношення розмірів частинок компонентів

Рисунок 148 – Залежність максимальної щільності двокомпонентної системи від співвідношення розмірів частинок компонентів

де- щільність заповнення форми порошком матеріалу з частинками найбільшого розміру (у першому наближенні ця величина дорівнює щільності утруски);

Θ – відносна щільність заповнення форми порошком із найбільшим розміром частинок. Для сферичних частинок і відносно великих ущільнюваних об'ємах ця величина змінюється в межах 0,62-0,68;

- коефіцієнт відносного заповнення, змінюється в межах і дорівнює;

- відносна щільність заповнення об'єму дрібнішою фракцією.

Для випадку, коли ущільнюваний порошок складається з () фракцій, щільність і кількісне співвідношення фракцій можуть бути визначені з виразів:

(9.7)

(9.8)

Коефіцієнт з достатньою для практики точністю може бути визначений з виразу

(9.9)

при

Як наголошувалося, неправильна форма частинок значно підвищує внутрішнє тертя в порошку, що утруднює процес їх вібраційного ущільнення і, тим самим, отримання виробів з високою щільністю. В цьому випадку для отримання вищої щільності можливе введення в ущільнюваний порошок мастил. При цьому для запобігання зменшенню міцності виробів кількість мастил, що вводяться, не повинна перевищувати оптимальних значень, які залежать від виду мастила, що вводиться. Так, для інертних мастил (вода,1-2%-й розчин полівінілового спирту у воді, вазелінове мастило, гліцерин) оптимальні їх кількості лежать у межах 0,5-1,5 об. % при розмірі частинок 1-5 мкм. Кількість поверхнево-активних мастил залежить від питомої поверхні порошків. їх вводять у вихідний порошок із розрахунку утворення на поверхні його частинок мономолекулярних прошарків.

Слід враховувати, що поверхнево-активні мастила полегшують руйнування місць контакту між частинками, що також зменшує міцність пресовок. У зв'язку з цим при введенні поверхнево-активних мастил необхідно зменшувати час ущільнення і динамічні зусилля, що розвиваються при вібраційному ущільненні.

У випадках, коли для виготовлення виробів використовують частинки сферичної форми з гладкою поверхнею, важко досягти міцності виробів, достатньої для подальшої маніпуляції з ними. У цих випадках для досягнення необхідної міцності до складу порошку вводять зв'язки. Такими зв'язками можуть бути розчин полівінілового спирту у воді, парафін, розчин каучуку в бензині тощо. У зв'язку з тим, що ці речовини одночасно є пластифікуючими, їх кількість також повинна бути обмежена тими ж межами, що і для мастил. Введення зв'язок призводить до збільшення в'язкості ущільнюваної системи, що утрудняє процес її ущільнення. Тому в тих випадках, коли необхідно вводити відносно велику кількість зв'язки, зменшують в'язкість останньої. Для цього до її складу вводять поверхнево-активні речовини у співвідношенні 1:10. Так, для зменшення в'язкості парафіну і розчинів каучуку в бензині в них вводять олеїнову кислоту, а в розчин полівінілового спирту у воді – олеат натрію.

Для здійснення процесу вібраційного формування можна використовувати установки з вібраторами різного типу: пневматичними, гідравлічними, електромагнітними, магнітострикційними, електромеханічними. Найприйнятнішими для виробничих умов є установки з електромеханічними вібраторами з динамічним збудженням коливань. Такі установки дають значні збурюючі сили при відносній простоті конструкцій.

Прес-форми (форми) для пресування можуть бути металевими і керамічними, графітними. Останні застосовуються в тих випадках, коли унаслідок низької міцності виробів (високопористі) вони спікаються разом із формою.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси