*99585*

Технические науки. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Савелов Д.В., д.т.н. Драгобецкий В.В.

Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, Украина

Определение энергоёмкости процесса вибрационного формования изделий из металлических порошков

Вибрационное формование – относительно новый вид уплотнения металлических порошков. При этом вибрационный метод формования является основным при изготовлении изделий из металлических порошков и представляет собой одну из наиболее ответственных операций [1]. В качестве оценки эффективности вибрационного формования порошковых смесей используются скорость , ускорение и интенсивность вибрации , где – амплитуда, – угловая частота колебаний. Однако эти показатели носят, в основном, эмпирический характер, связаны с проработкой узкого диапазона амплитудно-частотных характеристик, вида и форм колебаний, не определяют однозначно эффективность вибрационного процесса формования, не дают возможности определить нарастание плотности в порошковой смеси, требуемую продолжительность формования в зависимости от направления, вида и интенсивности вибрационного воздействия, физико-механических характеристик порошковой смеси энергоёмкость процесса формования.

Целью работы является определение энергоёмкости процесса вибрационного формования изделий на основе изучения упруго-вязко-пластического деформирования слоя порошковой смеси.

Согласно эмпирическому закону Герстнера зависимость относительной пластической деформации уплотняемого слоя порошковой смеси от прикладываемой нагрузки может быть аппроксимирована выражением [2]:

, (1)

где – величина относительной пластической деформации; – динамическая нагрузка; и – эмпирические коэффициенты, характеризующие упругопластические деформации (с учетом динамичности нагружения).

Аналогичной зависимостью может быть найдена максимальная относительная величина пластической деформации , при которой достигается полное уплотнение слоя порошковой смеси:

, (2)

где – значение динамической нагрузки, при которой достигается требуемая плотность формуемого изделия из металлического порошка.

Рассмотрим модель пластического деформирования слоя порошковой смеси при действии внешней динамической нагрузки , схема которой приведена на рис. 1. Здесь и – высота формуемого слоя соответственно в неуплотненном состоянии при насыпной плотности и в уплотненном состоянии при окончательном значении плотности ; – промежуточное значение высоты формуемого слоя при плотности .

Рисунок 1 – Расчетная схема пластического деформирования слоя порошковой смеси

Поскольку при деформировании слоя порошковой смеси его масса остается постоянной, то значения высот и можно представить в следующем виде:

; ; , (3)

где – площадь основания формуемого слоя порошковой смеси.

Исходя из расчетной схемы, представленной на рис. 1 и выражений (3) найдем величины пластических деформаций и в следующем виде:

; (4)

. (5)

Подставляя выражения (4) и (5) в зависимости (1) и (2), получим:

; (6)

. (7)

Разделим выражение (6) на (7) и, проведя преобразования, получим уравнение для определения плотности уплотняемого слоя порошковой смеси в зависимости от величины прикладываемой динамической нагрузки:

. (8)

Динамическую нагрузку, действующую в процессе вибрационного уплотнения слоя порошковой смеси, можно выразить через интенсивность динамической нагрузки и продолжительность ее воздействия [3]:

. (9)

На основании выражения (9) зависимость (8) преобразуется к виду:

. (10)

Значение показателя выбирается по данным [2] в зависимости от вида нагрузки и вида металлического порошка.

Таким образом, получена теоретическая зависимость, позволяющая описать закон нарастания плотности порошковой смеси при вибрационном воздействии на неё в зависимости от физико-механических характеристик самой смеси, вида, направления и продолжительности вибрационного воздействия, частоты и величины импульсных напряжений порошковой смеси.

Требуемую продолжительность вибрационного воздействия для достижений определенной плотности в зависимости от вида вибрационного воздействия можно определить из выражений (10):

. (11)

Интенсивность вибрационного воздействия нужно выбирать так, чтобы общая продолжительность вибрационного воздействия на порошковую смесь не превышала 16 – 30 секунд [4].

Основным энергетическим показателем гидравлического привода вибрационного пресса является полезная (эффективная) работа, расходуемая на статическое сжатие порошковой смеси за один рабочий ход, полезная (эффективная) мощность, развиваемая вибрационным прессом в процессе рабочего хода и коэффициент полезного действия.

Полезная работа определяется из зависимости [5]:

, (12)

где – статическое усилие прессования, развиваемое гидравлическим приводом вибрационного пресса.

Полезная мощность в процессе рабочего хода определится следующим образом [5]:

, (13)

где – скорость перемещения поперечины вибрационного пресса, значение которой зависит от времени вибрационного воздействия на порошковую смесь в пресс-форме; – полный коэффициент полезного действия гидроцилиндра.

Требуемая мощность насосной станции, используемой для реализации статического усилия прессования вибрационного пресса, определится из зависимости [6]:

, (14)

где – коэффициент запаса по усилию; – коэффициент запаса по скорости.

Коэффициент полезного действия определится по формуле [5]:

, (15)

где – мощность, потребляемая насосной установкой.

Одними из основных показателей работоспособности вибрационного оборудования пресса являются энергоемкость процесса вибрационного формования и коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия вибрационной машины определим как отношение энергии уплотнения, которая расходуется только на формирование уплотняемого слоя смеси, к энергии, которая потребляется вибрационной машиной за весь цикл уплотнения этого слоя, т.е.

, (16)

где – энергия вибрационного уплотнения определенного объема порошковой смеси; – энергия, потребляемая вибрационной машиной за весь цикл вибрационного формования.

Энергия вибрационного уплотнения определится из следующей зависимости [7]:

. (17)

Энергия, потребляемая вибрационным прессом за полный цикл уплотнения слоя порошковой смеси, будет складываться из работы, затрачиваемой на трение в подшипниках качения вибровозбудителя колебаний , работы, затрачиваемой на поддержание колебаний динамической системы вибрационного рабочего органа и энергии, расходуемой на внутреннее трение в порошковой смеси , т.е.

, (18)

где – коэффициент полезного действия привода вибровозбудителя колебаний.

; (19)

; (20)

где – амплитуда колебаний вибрирующего пуансона пресса; – амплитуда возмущающей силы вибровозбудителя колебаний; – коэффициент трения в подшипниках качения вибровозбудителя колебаний; – приведенная масса колеблющейся части динамической системы, т.е. вибрирующего пуансона совместно с приведенной массой уплотняемой порошковой смеси; – ускорение свободного падения; – продолжительность вибрационного воздействия.

В таблице 1 приведены значения затрачиваемых усилий , мощности требуемой насосной станции и энергии вибрационного уплотнения цилиндрического образца диаметром 0,04 м и высотой 0,05 м, включающего порошок железный 70,0; порошок медный 25,0; релит 5,0.

Таблица 1

Результаты расчета значений затрачиваемых усилий , мощности насосной станции энергии вибрационного уплотнения

Диаметр гидроцилиндра , м	Усилие на штоке поршня , Н	Усилие статического сдавливания , Н	Мощность насосной станции , кВт	Энергия вибрационного уплотнения , Дж (кгм)
0,125	75800	400000	2,464	24739,7

Выводы. В результате проведенных исследований процесса вибрационного формования изделий из металлических порошков на основе изучения упруго-вязко-пластического деформирования слоя порошковой смеси получены теоретические зависимости для определения нарастания плотности порошковой смеси и продолжительности вибрационного воздействия в зависимости от величины динамической нагрузки, позволяющие обосновать режимы вибрационного воздействия и основные параметры вибрационного оборудования, а также определить энергоёмкость технологического процесса вибрационного формования.

Литература:

1. Савелов Д.В., Драгобецкий В.В., Терещенко Д.С. Разработка вибрационного пресса для формования изделий из металлических порошков. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. – Харків: НТУ «ХПІ» - 2010. - № 43. С. 3-7.

2. Батуев Г.С. Инженерные методы исследования ударных процессов / Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков, А.К. Ефремов. – Москва: Машиностроение, 1977. – 240 с.

3. Савелов Д.В., Драгобецкий В.В. Теоретические основы вибрационного формования изделий из металлических порошков. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. – Харків: НТУ «ХПІ» - 2011. - № 45. С. 91-98.

4. Раковский В.С. Порошковая металлургия в машиностроении: справочник / В.С. Раковский, В.В. Саклинский. – Москва : Машиностроение, 1972. – 126 с.

5. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. Живов Л.И., Овчинников А.Г. – 2-е изд., перераб. и доп. – Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981. – 376 с.

6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т., т.2 – издание 5-е перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 559 с., ил.

7. Вибрационные машины и процессы в дорожном строительстве / А.Г. Маслов, В.М. Пономарь. – К.: Будівельник, 1985. – 128 с.