Экспериментальное моделирование процессов формирования объемных прессовок из сферических воскообразных элементов

Рост металлоемкости промышленного производства и объемов потребления готовой металлопродукции определяет актуальность разработки и исследования энергоэффективных технологических процессов, направленных на сокращение издержек за счет снижения числа операций при сохранении эксплуатационных характеристик продукта. В машиностроении задачи получения заготовок повышенной размерно-геометрической точности и сложной конфигурации решаются при помощи распространенного метода литья по выплавляемым моделям. Увеличению применения такого технологического подхода к получению заготовок в машиностроении препятствует ряд физических явлений, связанных с термическим расширением модельных и керамических материалов, что приводит к росту конечной стоимости продукта. Устранение значительного числа дефектообразующих факторов возможно за счет применения инновационного решения, заключающегося в формировании пористых удаляемых моделей прессованием композиций на основе воскообразных материалов. Таким способом решается проблема усадки материала и повышается трещиностойкость керамических форм, что позволяет в значительной мере сократить долю механической обработки заготовок в общем объеме технологических операций. Технические испытания нового метода позволили установить причину, по которой в настоящее время не удается полностью избавиться от операций механической обработки литых заготовок. Проблема преимущественно состоит в упругом отклике уплотняемого материала модельной композиции, что в ряде случаев сказывается на увеличении размеров прессовок. В работе рассмотрено исследование влияния начальной упаковки элементов сферической формы, имитирующих одно- и двухкомпонентные модельные композиции, на напряженно-деформированное состояние порошкового тела, подвергающегося одностороннему уплотнению в жесткой цилиндрической матрице до технологически обоснованных значений плотности. Результаты эксперимента представлены в виде зависимостей напряжения от деформации. Рассмотрены предпочтительные условия формирования прессовок с минимальными значениями упругого отклика уплотненного материала.

1. Zhou L., Xu J.F., Xu X.B. Construction of scientific evaluation system for energy saving and emission reduction oriented to product full life-cycle // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 291–294. P. 693–695. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.291-294.693

2. Kim S.K. Effect of product quality on life cycle assessment in aluminum die casting process // Materials Science Forum. 2007. Vol. 544–545. P. 259–262. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.544-545.259

3. Sata A., Ravi B. Bayesian inference-based investment-casting defect analysis system for industrial application // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 90. No. 9–12. P. 3301–3315. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9614-0

4. Rodriguez A., López de Lacalle L.N., Calleja A., Lamikiz A.F. Maxi­mal reduction of steps for iron casting one-of-a-kind parts // Journal of Cleaner Production. 2012. Vol. 24. P. 48–55. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.11.054

5. Литье по выплавляемым моделям / Под. общ. ред. В.А. Озерова. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 1994. 448 с.

6. Zhilin S.G., Komarov O.N., Bogdanova N.A. Production of the steel casting with improved dimensional and geometrical accuracy using complex models // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. Vol. 709. No. 3. Article 033104. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/3/033104

7. Vidyarthee G., Gupta N. New development in investment casting process // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2017. Vol. 8. No. 12. P. 529–540.

8. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Управление структурой и свойствами пористых комбинированных удаляемых моделей. Владивосток: Дальнаука, 2007. 137 с.

9. Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н. Влияние гранулометрического состава и скорости выдавливания воскообразной композиции на геометрию длинномерной прессовки при мундштучном экструдировании // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2018. № 4 (38). С. 54–64.

10. Foggia M.D., D’Addona D.M. Identification of critical key parameters and their impact to zero-defect manufacturing in the investment casting process // Procedia CIRP. 2013. Vol. 12. P. 264–269. https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.09.046

11. Дубровин В.К., Заславская О.М., Карпинский А.В. Производство отливок из цветных сплавов в объемные формы по выплавляемым моделям // Известия вузов. Цветная металлургия. 2011. № 2. С. 34–39.

12. Abualigah L., Abd Elaziz M., Khasawneh A.M., Alshinwan M., Ibrahim R.A., Al-qaness M.A.A., Mirjalili S., Sumari P., Gandomi A.H. Meta-heuristic optimization algorithms for solving real-world mechanical engineering design problems: A comprehensive survey, applications, comparative analysis, and results // Neural Computing & Applications. 2022. Vol. 34. P. 4081–4110. https://doi.org/10.1007/s00521-021-06747-4

13. Xu M., Lekakh S.N., Richards V.L. Thermal property database for investment casting shells // International Journal of Metalcasting. Vol. 10. No. 3. P. 342–347. https://doi.org/10.1007/s40962-016-0052-4

14. Perry M.C. Investment casting // Advanced Materials & Processes. 2008. Vol. 166. No. 6. P. 31–33.

15. Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P.K. Developments in investment casting process – A review // Journal of Materials Processing Technology. 2012. Vol. 212. No. 11. P. 2332–2348. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.06.003

16. Harun Z., Kamarudin N.H., Badarulzaman N.A., Wahab M.S. Shell mould composite with rice husk // Key Engineering Materials. Vol. 471–472. P. 922–927. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.471-472.922

17. Жилин С.Г., Сапченко И.Г., Комаров О.Н. Упругий отклик прессовок при деформировании гетерогенных порошковых материа­лов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2015. № 4 (26). С. 185–192.

18. Sosnin A.A., Bogdanova N.A., Zhilin S.G., Komarov O.N. Finite element modeling of the stress-strain state of waxy compacts // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2176. No. 1. Article 030017. https://doi.org/10.1063/1.5135141

19. Himran S., Suwono A. Characterization of alkanes and paraffin waxes for application as phase change energy storage medium // Energy Sources Journal. 1994. Vol. 16. No. 1. P. 117–128. https://doi.org/10.1080/00908319408909065

20. Ziabicki A. Structure and properties of polymers // AMAS Course of Random Material Microstructures RMM’04. Warsaw. February 2–4. 2004. P. 307–342.

21. Dixit U.S., Joshi S.N., Davim J.P. Incorporation of material beha­vior in modeling of metal forming and machining processes: A review // Materials & Design. 2011. Vol. 32. No. 7. P. 3655–3670. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.03.049

22. Nicolaides D.B., Woodcock L.V. The rheology and phase structure of steady uniaxial compaction // Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications. 1997. Vol. 240. No. 1–2. P. 374–395. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(97)00160-X

23. Shtern M.B. Density-pressure dependence and density distribution during powder pressing // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2014. Vol. 53. No. 3–4. P. 139–147. https://doi.org/10.1007/s11106-014-9596-0

24. Aryanpour G., Mashl S., Warke V. Elastoplastic-viscoplastic modelling of metal powder compaction: application to hot isostatic pressing // Powder Metallurgy. 2013. Vol. 56. No. 1. P. 14–23. https://doi.org/10.1179/1743290112Y.0000000027

25. Рожкова Г.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование влияния межчастичных контактов на процесс предварительного прессования порошкового материала // Агропродовольственная политика России. 2017. № 11 (71). С. 140–144.

26. Теория и практика процесса прессования гетерофазных увлажненных механических смесей на основе железа / В.Н. Кокорин, А.И. Рудской, В.И. Филимонов, Е.М. Булыжев, С.Ю. Кондратьев. Ульяновск: УлГТУ, 2012. 236 с.

27. Цеменко В.Н., Фук Д.В., Ганин С.В. Определение реологических характеристик и моделирование процесса экструзии порошковых и пористых материалов. Часть 2. Пористое тело // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 2(243). C. 134–143.

28. Morvan A., Grosseau-Poussard J.-L., Caillault N., Delange F., Roure S., Lepretre P., Silvain J.-F. Powder processing methodology for fabrication of Copper / Graphite composite materials with enhanced thermal properties // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2019. Vol. 124. Article 105474. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105474

29. Горохов В.М., Дорошкевич Е.А., Звонарев Е.В. Теоретические основы моделирования упруго-пластического поведения металлических порошков при прессовании в жесткой матрице // 50 лет порошковой металлургии Беларуси. История, достижения, перспективы. Минск, 2010. C. 158.

30. Aleksandrova E.A., Aleksandrov B.L., Krasavtsev B.E. Structural and mechanical properties of paraffin wax composites // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2018. Vol. 54. No. 1. P. 37–43. https://doi.org/10.1007/s10553-018-0895-x

31. Doudard K., Arhaliass A.,Loisel C., Gonçalves O., Legrand J., Saint-Jalmes S., Pouliquen M. A new approach to optimize compression of paraffin materials: influence of particles size and shape // International Journal of Material Forming. 2018. Vol. 11. No. 2. P. 247–256. https://doi.org/10.1007/s12289-017-1348-5

32. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Улучшение экологии литья по выплавляемым моделям использованием пористых удаляемых моделей // Безопасность жизнедеятельности. 2009. № 2. С. 29–33.