Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и технология процессов прессования ЭНМ. Учебное пособие
.pdf
Практика показала, что вакуумирование является самым
действенным приемом, так как в этом случае содержание воздуха в
порошкообразном материале снижается в несколько раз [1; 2]. Подобный
эффект не достигается ни какими другими мерами, поскольку закрытие
воздухопроводящих каналов приостанавливает вытеснение воздуха даже
на той стадии прессования, когда объем воздушных пор составляет ~ 20–
25 % от их исходного объема.
Высокое давление запрессованного воздуха и его отрицательное
действие характерно при прессовании составов с повышенным
содержанием флегматизатора, которые сравнительно легко сжимаются
до состояния, близкого к своей критической плотности. Поэтому
прессование под вакуумом улучшает качество прессованных изделий,
повышает их плотность, прочность и снижает анизотропию прочности и
структуры. Было показано, что вакуумирование при прессовании
целесообразно применять в случае формования изделий из составов, с
содержанием флегматизатора не менее 3 % , масса которых от 0,1 кг и
выше [2].
В процессе прессования формуемая прессовка находится в
сложном объемно-напряженном состоянии. Осевое и боковое давление,
возникающие между стенками матрицы и торцевыми поверхностями
поддона, пуансона и прессовкой, уравновешиваются внутренними
напряжениями, возникающими в изделии. Наличие упругого расширения
и его отрицательные последствия хорошо известны из практики
прессования различных по природе порошкообразных материалов.
Общая величина упругого расширения в направлении прессования
в момент максимального сжатия, составляет 1÷10 % от высоты
прессовки. Исследования показали, что на величину упругого
расширения влияют: гранулометрический состав порошка, режим
прессования: скорость приложения и величина давления прессования;
конфигурация прессовки, «жесткость» матрицы пресс-инструмента.
Упругое расширение прессовок при извлечении из матрицы обычно
составляет 70–75 % в продольном направлении от величины общего
расширения по высоте, а расширение в поперечном направлении – от 10
до 15 % от продольного. Упругое расширение прессовки повышает ее
пористость, оно связано с явлением «перепрессовки» – одним из видов
брака при прессовании.
Поскольку распределение давления и плотности по объему
прессовки неравномерно, значит, неравномерным будет и упругое
21
сжатие (растяжение) прессованного изделия. Это обуславливает
различное по величине упругое последействие в разных частях
прессовки, что может привести к ее разрушению.
Снижение внешнего и внутреннего трения порошкообразных
материалов: увеличение пластичности ПМ (добавки, повышение
температуры); уменьшение высоты прессовки, обработка прессинструмента различными смазками, способствует более равномерному
распределению давления по объему прессуемого порошка и, тем самым,
снижает вероятность образования в прессованном изделии трещин и
расслоений.
Трещины в прессовках могут появляться также из-за их
раздавливания боковыми усилиями, когда недостаточна «жесткость»
матрицы. К этому же могут привести сильная изношенность стенок
матрицы, перекосы в подвижных деталях пресс-инструмента и другие
причины. Упругое расширение даже в тех случаях, когда оно не
приводит к образованию трещин, является одной из причин повышения
внутренних напряжений в прессованных изделиях, анизотропии их
структуры и механических свойств.
1.3. Особенности порошковых тел
Для сыпучего порошкового тела характерна слабость сил между
частицами порошка. Этим объясняется его незначительная прочность и
хорошая сыпучесть. В общем случае нарушению сплошности
порошкообразных тел препятствуют силы аутогезии и адгезии. Если
взаимодействие происходит между частицами одного и того же
порошкового тела, то такое взаимодействие называют аутогезионным. В
случае если взаимодействие возникает между разнородными телами
(частицами), например, кристаллическими зернами и полимером – такое
взаимодействие называют адгезионным [1−4].
Вклад того или иного вида физической связи в формировании
аутогезионных или адгезионных сил и их суммарная величина зависят от
природы материала частиц, его упруго - пластических свойств, размеров,
формы, шероховатости частиц, наличия адсорбционных пленок,
температуры, влажности, степени поджатия частиц, числа контактов
между ними. Все эти факторы в процессе прессования могут меняться.
Например, если в хорошо сыпучее тело добавить достаточное
количество жидкой фазы для заполнения пор между частицами, то в этом
22
случае ответственными за прочность порошкового тела будут уже не
силы механического сцепления, а капиллярное давление, которое
стремится удерживать частицы вместе.
То же наблюдается при возникновении зарядов статического
электричества (при пересыпании и дозировке порошков).
Порошкообразные ЭНМ являются диэлектриками с высоким
электрическим сопротивлением ~ 1011÷1014 ом⋅м, что обусловливает их
способность к накоплению электростатических зарядов. Поэтому, даже
хорошо сыпучее вещество после тряски, транспортировки, вдруг
зависает при автоматической дозировке при взвешивании из-за
возникновения электростатических сил между частицами порошка и
стенками оборудования, образует так называемые арочные эффекты.
Сыпучие ПМ обладают легкой подвижностью, т.е. текучестью, как
и жидкие тела, так как они обладают низкой прочностью контактов на
разрыв. Они способны принимать форму сосуда, в который насыпаны, но
в отличие от жидкостей они не растекаются по поверхности, а образуют
конусообразную фигуру с естественным углом откоса (α − угол между
горизонталью и образующей откоса «кучи» порошкового материала).
Для хорошо сыпучих порошков этот угол равен 0÷50○, для трудно
сыпучих порошков угол больше 50○ [4].
В отличие от жидкостей в ПМ не соблюдается закон Паскаля, т.е.
давление в порошковом теле передается в разных направлениях
неодинаково. Потеря давления при прессовании происходит за счет
внутреннего трения, в результате трения частиц порошка друг о друга, и
внешнего трения, за счет трения порошка об образующие поверхности
стенок матрицы и торцевые поверхности поддона и пуансона.
Прикладываемое осевое давление к порошковому телу лишь на 20– 30
% передается на боковую поверхность.
В отличие от жидкостей объемные деформации в порошковом теле
необратимы.
Как было отмечено выше, ПМ обладают широким набором свойств
и характеристик, определяющих их упруго - пластические, прочностные,
электрические, магнитные, сорбционные, реологические и другие
свойства [4]. При этом можно обнаружить, что одна и та же
характеристика может иметь совершенно разные абсолютные величины
для одного и того же порошкового тела. Например, прочность порошка
на сдвиг, прочность индивидуальных контактов между частицами,
плотность и т.д. Чаще всего это связано с тем, что эти характеристики
23
объективно отражают свойства конкретного состояния порошкового
материала в конкретных условиях эксплуатации. В качестве примера
рассмотрим чешуированный (гранулированный) тротил, который
транспортируется в контейнере. При транспортировке тротил может
немного уплотниться, но остаться в виде порошка. Для этого порошка
можно назвать четыре разных по величине плотности: монокристалла
тротила (ρм = 1,654 г/см3); индивидуальной частицы или гранулы: ρч =
1,55 г/см3; уплотненного порошка при транспортировке − ρтр = 1,0 г/см3 и
насыпная плотность ρ
= 0,86 г/см3. Чтобы разобраться в этом массиве
нас
характеристик порошкового материала (которые исчисляются
десятками) и определить их влияние на свойства и поведение при
прессовании их нужно классифицировать.
В литературе приведено несколько классификаций порошков,
предложенных Андриановым, Дзимбо, Попильским–Кондрашевым и
другими авторами. Предлагаемая Дзимбо классификация делит свойства
порошкообразных материалов на три группы [4; 12; 13]:
− в первую группу входят характеристики свойств порошка – это
химический состав, геометрические параметры частиц, их
шероховатость, упругопластические свойства и некоторые другие;
− ко второй группе относятся характеристики совокупности
частиц, а не отдельных частиц; к ним относятся: дисперсный состав,
плотность упаковки, прочность на разрыв, коэффициент внутреннего
трения и другие;
− третью группу составляют комплексные и технологические
характеристики порошка: текучесть, сыпучесть, уплотняемость,
коэффициент внешнего трения и другие.
Такая классификация согласуется с природой рассматриваемого
явления, но содержит неопределенность в трактовке свойств порошков и
частиц: так прочность индивидуальных контактов и прочность порошков
меняется в зависимости от условий формования порошкового тела, т.е.
сами по себе они не характеризуют ПМ во всех его состояниях.
С учетом этих замечаний предложена Андриановым [4] следующая
классификации, согласно которой все свойства порошков делятся на
четыре группы (таблица).
24
Таблица − Классификация свойств порошкообразных материалов
Свойства
Свойства ПТ или
Химический
Геометрические
Распределение
частиц
Плотность упаковки частиц
:
Аутогезионная
Аутогезионная
Прочностные характеристики:
Свойства
вещества частиц
состав
Плотность
Электропроводность
Упругопластические;
Диэлектрические;
Магнитные
свойства
Гигроскопичность
Растворимость
Точка размягчения
индивидуальных
частиц
параметры: размеры,
форма, шероховатость
Поверхностные
свойства: химический
состав, твердость,
пластичность,
смачиваемость,
растворимость,
электропроводность
поверхностного слоя
способность частиц F:
F = BNP, функция,
связывающая
прочность контактов с
силой поджима N,
В, р –
экспериментальные
коэффициенты;
Свойства ПМ
по размерам
способность порошка:
прочность слоя на
разрыв, темп роста
прочности слоя при
уплотнении,
энергетический и
линейный параметры
25225
определенного
состояния порошка
степень заполнения объема
Состояние контактов между
частицами: степень сближения
частиц, наличие жидкостных и
твердых мостиков
прочность на разрыв,
прочность на сжатие,
сопротивление сдвигу,
структурная прочность
Окончание таблицы
прочность контактов
Внутренне трение
Косвенные
Технологические
на разрыв при
отсутствии поджима;
темп роста прочности
контактов при
поджиме частиц
Фрикционные
свойства частиц:
угол трения и
сцепления в
индивидуальных
контактах
порошка:
углы внутреннего трения,
диаграмма сдвиговых
испытаний
характеристики: углы
откоса и обрушения,
уплотняемость, скорость
истечения, текучесть и др.
Технологические
характеристики:
способность к
псевдоожижению,
распыляемость,
комкуемость,
слеживаемость, размер
сводообразующего
отверстия и др.
характеристики: динамическая
прочность, истираемость,
стойкость против воздушной
эрозии, обрушаемость,
сопротивление внедрению
твердых тел.
1.4. Особенности порошков ЭНМ
При формовании разрывных зарядов применяются
индивидуальные ЭНМ и смесевые составы на их основе. Каждое
взрывчатое вещество относится к одной из групп нитросоединений. К
нитросоединениям ароматического ряда относятся тротил,
динитронафталин, тетрил. К нитросоединениям гетероциклических
аминов относятся гексоген, октоген. Представителем твердых эфиров
азотной кислоты является тэн (пентаэритриттетранитрат) [9−11].
В элементарных ячейках кристаллических нитросоединений
ароматического ряда (тротил, тетрил и другие.) молекулы
располагаются вытянутыми, плотноупакованными слоями. Благодаря
этому, в них сравнительно легко осуществляется перемещение слоев
относительно друг друга, за счет движения дислокаций в плоскостях
скольжения [1–3; 9−11].
Нитросоединения гетероциклических аминов (гексоген, октоген)
не образуют таких плотных слоев, поэтому имеют ограниченную
способность к скольжению дислокаций, вследствие чего эти вещества
малопластичны и проявляют макрохрупкие свойства.
Смесевые ЭНМ − это гранулы сплавов тротила с гексогеном,
тротила с алюминием, механические смеси A-IX-1, A-IX-2, A-IX-20,
аммониты, гранулиты, игданиты и другие составы.
По размерам твердых частиц в порошкообразных ЭНМ можно
обнаружить хорошо сыпучий крупнодисперсный «чешуированный»
тротил (размеры чешуек от 5 до 10 мм, при толщине чешуек в 10–50
раз меньше его большего размера). К среднедисперсным и
тонкодисперсным ПМ с размерами частиц от 200 до 10 мкм относятся
гексоген, тэн, высокодисперсный октоген марки «ВД».
Как правило, порошкообразные ЭНМ обладают хорошей
сыпучестью, угол откоса их составляет 25−50○. Частицы ЭНМ так же
разнообразны по форме: чешуйки, гранулы, игольчатые кристаллы,
многогранники и другие.
Как было отмечено выше, индивидуальные и порошки смесевых
составов из ЭНМ являются диэлектриками и электризуются при
транспортировке, пересыпании и дозировании. При этом возникающие
на поверхности частиц порошков высокие величины зарядов
статического электричества могут стать причиной разрядных
27
процессов – пробоя, искры, что может привести к загоранию или даже
к взрыву ЭНМ.
Для индивидуальных ЭНМ (органических веществ) содержание
основного компонента не превышает 99,9 %, остальная часть –
трудноотделимые примеси. Для смесевых ЭНМ в соответствующих
нормативных документах даются интервалы по содержанию
компонентов в зависимости от их состава.
Аммиачная селитра, широко используемая для изготовления
промышленных ЭНМ, обладает полиморфизмом, имеет пять
полиморфных модификаций в области рабочих температур. Она
сильно гигроскопична, адсорбирует атмосферную влагу, образуя на
поверхности насыщенный раствор. При испарении влаги (при
уменьшении относительной влажности воздуха) из насыщенного
раствора выделяются кристаллы аммиачной селитры, которые
скрепляют соприкасающиеся частицы порошкообразной селитры. При
этом теряется сыпучесть порошкообразного материала, он
самопроизвольно уплотняется до монолита или крупных кусков.
Промышленностью аммиачная селитра выпускается в
крупнокристаллическом и гранулированном виде. Размеры
кристаллических частиц изменяются от 2−2,5 до 0,22 мм и менее,
диаметр сферических гранул - 2÷4 мм.
Задачи и контрольные вопросы для повторения
1. Чему равен коэффициент межчастичного трения k при сдвиге
вещества по углу естественного откоса (рис.1). Примем, что
нормальная сила Fн прижимает вещество без пластической
деформации
Решение:
В соответствии с законом Кулона: τ= k∙σн – сдвиговые τ и
нормальные σн напряжения связаны коэффициентом внутреннего
трения
k
где α – угол естественного откоса порошкообразного вещества.
F
í
N
ctg
;
28
Ответ:
k1
tg
2. Определить возникающее предельное сопротивлении сдвигу при
прессовании ТНТ при высоких сжимающих нагрузках Р = 250 МПа
при температуре 20 0С. Принять fвн = 0,475 и коэффициент
межчастичного сцепления, равным k = 0,1.
Решение:
При высоких сжимающих нагрузках в замкнутой
цилиндрической матрице при прессовании возникают касательные
напряжения, описываемые линейной зависимостью от нормального
напряжения (давления прессования):
τn = fвн⋅σn+ k [1].
τn = 0,475∙250 + 0,1 = 118,85 МПа.
Ответ: 118,85 МПа.
3. Гидравлический пресс с диаметром плунжера, равным 175 мм,
питается плунжерным насосом производительностью 3 л/мин.
Максимальное давление 32 МПа. Найти номинальное усилие и
мощность N пресса. Коэффициент полезного действия привода η
принять равным 0,75.
Решение:
Номинальное усилие пресса определяется по величине
максимального давления прессования:
= Р
где S – площадь поперечного сечения плунжера пресса.
= Р
⋅
= 32⋅10 ⋅
⋅S,
,⋅,
= 76930 Н = 77 тс.
Выбираем номинальное усилие пресса по 5 разряду (ГОСТ 8200-87),
равное 63 тс.
Мощность привода насоса при номинальном усилии пресса и
скорости прессования (производительности насоса) определяется по
формуле:
N = ⋅v ⋅η =
⋅S⋅ v ⋅η =
⋅ П⋅η,
29
N = 32⋅10 ⋅5⋅10⋅ 0,75= 1200 Вт = 1,2 кВт
Ответ: = 63 тс, N = 1,2 кВт.
4. Определить угол естественного откоса вещества груза,
перемещаемого по ленточному конвейеру. Поперечное сечение груза
имеет вид треугольника, высотой h = 100 мм и основанием, равным l =
400 мм.
Решение:
1,0
tg
h
l
2,0
2/
; α = 26,60 (продукт сыпучий)
5,0
Ответ: α = 26,60
5. Для определения упругих свойств монокристалла тринитротолуола,
произведено сжатие вдоль одной из его осей напряжением σу = 1 МПа.
При этом поперечная относительная деформация кристалла составила
εх = 0,03 %. Определить значение коэффициента Пуассона TНT (μ),
считая модуль Юнга равным Е = 1.1 ГПа?
Решение:
МПа
μ = -
εу = -
х
,
= - 106/1,1∙109 = - 0,091 %.
εx = 0,03 %.
μ = -
,
,
= 0,33
Ответ: μ = 0,33
6. Определить степень запрессовки ТНТ, если плотность
прессованного изделия из него равна 1,56 г/см3.
Решение:
Степень запрессовки показывает отношение плотности
прессованного изделия к плотности монокристалла (предельной) ТНТ:
ш
α =
= 1,56/1,663 = 0,94
пр
Ответ: α = 0,94
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]