Full Text

Литьем по выплавляемым моделям получают отливки различной конфигурации, в том числе с поверхностями, не требующими механической обработки [1, 2]. Технологическая последовательность получения литых заготовок включает несколько этапов: формирование выплавляемых моделей отливок запрессовкой модельной массы в жидком или пастообразном состоянии в пресс-форму; сборка извлеченных после застывания моделей на модельном блоке; последовательное нанесение на модельный блок огнеупорных слоев и их сушка; выплавление модельной массы из оболочковой формы в горячем теплоносителе; помещение форм в опорный наполнитель, их прокалка и заливка расплавом металла. Возникающий на этапе изготовления выплавляемой модели брак, связанный с появлением усадочных дефектов и неровностей поверхности, оказывает негативное влияние на качество литых изделий. Формирование пористых выплавляемых моделей «холодным» прессованием дисперсного модельного материала решает проблему усадки материала, а размерные параметры такой выплавляемой модели регламентированы пресс-формой[2] [3]. Пористые выплавляемые модели обладают достаточными прочностными характеристиками и не оказывают расширяющего воздействия на керамическую форму при выплавлении из нее модельной массы [4-6]. В качестве модельного материала используют, как правило, полимерные воскообразные композиции на основе парафина и стеарина [1]. Для таких выплавляемых моделей характерна рассредоточенная по всему объему пористость. Процесс порообразования в модели саморегулирующийся, поэтому плотность различных участков составляет 80-97 % от плотности составляющих ее полимерных компонентов в «литом» состоянии. Плотность прессовки зависит от прилагаемого давления. Пластические свойства порошков модельного материала [7] существенно влияют на их способность воспроизводить конфигурацию модели и на размерно-геометрические характеристики последней. При получении пористой модели сложной конфигурации прессованием возникает неравномерное распределение свойств в объеме прессовки, что делает прогноз плотности на различных участках модели затруднительным. Так, например, плотность массивных участков прессовок значительно ниже, чем тонких частей [8]. Важным при получении прессовки является отсутствие внешнего проявления размерно-геометрических дефектов, связанных с упругим последействием материала модели, возникающим вследствие его переуплотнения [9]. Для получения прессовок с сопоставимыми размерами сторон достаточно уплотнить модельный материал до плотности на 10-12 % меньшей, чем плотность этого материала в «литом» состоянии [10]. Экспериментально установлено, что при формировании прессовки из дисперсного полимерного материала наибольшая плотность достигается в зонах, расположенных непосредственно под пресс-пуансоном, согласно схеме на рис. 1. Получение прессовки с прогнозируемым распределением плотности и напряжений в ее объеме позволило бы повысить точность определения величины упругого отклика на каждом участке прессовки [11]. Рис. 1. Схема одноосного прессования с распределением плотности материала в прессовке после уплотнения: 1 - жесткая пресс-матрица; 2 - нижняя крышка; 3 - пресс-пуансон Для прогнозирования механических свойств выплавляемых моделей сложной конфигурации в процессе их прессования необходимо выбрать математическую модель уплотнения порошкового материала, которая бы описывала зависимость уплотнения от приложенного давления [12, 13]. В качестве такого закона было использовано безразмерное логарифмическое уравнение, содержащее две константы материала, одна из которых тождественно равна единице. Целью работы является определение параметров логарифмического уравнения прессования для описания процесса одноосного уплотнения порошкового тела из полимерного материала. В рамках поставленной цели решались следующие задачи: - определение максимально достижимой плотности материала прессовки в условиях одноосного вертикального нагружения в жесткой матрице; - определение константы выбранного уравнения прессования порошкового полимерного материала; - получение кривой аппроксимации, построенной по результатам эксперимента. В качестве полимерного компонента модельной массы в работе использовали парафин марки Т1 [12]. Плотность очищенного парафина при 15 °C варьируется в пределах 0,881-0,905 г/см3 [14]. С целью определения его плотности в «литом» состоянии свободной заливкой расплава парафина при температуре выше 60 °C в цилиндрическую емкость диаметром 72,6 мм и высотой 270 мм получили цилиндр с усадочной раковиной. После отсечения части цилиндра с усадкой получили конечную высоту образца - 170 мм. «Литая» плотность используемого парафина составила 0,860 г/см3. Экспериментальное исследование поведения модельного материала при прессовании выполнялось в жесткой цилиндрической пресс-матрице, выполненной из стали Ст45 (см. рис. 1). Ее внутренний диаметр составляет 50,15 мм, толщина стенки 4 мм. Нагрузка прикладывалась при помощи универсальной испытательной машины Shimadzu AG-Xplus. Температура воздуха в помещении составляла 21 °C. С целью визуализации распределения полимерного материала в ходе прессования его слои последовательно засыпались в пресс-форму, разделяемые слоями графитового порошка, размер фракции которого составлял 10 % от фракции полимерного материала. На рис. 2 представлены сечения прессовок в диаметральной плоскости, полученные при одноосном уплотнении порошкового тела со скоростью 1 мм/с (рис. 2, a) и при квазистатическом уплотнении (рис. 2, б). a б Рис. 2. Сечения прессовок в диаметральной плоскости, полученные при одноосном прессовании порошкового тела при скорости прессования 1 мм/с (a) и в квазистатическом режиме (б) Видно, что при квазистатическом режиме уплотнения достигается более равномерное уплотнение слоев материала. Дальнейшие эксперименты проводились в квазистатическом режиме. Прессовка из однородного полимерного материала выдерживалась при заданном давлении в течение нескольких часов, до полного перераспределения напряжений внутри пористого тела и прекращения движения пресс-пуансона. Затем прессовка вынималась из пресс-формы и измерялась ее плотность. Для описания процесса уплотнения полимерной композиции будем использовать безразмерное двухпараметрическое уравнение прессования [15]. Уравнение зависимости относительной плотности прессовки от давления прессования имеет вид (1) где r - текущая плотность прессовки, отнесенная к теоретической (максимально достижимой) плотности материала, т.е. плотность в долях единицы, Р - относительное (безразмерное) давление прессования, - текущее размерное значение давления; - критическое давление прессования, при котором достигается теоретическая плотность. Константа а равна относительной плотности прессовки при Р = 1, следовательно, а = 1. Константа b характеризует способность пористого материала уплотняться под действием приложенного давления прессования. Для изучаемой полимерной композиции она определялась в результате серии экспериментов. В ходе экспериментальных исследований установлено, что теоретическая плотность парафина марки Т1 составляет 0,912 г/см3, соответствующее критическое давление 5 МПа. При значениях давления прессования больших, чем 5 МПа, плотность более не увеличивалась, деформирование происходило в упругой стадии. Логарифмическое уравнение аппроксимации строилось таким образом, чтобы получить меньшую погрешность в диапазоне технологически обоснованных давлений прессования, которые обеспечивают плотность прессовки, близкую к плотности в «литом» состоянии. Она составляет 0,860 г/см3, или 0,943 в относительных величинах (т.е. пористость в «литом» состоянии составляет 5,7 %). Для этого давление прессования варьировалось в диапазоне от 0,1 до 0,6 МПа. В результате указанных нагрузок относительная плотность изменялась от 0,70 до 0,98 соответственно, или 74,2 и 104 % от «литой» плотности. Константа b безразмерного логарифмического уравнения оказалась равной 0,0218. Тогда уравнение прессования исследуемого материала принимает вид (2) На рис. 3 показана кривая аппроксимации (2). Для достижения технологически приемлемой плотности прессовки, состоящей из однородного полимерного материала, достаточным является относительное давление 0,01-0,04. Рис. 3. Аппроксимация кривой уплотнения полимерной композиции С целью предсказания механических свойств выплавляемых моделей, получаемых прессованием дисперсного полимерного материала, выведено логарифмическое уравнение уплотнения. Для определения коэффициентов уравнения проводились экспериментальные исследования по одноосному вертикальному уплотнению парафина марки Т1 в жесткой цилиндрической пресс-форме. Определены плотность и пористость исследуемого модельного материала в «литом» состоянии. Экспериментально установлены значения теоретической (максимально достижимой) плотности и критического давления, при котором она достигается. Анализ проведенных экспериментов и полученной аппроксимации кривой уплотнения позволяет определить диапазон давлений прессования, которые обеспечивают технологически приемлемую пористость получаемой прессовки. Полученные параметры уравнения прессования дают возможность определить коэффициент бокового давления, коэффициент пристенного трения, коэффициент межчастичного трения, модуль упругости и коэффициент Пуассона. Указанные коэффициенты, в свою очередь, позволят получить точное прогнозное значение упругого отклика материала прессовки как вдоль оси прессования, так и в поперечном направлении. Последнее решит ряд проблем, связанных с проектированием пресс-форм, применяемых для изготовления выплавляемых моделей прессованием.

About the authors

S. G Zhilin

Institute of Machinery and Metallurgy, Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: zhilin@imim.ru

O. N Komarov

Institute of Machinery and Metallurgy, Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: legnikolaevitsch@rambler.ru

D. A Potianikhin

Institute of Machinery and Metallurgy, Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: potyanikhin@mail.ru

A. A Sosnin

Institute of Machinery and Metallurgy, Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: sosnin@imim.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.