4.3. Теоретичні основи напівсухого пресування порошкоподібних мас Аналіз існуючих теорій пресування

Численні дослідження вітчизняних і закордонних вчених в області пресування порошкоподібних матеріалів свідчать про доцільність реалізації на практиці наступ­них технологічних прийомів, спрямованих на одержання високоміцних виробів з мі­німальною анизотропією властивостей по їхньому об’єму: забезпечення оптималь­ного гранулометричного складу компонентів шихти; вибір раціональної форми і роз­мірів пресуємого виробу для забезпечення рівномірного розподілу напружень по його об’єму; попереднє ущільнення суміші перед пресуванням і виключення запре­совування газоподібної фази в виріб, що пресується; двох- трьохступеневе пресу­вання (чи двостороннє пресування) шихти з метою забезпечення рівномірного роз­поділу щільності по об’єму пресовки; витримка спресованої шихти під тиском з метою релаксації напруг у спресованому виробі після зняття навантаження й інші механіко-технологічні заходи.

Фундаментальні дослідження в області пресування порошкоподібних мас про­ведені в порошковій металургії, у вогнетривкому, керамічному і силікатному ви­робництві, в хімічній, паливній та інших галузях промисловості [1...18]. При цьому найбільш важливими є теоретичні дослідження з встановлення необхідного зусилля пресування Р_ср, яке визначає енергосилові параметри пресового устаткування і якість одержуваної продукції. Відомі також дослідження, у яких за критерій якості прий­мають щільність спресованого виробу ().

У формулі А.Н. Николаєва [19] при визначенні середнього тиску пресування Р_ср була зроблена спроба врахувати геометричні розміри, форму і взаємне розташу­вання часток у процесі їхнього деформування за допомогою емпіричного коефіцієнта "с":

,

де с - емпіричний коефіцієнт, що враховує розміри, форму і взаємне розташування часток;  - границя текучості металевого порошку;  -відносна щільність спресова­ного виробу (відношення вихідної насыпної маси шихти _о до дійсної щільності матеріалу _д,  = _о /_д.

У рівнянні (4.1) при  = 0,5, р_ср= 0 що обмежує область його примінення.

З використанням чисельного методу досліджень М.Б. Генералов і інші вчені одержали рівняння для розрахунку тиску пресування минеральных порошків [13]:

,

де _о - нормальні напруження зсуву порошкоподібного матеріалу; М - маса порошку, що пресується; R - радіус прес-матриці; - час запізнення (ретардації) деформації; l_v - швидкість відносної об'ємної деформації ;  - швидкість руху пуансона, що пресує; m, n - емпіричні коефіцієнти; Р_о - початковий тиск пресування; f,  - від­повідно коефіцієнти внутрішнього і бічного тертя.

Рівняння (4.2) враховує сукупний вплив факторів і досить об'єктивно оцінює процес пресування порошкоподібних мінеральних часток з урахуванням основних положень теорії граничної рівноваги, по якій навіть мала зміна об'ємних і поверх­невих сил приводить до порушення рівноважного стану системи.

Досліджуючи контактну взаємодію часток металевого порошку, М.Ю. Бальшин встановив наступну залежність [20]:

,

де _к - контактний тиск між частками; Δ =  - ₀ - збільшення відносної щільності; ₀ = ₀/_д - відносна щільність часток при ₀ = 0; П_о = 1 - ₀ початкове значення відносної пористості.

При рішенні рівняння (4.3) покладалося, що число контактів, які приходяться на одну частку, пропорційно відносної щільності:

 = _i/_д,

де _і - насипна маса шихти; _д - дійсна щільність шихти при заданому тиску пресу­вання, У даному виразі покладалося, що

,

де А - приведена робота деформації; V - безрозмірна частка об’єму частинок, які деформуються при ущільненні.

Як показали дослідження И.С.Кайнарского, Р.Я.Попильского, Г.М.Ждановича, И.М.Федорченко, Р.А.Андриевського, D.Jones, W.Gegіelskі, К Kegel і інших вчених [1...20], при пресуванні поліфракційних порошкоподібних шихт спостерігається по­дрібнення зерен і утворення додаткової кількості тонких фракцій часток, для щіль­ного упакування яких необхідні додаткові витрати енергії.

Дослідження процесу гідростатичного пресування металевих порошків, прове­дені під керівництвом Г.А.Меерсон [21], підтверджують доцільність забезпечення максимальної щільності прессовки і виключення анізотропії її властивостей.

Була встановлена залежність відносної щільності від тиску пресування Р:

^m = P/P_max,

де P_max - тиск, необхідний для забезпечення 100% - і щільності брикету; m – по­стійний емпіричний коефіцієнт.

Або після підстановки відповідних значень і перетворень отримаємо

.

При вивченні процесу пресування мідних сферичних часток діаметром (0,8...1,2)х10^-3м при тиску Р = (100...700) МПа була підтверджена гипотетична схема деформації часток, відповідно до якої при рівномірному обтисненні шихти (гідро­статичному пресуванні) спостерігається менша деформація зерен при спрямованій силовій дії (звичайному пресуванні). В останньому випадку частка сплющується в напрямку руху пуансона, що пресує, і витягається в перпендикулярному напрямку.

Звідси випливає висновок про доцільність для процесу пресування створення умов, що забезпечують мінімальну анізотропію властивостей часток, що пресуються, тобто забезпечення умов з рівномірним розподілом напружень по об’єму часток.

Вивченням залежності щільності пресування (усадок шихти) від тиску пресу­вання займалися й інші дослідники: П.П.Баландін, А.С.Бережний, М.Я.Сапожніков, Н.Е.Дроздов і інші [22...26]. Відповідно до досліджень В.А.Полюх [23], залежність між усадкою маси і тиском пресування можна визначити за формулою

,

де h - усадка маси наприкінці пресування; Н - глибина засипання маси в прес-фор­му; n - безрозмірна величина, що характеризує властивості глиняної маси; Р_о – па­раметр, що характеризує відношення властивості маси до тиску; Р - тиск пресування.

Відповідно до досліджень інших вчених [27], встановлено:

,

де W - абсолютна вологість порошку, % ;  - коефіцієнт, що враховує вплив грану­лометричного складу, при W < 11,5%  = 1,1…1,3;  - коэффициент, що залежить від пластичності глиняного сирцю, при W < 10,5% для глин середньої і малої пластич­ності   1,0, для глин високої пластичності   1,04.

Однак отримані рівняння, як правило, носять емпіричний характер, або містять коефіцієнти, для визначення яких необхідні спеціальні дослідження.

Певну зацікавленість викликає емпіричне рівняння пресування, отримане Ю.Г.Дорофєєвим і Н.Т.Жердицкім [20];

,

де К - постійний коефіцієнт, одержаний емпіричним шляхом; А_max – максимальна приведена робота ущільнення, необхідна для досягнення щільності моноліту.

Рівняння (4.9) враховує деформаційний механізм ущільнення часток, однак його автори допускають відсутність тертя на контактних поверхностях часток, що не відповідає реальним умовам процесу пресування.

Найбільш фундаментальні дослідження в області пресування порошкоподібних матеріалів присвячені вивченню контактної взаємодії часток методами статичної ме­ханіки і проведені Г.М.Ждановичем [26]. Рівняння пресування з урахуванням витрат тиску на подолання сил зовнішнього тертя пресовок об стінки пресформи має вид

,

де К - постійна величина;  = 1/ - відносний об’єм брикету.

Значення постійної величини К визначається по формулі

,

де L_н, L_в - параметри внутрішньої і зовнішньої бічної поверхні пресовки, відповідно; h_к - приведена або критична висота прессовки при  = 1; S_н - площа поперечного пе­рерізу пресовки.

Рівняння (4.11) достатньо всебічно описує деформаційний механізм взаємодії пресуємих часток, однак не враховує міцності характеристики часток у процесі їх­нього руйнування.

Існують і інші теоретичні розробки, що у більшій чи меньшей мірі уточнюють процес пресування порошкоподібних мас.