Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и технология процессов прессования ЭНМ. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
Н. Б. Иванов, Т. П. Евсеева, В. Н. Александров
ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОЦЕССОВ ПРЕССОВАНИЯ ЭНМ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2015
1
УДК 662.2.036
Рецензенты:
начальник
отдела ФКП «ГосНИИХП»
,
ISBN 978
-5-
7882
-
1730
-
7 © Иванов Н.Б, Евсеева Т.П.,
© Казанский национальный
исследовательский
ББК 35.63
И 20
Иванов Н.Б.
Теория и технология процессов прессования ЭНМ : учебное пособие / Н.Б.
Иванов, Т.П. Евсеева, В.Н. Александров; М-во образ. и науки России, Казан.
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2015. – 128 с.
ISBN 978-5-7882-1730-7
Рассмотрены вопросы теории и практики формования изделий из
энергонасыщенных материалов методом прессования, физико-химические и
технологические свойства порошков ЭНМ, факторы, влияющие на процесс
прессования и плотность изделий, меры по устранению дефектов и
неравномерного распределения плотности по объему прессовок.
В приложении представлены компьютерные тестовые задания по
прессованию, которые могут использоваться обучающимися в качестве
тренажера для закрепления и самоконтроля своих знаний, а также для
формирования умений и навыков решения типовых задач в конкретных
ситуациях.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 240300
«Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий»
(специализация 240303.65 «Технология энергонасыщенных материалов и
изделий») и 150100 «Материаловедение и технологии материалов», а также для
слушателей курсов по переподготовке и повышению квалификации (программы
«Химическая технология получения и переработки ЭНМ и изделий», «Свойства,
области применения технологии переработки ЭНМ и изделий»).
Подготовлено на кафедре технологии твердых химических веществ.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского
национального исследовательского технологического университета
канд. техн. наук Н.Б. Камардин
зам. ген. директора по развитию ОАО
«Татхимпрепараты», канд. техн. наук А.Н. Анисимов
Александров В.Н., 2015
технологический университет, 2015
ВВЕДЕНИЕ
Прессование как способ получения разрывных зарядов до
настоящего времени остается одним из основных в производстве
боеприпасов различного назначения [1-3].
Появление новых видов боеприпасов, работающих в жестких
условиях эксплуатации, предъявляет повышенные требования к качеству
прессованных разрывных зарядов. Получение качественных зарядов
возможно лишь при формовании их по оптимальному режиму,
выбранному на основании детального анализа процессов, протекающих
при уплотнении энергонасыщенных материалов (ЭНМ).
Выбор и обоснование таких режимов осуществляется после
установления всех факторов, которые оказывают влияние на качество
прессованных изделий и учитывают изменения, происходящие с
твердой, газообразной и жидкой компонентами порошкового тела в
момент прессования и после него. Эти факторы условно можно
разделить на три группы: материальная, технологическая и
инструментальная.
К материальной относят однородность структуры и состава ЭНМ,
содержание добавки – флегматизатора, гранулометрический состав и
удельную поверхность его частиц, количество воздуха, захватываемого
частицами ЭНМ при засыпке в матрицу, влажность.
Технологическая группа включает величину давления
прессования, температуру ЭНМ при прессовании, время выдержки под
давлением, скорость перемещения пуансона и условия выталкивания
прессовки из матрицы.
Третья группа (инструментальная) объединяет факторы, связанные
с точностью изготовления пресс-инструмента, степенью сложности его
конструкции и предварительной подготовки его рабочих поверхностей.
Такой подход к процессу прессования дает возможность
углубленного познания технологии формования зарядов методами
механического уплотнения, что гарантирует изготовление зарядов с
требуемыми характеристиками. Игнорирование хотя бы одной из
перечисленных групп факторов приводит к неудачам при отработке
конкретных технологических процессов, появлению изделий, не
отвечающих требованиям, указанным в нормативно-технической
документации. Эти неудачи могут быть связаны с колебаниями свойств
3
порошков ЭНМ исходных партий, изготовленных на разных заводах, а
также с состоянием пресс-инструмента и прессового оборудования.
Кроме этого, при отработке технологии прессования необходима
теоретическая и экспериментальная оценка силового поля,
формирующего заряд, а также оценка влияния масштабного фактора и
формы зарядов на распределение плотности (пористости) в их объеме в
зависимости от технологических параметров. Это даст возможность
определить в условиях реального прессования технологические свойства
ЭНМ − значения коэффициентов бокового давления, внешнего трения, а
также прессуемость, что позволит получать прессованные заряды с
заранее заданными свойствами.
4
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПОРОШКОВ
В общем случае любой порошкообразный материал (ПМ)
представляет собой сложный конгломерат компактно расположенных
твердых дисперсных частиц, которые могут иметь различную природу,
размеры, форму и ориентацию в пространстве. Порошкообразный
материал характеризуется физическими, химическими и
технологическими свойствами [4].
К физическим свойствам порошков относятся: форма частиц и
гранулометрический состав порошка, удельная поверхность,
микротвердость и шероховатость их поверхности, теплоемкость,
теплопроводность, температура плавления, параметры кристаллической
решетки и поверхностная энергия кристаллов.
Химические свойства ПМ определяют: содержание основных
компонентов, примесей и загрязнений, а также газов в химически
связанном, адсорбированном или растворенном виде.
Под технологическими свойствами порошков понимают насыпную
плотность порошка при свободной насыпке, прессуемость (которая
определяется двумя характеристиками – уплотняемостью и
формуемостью), а также специфические показатели порошка: угол
естественного откоса, диаметр сводообразования, коэффициенты
внутреннего и внешнего трения, бокового давления и
газопроницаемости.
Перечисленные свойства порошков взаимосвязаны между собой и
зависят от метода их получения. Порошки одного и того же химического
состава, но с разными физическими характеристиками могут отличаться
по своим технологическим свойствам, что будет влиять на условия
прессования порошков и, в конечном итоге, на свойства готовых
изделий.
Следует отметить, что до настоящего времени отсутствуют методы
оценки качества порошков ЭНМ. Это затрудняет регулирование их
структурно – механических и технологических свойств. В результате
этого специфические особенности производственного процесса на
заводах, где изготавливаются ЭНМ и составы на их основе, приводят к
существенным различиям в свойствах, как исходных порошков ЭНМ, так
и изготовленных из них прессованных изделий.
5
В связи с этим, при разработке общих принципов подготовки ЭНМ
к прессованию, должны быть решены вопросы, связанные с технологией
получения исходного продукта такого качества, прессование которого
обеспечивало бы формование изделий с заданными свойствами.
1.1. Физические свойства порошков и их влияние
на процесс прессования
Диапазон размеров частиц порошков, используемых при
прессовании, довольно велик [4]. По дисперсности частиц порошки
подразделяются:
− на грубодисперсные (от 200 до 1000 мкм и более);
− среднедисперсные (от 10 до 200 мкм);
− тонкодисперсные (от 0,1 до 10 мкм)»
− ультрадисперсные или нанопорошки (от 1 до 100 нм).
Порошки с нанометровым размером частиц выделяют в отдельный
класс материалов из-за уникальности их строения и свойств.
Уникальность их структуры обусловлена тем, что при размере частиц
менее 10 нм высокая относительная доля атомов на их поверхности
приводит к большому влиянию поверхностных явлений на их
кристаллическую структуру, и поэтому она характеризуется несколько
меньшими межатомными расстояниями, более высокими плотностью и
нестабильностью упаковки атомов.
По форме и состоянию поверхности частицы уплотняемого
порошка могут быть:
− изометричные (приближающиеся к шарообразным);
− анизометричные (пластины, иголки, плоскогранники и др.);
− гладкие и шероховатые.
Форма частиц, как правило, зависит от методов получения и
обработки порошков. Форму частиц определяют методами оптической и
электроннолучевой микроскопии при оценке проекций частиц. Обычно
определяют два фактора формы: фактор неравноосности частиц отношение максимального и минимального наблюдаемых размеров
частицы (l
); фактор развитости поверхности - отношение
min/lmax
квадрата наблюдаемого периметра частиц к занимаемой ею площади
(P2/S). Форма частиц порошка оказывает существенное влияние на его
технологические свойства, а также на многие свойства деталей,
изготовленных из порошковых материалов методами механического
6
уплотнения: плотность, газопроницаемость, прочность, однородность
V
свойств и т.д.
Для оценки поведения порошкового материала в конкретных
условиях его уплотнения используют различные качественные и
количественные характеристики. Перечислим наиболее важные из них.
Насыпная (гравиметрическая) плотность ρ
порошков
нас
характеризует массу свободно насыпанного порошка в единице объема и
зависит, главным образом, от природы материала, формы и размера
частиц, состояния их поверхности [2-4]. Насыпная плотность
рассчитывается по формуле:
ρ
нас
m
=
. (1)
Значение насыпной плотности зависит не только от перечисленных
выше факторов, а также от склонности частиц к агломерированию
(объединению) и высоты насыпанного слоя. Эта характеристика имеет
большое значение при организации хранения, транспортировке,
дозировании сыпучих материалов.
Истинная плотность ρ
равна плотности монокристалла
ист
(максимально возможной величине для данного твердого материала) и
представляет собой массу единицы объема только твердой части (т.е. без
пор и жидкой фазы).
Кажущаяся плотность ρ
представляет собой массу единицы
каж
объема реального тела, включающую объемы твердой и жидкой частей и
пор [2; 3]. Рассчитывается по формуле
ρ
каж
=
ЖТ
, (2)
VVmm
ПТ
где mТ и mж − массы твердой и жидкой частей ПМ; Vт и Vп − объемы
твердой части и пор, соответственно.
Плотность твердой части порошка ρт определяется отношением
массы твердых частиц mТ к их объему VT:
m
ρT =
Т
. (3)
V
Т
7
Между этими значениями плотностей существует однозначная
mжm
в
зависимость: ρ
Для однокомпонентных составов ρ
нас
≤ ρ
каж
< ρ
ист
.
совпадает с плотностью
ист
твердой части (монокристалла) порошка. Для смесевых композиций ρТ
можно вычислить, используя правило аддитивности по уравнению
ρТ = 100/ )(
аа
2
1
2
1
а
n
, (4)
n
где а1, а2, ∙ ∙ ∙аn – массовое процентное содержание каждого твердого
компонента смеси; ρ1, ρ2, ∙ ∙ ∙ ρn − соответствующие им плотности.
Кажущуюся плотность прессованных изделий можно определить
двумя методами:
− геометрического обмера и взвешивания;
− гидростатического взвешивания.
При использовании первого метода с помощью измерительного
инструмента (штангенциркуля или микрометра) производят измерение
основных геометрических размеров прессованного изделия, а затем
определяют его массу. Геометрические размеры позволяют определить
объем изделия, а, зная его массу, можно рассчитать кажущуюся
плотность по формуле (2).
Для определения кажущейся плотности по второму методу (на
основании закона Архимеда) необходимо знать массы прессованных
изделий, взвешенных на воздухе и в жидкости, а затем произвести расчет
плотности по формуле
ρ = ж
mв
, (5)
где массы образца mв – в воздухе и mж – в жидкости; ρж − плотность
жидкости (для дистиллированной воды ρж = 1,0 г/см3).
Плотность утряски определяется как отношение массы порошка
к величине его объема, измеренного после приложения вибрации к
матрице, заполненной порошком. При вибрации частицы
распределяются между собой компактно, т.е. объем, занимаемый
частицами, уменьшается, а, следовательно, для одного и того же
порошка плотность утряски, как правило, больше плотности его
свободной насыпки [2].
8
Плотность утряски (она по сравнению с насыпной плотностью
может увеличиваться на 20−50 %) зависит от тех же свойств порошка,
что и насыпная плотность.
Максимальная плотность утряски достигается для порошков со
сферической формой частиц, особенно в случае использования для
засыпки сферических порошков различных фракций.
Отношение насыпной плотности к плотности утряски дает также
качественное представление о текучести (сыпучести) порошка.
Сыпучесть порошков – это сложная комплексная характеристика,
зависящая от многих факторов, которая определяет их способность
перемещаться по наклонной поверхности под действием силы тяжести.
На сыпучесть порошкообразных ЭНМ и составов на их основе
существенное влияние оказывают их плотность, влажность, удельная
поверхность, гранулометрический состав, форма и состояние
поверхности частиц.
Оценку сыпучести порошков проводят при их свободном
истечении из бункеров технологических аппаратов. Приборы для
определения сыпучести представляют собой коническую воронку с
углом 60−80
○
при вершине конуса с диаметром выпускного отверстия
2,5–6 мм. Определяют сыпучесть по массе или объему порошка,
прошедшего через некоторое постоянное сечение в единицу времени.
Способность сыпучего материала вытекать из отверстий
оценивают также коэффициентом текучести Kт, который определяют по
времени истечения t материала из калибровочной воронки [1; 2]:
t
Kт =
2,58
r
, (6)
G
где r – радиус воронки в цилиндрической части, мм; G – масса
засыпаемого порошка, г (по стандарту G = 50 г); диаметр
цилиндрического канала воронки – 2,5 мм, длина − 3,2 мм.
Воздух, содержащийся в порошке, мало влияет на истечение
крупных порошков. По мере уменьшения размера частиц влияние
воздуха возрастает. Резкое ухудшение сыпучести для высокодисперсных
порошков связано с усилением их электризации и образованием в
порошке разрежения над выходными отверстиями, а также
сводообразованием и зависанием частиц твердой фазы в
бункерах−питателях аппаратов. В порошках с размерами частиц менее
100 мкм, явления подобного рода проявляются наиболее сильно.
9
Сыпучесть порошков уменьшается также при увеличении их
удельной поверхности и шероховатости частиц. В технологии
производства разрывных зарядов сыпучесть порошков имеет большое
значение при расчетах производительности автоматических прессов,
дозаторов и транспортировке больших объемов порошков.
Угол естественного откоса относится к основным
технологическим свойствам порошков [2; 3].
Угловая величина естественного откоса представляет собой угол,
образованный поверхностью конуса свободно насыпанного порошка и
горизонтальной плоскостью в его основании (рис.1,а). Для большинства
порошков он находится в пределах 25−70. Угол уменьшается с ростом
текучести порошков. Значение угла естественного откоса минимально
для порошков со сферической формой частиц.
Угол естественного откоса характеризует равновесное состояние
порошка при отсутствии воздействия на него внешних сил. На любую
произвольно выбранную в массе конуса порошка частицу действует сила
тяжести Р, которую можно разложить на составляющую, нормальную к
образующей конуса N = P cos , и составляющую, направленную вдоль
этой образующей M = P sin или M = N tg . Равновесное состояние
частиц обеспечивается силой трения F = fN, где f - коэффициент трения.
Далее следует, что F = M∙= N tg = fN, а f = tg . Таким образом, угол
естественного откоса является также и углом трения.
Рисунок 1. Схема образования (а) угла естественного откоса α
и прибор (б) для его определения: 1 – корпус; 2 – шибер
Угол естественного откоса определяется методом ссыпания
порошка из отверстий в виде конуса (рис.1,б)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]