Деформування пристроїв для пресування порошків при дії електромагнітного поля
Аналіз деформування складених конструкцій для пресування порошкових матеріалів. Оцінка сумісного використання традиційного псевдоізостатичного пресування та електромагнітного пресування. Розрахунки розподілу інтенсивності магнітного поля та напружень.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 02.03.2021 |
| Размер файла | 225,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Деформування пристроїв для пресування порошків при дії електромагнітного поля
Лавінський Денис Володимирович, кандидат технічних наук, доцент, доцент кафедри «Теоретична механіка» Національний Технічний Університет «Харківський політехнічний інститут»
Морачковський Олег Костянтинович доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри «Теоретична механіка» Національний Технічний Університет «Харківський політехнічний інститут»
Summary
деформування псевдоізостатичний пресування електромагнітний
Lavinsky D.V., candidate of technical sciences, docent, docent of the department «Theoretical Mechanics» National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute»
Morachkovsky O.K. doctor of technical sciences, professor, head of the department «Theoretical Mechanics», National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute»
DEFORMATION OF DEVICES FOR PRESSURE OF POWDERS IN THE ACTION OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD
The problem statement of the compound structures deformation for powder compaction is given in this article. The capability of the joint use of traditional pseudoisostatic compaction and electromagnetic compaction is considered. The finite element method is used as numerical method of solution. It is given the numerical results, which show the distribution of equivalent stresses . The influence of external electromagnetic field on stress-strain state of press-molding elements is studied under the number of numerical investigations.
Key words: compound structures, powder compaction, electromagnetic field, stress-strain state, finite element method.
Анотація
В роботі наведено постановку задачі аналізу деформування складених конструкцій, які використовуються для пресування порошкових матеріалів. Розглянуто можливість сумісного використання традиційного псевдоізостатичного пресування та електромагнітного пресування. В якості чисельного метода розв'язання використовується метод скінчених елементів. Наведено результати розрахунків, що ілюструють розподіл інтенсивності магнітного поля та інтенсивності напружень. Проведено серію розрахунків, у яких вивчено вплив зовнішнього електромагнітного поля на напружено - деформований стан елементів прес-форми.
Ключові слова: складені конструкції, пресування порошкових матеріалів, електромагнітне поле, напружено-деформований стан, метод скінчених елементів.
Постановка проблеми
Велика кількість технологічних процесів пресування (ущільнення) ПМ стосується обробки високоактивних відходів із метою їх подальшої утилізації. Один з напрямків, передбачає пресування нових виробів з порошків тугоплавких сполук типу карбіду вольфраму, кобальту, нікелю. Ефективним процес пресування може бути тільки при підвищених температурах. Так при температурі оброблюваного порошку ~ 1800 °С і питомих тисках 30-40 МПа пресування може проводиться в матрицях з тугоплавких матеріалів. При рівнях тиску 40-100 МПа можна використовувати для матриці вуглець-вуглецевий композиційний матеріал - ВВКМ, який має високі механічні властивості при підвищених температурах [2,3].
У роботах [4,5] наведено розрахункову схему прес-форми та надано постановку задачі аналізу напружено-деформованого стану (НДС) складеної прес-форми з ВВКМ, наведені результати розрахунків. Згідно цих результатів можна стверджувати, що основні елементи прес-форм для обробки порошків високоміцних тугоплавких матеріалів (пуансони і матриця) є високонавантаженими конструкційними елементами, причому рівні напружень в них близькі до небезпечних, особливо це стосується матриці.
Основним джерелом навантаження вкладиша і матриці є радіальний тиск пресування, якщо в процесі пресування створити тиск, який діє на заготовку в протилежному напрямку (що забезпечує радіальне стиснення заготовки), то тоді знизиться навантаженість вкладиша і матриці. Створити такий стискаючий радіальний тиск можна, якщо використовувати енергію наведеного електромагнітного поля (ЕМП), що розвивається зовнішнім індуктором. В даному випадку це можна реалізувати, якщо розмістити з боку зовнішньої поверхні матриці циліндричний спіральний багатовитковий індуктор. Застосування подібних індукторів широко поширене як в традиційних технологіях МІОМ, коли оброблювана заготовка розташована всередині індуктора (тут вплив класифікується за схемою «обтискання» [6]), так і при магнітно-імпульсному пресуванні порошкових матеріалів [1,7,8], коли електромагнітні сили діють безпосередньо на оброблюваний порошок.
Розглянемо розрахункову схему прес-форми із зовнішнім індуктором, яка може мати вигляд, наведений на рис. 1. В даному випадку електромагнітні сили, що розвиваються індуктором, будуть спрямовані до осі Оz вздовж радіуса.
Зовнішній спіральний багатовитковий індуктор з ізоляцією на основі азбесту, струмопровід - з міді. Товщина ізоляції індуктора - Н = 8 мм, переріз струмопроводу - прямокутник 3 на 4 мм. Кількість витків струмопроводу варіюється. Прес-форма має такі розміри: d1 = 340 мм, d3 = 340 мм, L = 340 мм. Вироби можуть мати різну висоту (І), яка задається відносно висоти прес-форми (L).
Навантаженість вкладиша і матриці залежить від співвідношення їх товстостінностей, які можна визначити відношенням зовнішнього діаметра вкладиша (d1) до зовнішнього діаметра матриці dз) при фіксованому діаметрі пресованого виробу (dі). Результати розрахунків за ізостатичного пресування [4,5] свідчать, що найбільш навантаженими елементи прес-форми є у випадку: l/L = 0,550 та d1|d3 = 0,850, тому подальші розрахунки проводились саме при цих співвідношеннях.
У таблицях 1 і 2 приведені фізико-механічні характеристики матеріалу елементів прес-форми і характеристики матеріалів ізоляції та індуктора, які використовувалися в розрахунках. струмопроводу індуктора, а також електрофізичні характеристики матеріалу елементів прес-форми і індуктора, які використовувалися в розрахунках
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 1 - Розрахункова схема пристрою з індуктором для пресування порожнистих виробів з порошків: 1 - вкладиш; 2 - матриця; 3,7 - пуансони; 4 - брикет з порошку; 5 - ізоляція індуктора; 6 - струмопровід індуктора
Таблиця 1
ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРІАЛУ ЕЛЕМЕНТІВ ПРЕС-ФОРМИ
|
Пуансони (ВВКМ) |
Матриця (ВВКМ) |
Вкладиш (графіт АРВ-1) |
Ізоляція (азбест) |
Струмопровід (мідь) |
||
|
E, ГПа |
18 |
18 |
10,5 |
200 |
180 |
|
|
V |
0,19 |
0,19 |
0,2 |
0,2 |
0,33 |
|
|
от, МПа |
- |
- |
- |
- |
200 |
|
|
об, МПа |
- |
- |
- |
700 |
- |
|
|
(о+)в, МПа |
100 |
100 |
15 |
- |
- |
|
|
(о-)б, МПа |
110 |
110 |
51,5 |
- |
- |
|
|
ах, 1/°Є |
3,5-10-6 |
3,5-10-6 |
6-10-6 |
2,5-Ш-6 |
3,5-Ш-6 |
|
|
р, кг/м3 |
1500 |
1500 |
1600 |
2400 |
1500 |
|
|
X, Вт/(м-К) |
130 |
130 |
120 |
0,05 |
130 |
|
|
с, Дж/(кг-К) |
1700 |
1700 |
1700 |
1050 |
1700 |
Таблиця 2
ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРІАЛУ ЕЛЕМЕНТІВ ПРЕС-ФОРМИ І ІНДУКТОРА
|
Матриця, пуансони (ВВКМ) |
Вкладиш, центральний стрижень (графіт АРВ-1) |
Заготовка (карбід вольфраму) |
Ізоляція (азбест) |
Струмопровід (мідь) |
||
|
у, 1/(Ом-см) |
0,372-107 |
0,372-107 |
0,522-107 |
0 |
7-107 |
|
|
Уе |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
На першому етапі вирішувалося завдання аналізу розподілу векторних компонент ЕМП. Тут прес-форма розглядалася спільно з навколишнім середовищем, на межах Гі, Г2 і Гз задавалися нульові значення окружної компоненти векторного магнітного потенціалу, що моделює загасання ЕМП на віддаленні від джерела поля. В якості джерела поля приймався струм, рівномірно розподілений по перетину витка струмопроводу, в часі густина струму приймалася за законом:
де амплітуда сили струму Іт = 30 кА, частота / = 2 кГц, відносний коефіцієнт загасання 5 = 0,3. При розв'язанні задач теплопровідності та деформування оточуюче середовище виключалось із розгляду.
Повна постановка задачі пружно-пластичного деформування контактно-взаємодіючих систем тіл при дії ЕМП та метод розв'язання, що спирається на метод скінчених елементів (МСЕ), наведені у роботах [9-11] у роботах [10,11] наведено варіаційну постановку задачі, а також підхід до визначення електромагнітних сил, який базується на принципі віртуальної роботи. Моделювання контактної взаємодії проводилось відповідно до рекомендацій, представлених у [12].
Взагалі, процес аналізу подібних розрахункових схем потребує послідовного розв'язання трьох задач: задачі з визначення просторово-часового розподілу основних характеристик ЕМП, задачі нестаціонарної теплопровідності, а також задачі пружного (пружно-пластичного деформування). Вплив ЕМП на етапі розв'язання другої та третьої задачі враховується введенням розподілених джерел тепловиділення та розподілених електромагнітних сил. Таким чином, розв'язання потребує пошуку стаціонарних значень наступних функціоналів:
Де j - ненульова (окружна) компонента векторного магнітного потенціалу;
m - магнітна проникність матеріалу;
f-електропровідність матеріалу;
-коефіцієнт теплопередачі;
Q-питома потужність внутрішніх джерел тепловиділення:
-окружна компонента густини вихрового струму;
-коефіцієнтРазмещено на http://www.allbest.ru/
конвекційного теплообміну;
T?-температура зовнішнього середовища;
- ненульові компоненти тензорів напружень та переміщень.
Наведені функціонали одержані із загальних виразів з [10,11] з урахуванням осьової симетрії, яка стосується і геометрії конструкційних елементів, і умов навантаження та закріплення.
Поведінка матеріалів складових частин прес-форми та ізоляції індуктора приймається в рамках пружної моделі, матеріал струмопроводу розглядаємо в рамках пружно-пластичної моделі
Задача деформування розв'язувалась у квазістаціонарному наближенні, тому що в даному випадку впливом нестаціонарності ЕМП можна знехтувати.
Дане твердження, ґрунтується на особливостях геометрії конструктивних елементів прес-форми, заготовки та індуктора - всі вони є досить масивними, а отже мало схильними до можливості виникнення коливальних процесів.
Аналіз одержаних результатів
На рис. 2 наведено просторовий розподіл еквівалентних напружень аМо згідно до критерію Кулона-Мора. Якісно картина навантаженості елементів прес-форми є майже ідентичною випадку, коли пресування відбувається без додаткового індуктора. Проте кількісний аналіз свідчить, що матриця стає навантаженою у значно меншому ступені. Рівні еквівалентних напружень сМо в матриці знижуються в порівнянні з ізостатичним пресуванням приблизно у 1,84 рази у центральній зоні та приблизно у 1,2 разу в околі верхнього торцю.
Слід відзначити, що найбільші значення еквівалентних напружень стМо спостерігаються у витках індуктора, де вони досягають приблизно 120 МПа. Мідь є матеріалом, яка однаково деформується при розтягу та при стиску, отже розглянуті еквівалентні напруження, фактично є значенням максимального дотичного напруження, яке також може використовуватись для оцінок початку текучості. При розглянутих конструкційних та експлуатаційних параметрах струмопровід деформується пружно. Максимальні значення еквівалентних напружень в ізоляції індуктора незначні (у порівнянні з межею міцності азбесту) - вони не перевищують 42 МПа.
Як відомо, зі збільшенням амплітуди сили струму відбувається збільшення значень електромагнітних сил, що в технологічних системах, подібних розглянутій призведе до зниження рівнів напружень в елементах прес-форм. Для складання кількісних оцінок була проведена серія розрахунків, в яких варіювалося значення амплітуди сила струму, що діє в індукторі.
Рисунок 3 - Розподіл еквівалентних напружень згідно до критерію Кулона-Мора
Виявилося, що при підвищенні амплітуди відбувається значне зниження максимальних значень інтенсивності напружень в матриці. Так, при збільшенні сили струму з 30 до 40 кА, максимальна інтенсивність напружень в матриці знижується приблизно на 10%, така ж тенденція зберігається і при подальшому збільшенні сили струму.аМо, Па
Рисунок 4 - Порівняння інтенсивності напружень, розподілених уздовж внутрішньої поверхні матриці; 1 - ізостатичне пресування, 2 - сумісне пресування
Однак, збільшення сили струму призводить також до збільшення електромагнітних сил, що діють на струмопровід індуктора: при збільшенні амплітуди сили струму з 30 до 40 кА максимальна інтенсивність напружень зростає приблизно на 30%. При перевищенні силою струму величини 50 кА інтенсивність напружень перевищує межу текучості міді і в матеріалі струмопроводу з'являються зони пластичних деформацій. Тому для індуктора з розглянутими геометричними розмірами струмопроводу використання сили струму більше, ніж 50 кА не бажано.
Висновки
деформування псевдоізостатичний пресування електромагнітний
В роботі запропоновано використання сумісного ізостатичного та електромагнітного пресування порошків тугоплавких сполук у матрицях, виконаних з вуглець-вуглецевих композитних матеріалів. Із використанням методу скінчених елементів визначені просторово-часові розподіли основних компонентів електромагнітного поля. Вплив електромагнітного поля на процес деформування враховано шляхом введення розподілених електромагнітних сил. У квазістаціонарному наближенні проведено аналіз деформування основних елементів прес-форми.
В цілому, для розглянутої технологічної операції, слід відзначити позитивний ефект в результаті застосування способу електромагнітної обробки матеріалів спільно із ізостатичним пресуванням. Спостерігається зниження навантаженості основного елемента прес-форми - матриці. Для визначення раціональних експлуатаційних параметрів проведено серію розрахунків, у яких вивчалась залежність інтенсивності напружень від величини амплітуди сили струму.
Список літератури
1. Mamalis A. G., Manolakos D.E., Kladas A.G., Koumoutsos A.K. Electro-magnetic tooling for metal forming and powder compaction: numerical simulation. High Speed Forming: Proceedings of the 1 st International Conference. 2004. Р. 143-154.
2. Бушуев Ю.Г., Персин М.И., Соколов В.А. Углерод-углеродные композиционные материалы. М.: Металлургия, 1994. 128с.
3. Нагорный В.Г., Котосонов А.С., Островский
B. С. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: Справочник. М.: Металлургия, 1975. 335 с.
4. Бирюков О.В., Колосенко В.В., Саенко Ю., Лавинский Д.В., Морачковский О.К., Соболь, Н. Статический анализ прочности конструктивных элементов пресс-форм для прессования изделий из порошков. Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». 2006. №32.28-32.
5. Ашихмин В.П., Бирюков О.В., Гурин В.А., Затолока Б.Б., Колосенко В.В., Саенко С.Ю., Лавинский Д.В., Морачковский О.К. Анализ прочности элементов пресс-форм из углерод- углеродных материалов для псевдоизостатического прессования. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2007. № 6 (91). С. 120-123.
6. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. Харьков: Вища школа, 1977. 189 с.
7. Миронов В.А. Прогрессивные способы производства деталей машин и приборов из порошковых материалов. Рига: Зинатне, 1974. 87 с.
8. Миронов В.А. Магнитно-импульсное прессование порошков. Рига: Зинатне, 1980. 196 с.
9. Лавінський Д.В., Морачковський О.К. Пружно-пластичне деформування систем тіл при дії електромагнітних полів. Вісник Запорізького національного університету: Фізико-математичні науки. 2015. № 2. С. 125-135.
10. Altenbach H., Morachkovsky O., Lavinsky D., Naumenko K. Inelastic deformation of conductive bodies in electromagnetic fields. Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2016. Vol. 28. No. 5. P. 1421-1433.
11. Lavinskii D.V., Morachkovskii O.K. Elastoplastic Deformation of Bodies Interacting Through Contact Under the Action of Pulsed
12. Electromagnetic Field. Strength of materials. 2016. - Vol. 48. No. 6. P. 760-767.
13. Lavinskii D.V., Bondar' S.V. Study of thermoelastoplastic contact deformation of production tooling mixed structures . Strength of materials. 2011. Vol. 43. No. 4. P. 447-454.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Технічні вимоги до фанери загального призначення. Аналіз використання деревинних та клейових напівфабрикатів. Параметри установки ступінчатого тиску. Діаграма пресування фанери. Розрахунок втрат сировини в процентах на етапах технологічного процесу.
дипломная работа [198,5 K], добавлен 13.05.2014Структура та опис цеху пресування. Аналіз та вибір асортименту продукції. Розрахунок продуктів запроектованого асортименту. Проектування технологічного процесу. Опис апаратурно-технологічної схеми попереднього вилучення олії з насіння соняшника.
курсовая работа [210,6 K], добавлен 02.12.2015Хімічний склад сировинних матеріалів для виготовлення високоглиноземістих вогнетривів. Способи підготовки маси і пресування виробів на основі андалузиту, кіаніту, силіманіту. Технологія виробництва високоглиноземістих вогнетривів, галузі їх використання.
реферат [387,4 K], добавлен 11.01.2015Основні принципи підвищення зносостійкості порошкових матеріалів на основі заліза. Вплив параметрів гарячого штампування на структуру і властивості отримуваних пористих заготовок. Технологія отримання композитів на основі системи карбід титану-сталь.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 27.10.2013Маршрутна технологія виготовлення штампів гарячого деформування. Технічний контроль і дефекти поковок. Вплив легуючих елементів на властивості інструментальних сталей. Термічна обробка та контроль якості штампів. Вимоги охорони праці та техніки безпеки.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.04.2014Опис технології виробництва сичужних сирів "Звенигородський", "Дуплет", "Едам", "Російський". Приймання молока, визначення ґатунку, охолодження, сепарування, пастеризація. Сквашування, формування сиру насипом, пресування. Пакування в полімерну плівку.
контрольная работа [38,6 K], добавлен 18.05.2010Аналіз технології деформування заготовок при виробництві залізничних коліс. Вплив параметрів кінцево-елементних моделей на точність розрахунків формозміни металу й сил при штампуванні заготовок залізничних коліс. Техніко-економічна ефективність роботи.
магистерская работа [6,1 M], добавлен 01.07.2013Характеристика методів діагностики різальних інструментів для токарної обробки алюмінієвих сплавів. Розробка системи визначення надійності різця з алмазних композиційних матеріалів при точінні. Розрахунки значень напружень і ймовірності руйнування різця.
реферат [38,6 K], добавлен 10.08.2010Исследование характеристик свариваемых материалов и технологических параметров сварки. Расчет температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью персонального компьютера. Построение изотерм температурного поля и кривых термического поля.
курсовая работа [245,4 K], добавлен 10.11.2013Аналіз конструкцій існуючих водовідділювачів, їх будова, принцип роботи, продуктивність. Розрахунки балок, колон та фундаментів. Технологічний процес монтажу обладнання на місці експлуатації та його ремонту. Особливості вибору конструкційних матеріалів.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 01.03.2016Методика та етапи розрахунку циліндричних зубчастих передач: вибір та обґрунтування матеріалів, визначення допустимих напружень, проектувальний розрахунок та його перевірка. Вибір матеріалів для виготовлення зубчастих коліс і розрахунок напружень.
контрольная работа [357,1 K], добавлен 27.03.2011Проектування технологічних процесів. Перевірка забезпечення точності розмірів по варіантах технологічного процесу. Використання стандартного різального, вимірювального інструменту і пристроїв. Розрахунки по визначенню похибки обробки операційних розмірів.
реферат [20,7 K], добавлен 20.07.2011Визначення силових характеристик в усіх діаметральних перерізах сферичної оболонки циліндричної обичайки апарата. Меридіональні і колові напруження оболонки. Побудова епюр напружень закритої оболонки. Зовнішня сила внутрішнього надлишкового тиску.
контрольная работа [137,2 K], добавлен 23.03.2011Аналіз існуючих систем токарного інструменту. Вибір методики досліджень статичної жорсткості конструкцій різців, визначення припустимих подач, опис пристроїв. Дослідження напружено-деформованого стану елементів різця з поворотною робочою частиною.
реферат [25,0 K], добавлен 10.08.2010Огляд лічильників та методів вимірювання витрати рідини. Закон електромагнітної індукції М. Фарадея. Метрологічні характеристики лічильника. Можливості застосування комп’ютерного моделювання при проектуванні вимірювального приладу електромагнітного типу.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 15.01.2015Дослідження та аналіз особливостей атомної спектроскопії поглинання та атомної емісійної спектроскопії. Основні поняття та терміни атомної спектроскопії. Поглинання електромагнітного випромінювання однорідними системами. Атомно-абсорбційні спектрометри.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 03.08.2014Наявність каркасу з елементами огорожі та піддоном - конструктивна особливість барабанних мийних машин. Методика розрахунку швидкості переміщення продуктів в барабані в осьовому напрямку. Величина контактних напружень на робочих поверхнях зубців.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 02.05.2019Опис вихідних даних для здійснення реконструкції насосної станції. Вибір обладнання для перекачування нафти. Огляд роботи обладнання по основних вузлах. Розрахунки потужності електродвигуна та напружень в трубах. Аналіз шкідливих та небезпечних факторів.
курсовая работа [98,3 K], добавлен 26.02.2015Математична модель перетворювача з локальним магнітним полем для трубопроводів великих діаметрів. Синтез електромагнітних витратомірів. Алгоритм і програма розрахунку магнітного поля розсіювання. Граничні умови в задачі Неймана для рівняння Лапласа.
автореферат [40,4 K], добавлен 02.07.2009Способи підготовки шахтного поля, його розкриття шахтного поля вертикальними стволами і квершлагами. Суцільна та стовпова система розробки зі спареними лавами в ярусі. Виймання вугілля комбайном. Кріплення гірничих виробок та керування гірським тиском.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 12.02.2012
