Способ формообразования изделий из многофазных материалов

 

Изобретение относится к области изготовления прессованных изделий из многофазных материалов, таких как цельная древесина, волокнистые материалы, порошковые материалы различной природы и прочее. Способ включает воздействие на помещенный в пресс-форму материал квазистатическим усилием прессования, при этом возбуждение в материале ультразвуковых колебаний осуществляют путем воздействия на материал широкополосным акустическим сигналом. В материале возбуждают многомерное поле ультразвуковых колебаний. Изобретение обеспечивает высокую степень уплотнения и равноплотности формуемого изделия, в том числе при изготовлении изделий, линейные размеры которых в продольном и поперечном сечениях сильно отличаются друг от друга. 2 ил.

Изобретение относится к области изготовления прессованных изделий из многофазных материалов, таких как цельная древесина, волокнистые материалы, порошковые материалы различной природы и прочее.

Известны способы формообразования изделий, в которых на материал, помещенный в пресс-форму, осуществляют совокупное воздействие квазистационарного (статического) усилия прессования и акустических колебаний ультразвуковой (УЗ) частоты.

Применение ультразвуковых колебаний в процессе прессования обрабатываемого материала приводит к увеличению степени уплотнения формуемого изделий, а также к повышению его равноплотности. При этом существенным является создание равномерного УЗ поля по всему объему формуемого изделия.

Так, например, известен способ формообразования изделий из порошка, описанный в а.с. СССР 1142223, В 22 F 3/02, В 30 В 15/02, публ. 1985 г., согласно которому прессуемый материал подвергается совместному воздействию квазистационарного механического давления и УЗ колебаний. При этом аппаратурное оформление указанного способа позволяет осуществить всесторонний подвод УЗ энергии по всему объему изделия, вследствие чего повышается равноплотность изделия.

Известны способы формообразования изделий, в которых на прессуемый материал воздействуют многомерным полем УЗ колебаний. Так, например, известен способ формообразования изделий из цельной древесины (патент RU 2122944, В 27 М 1/08, публ. 1998 г.) в котором на помещенную 6 пресс-форму заготовку воздействуют статическим усилием прессования и трехмерным полем УЗ колебаний, которое имеет продольную, радиальную и тангенциальную составляющие. Указанное многомерное колебательное воздействие на материал обеспечивает распространение УЗ колебаний во всем объеме формуемого изделия.

В качестве прототипа авторами выбран способ формообразования изделий из металлического порошка (а.с. СССР 954184, В 22 F 3/02, публ. 1982 г.).

В указанном способе на порошок, помещенный в пресс-форму, воздействуют квазистационарным усилием прессования и двухмерным полем УЗ колебаний, имеющим продольную составляющую и поперечную составляющую той же частоты, что и продольная составляющая, но меньшей амплитуды.

Кроме того, в процессе формообразования изделия изменяют частоту возбуждаемых УЗ колебаний в диапазоне от 20 до 30 кГц. При этом в начале цикла осуществляют воздействие на некоторой начальной частоте из указанного диапазона, а затем изменяют частоту на 10...30% в сторону ее уменьшения или увеличения относительно начального значения.

Такое изменение частоты УЗ колебаний в процессе формообразования позволяет достигнуть хорошей равноплотности изделий, по-видимому, за счет лучшего согласования импеданса излучателя УЗ колебаний с изменяющимся в процессе прессования импедансом материала формуемого изделия. Указанный прием способствует более полному использованию энергии УЗ поля.

Задачей заявляемого изобретения является создание нового способа формообразования изделий из многофазных материалов, обеспечивающего высокую степень уплотнения и равноплотности формуемого изделия, в том числе при изготовлении изделий, линейные размеры которых в продольном и поперечном сечениях сильно отличаются друг от друга.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе формообразования изделий из многофазных материалов, включающем воздействие на помещенный в пресс-форму материал квазистационарного усилия прессования, а также возбуждение в материале УЗ колебаний различной частоты, согласно изобретению возбуждение в материале УЗ колебаний различной частоты осуществляют путем одновременного воздействия на материал совокупности УЗ колебаний, имеющих различные частоты.

Кроме того, согласно изобретению в материале возбуждают многомерное поле УЗ колебаний.

Принципиальным отличием заявляемого способа от известных является то, что в процессе прессования на материал, помещенный в пресс-форму, одновременно воздействуют совокупностью УЗ колебаний, имеющих различные частоты.

Возбуждение совокупности УЗ колебаний с различными частотами приводит к увеличению относительного колебательного смещения частиц материала формуемого изделия, так как частицы участвуют в целом ряде колебательных движений, обусловленных внешним колебательным воздействием в полосе частот.

При этом происходит усреднение суммарных колебательных смещений (суммарной колебательной скорости) частиц по объему формуемого изделия и тем самым достигается равномерное распределение плотности энергии УЗ поля в обрабатываемом материале.

Указанные эффекты приводят к более равномерному распределению частиц материала по объему изделия, снижению пористости материала, а в случае обработки дисперсных материалов - к устранению коагуляции частиц, уменьшению их размеров, более плотной их упаковке. Таким образом достигается более однородная структура обрабатываемого материала, повышается его плотность и равноплотность.

Выравнивание плотности УЗ энергии по объему формуемого материала приводит также к более равномерному проявлению эффекта акустической сжимаемости материала изделия, что облегчает процесс его прессования под действием статического давления.

Наиболее эффективным является воздействие на уплотняемый материал многомерного (двухмерного, трехмерного) поля УЗ колебаний, каждая составляющая которого представляет собой совокупность УЗ колебаний с различными частотами. В таком случае одновременно реализуются преимущества воздействия на материал многомерного ультразвукового поля, главным из которых является распространение энергии УЗ поля во всем объеме изделия, и преимущества, обусловленные описанными выше эффектами от воздействия совокупности УЗ колебаний с различными частотами.

Как показали эксперименты, предлагаемый способ позволяет достигнуть однородности структуры материала даже в случае формообразования изделий, которые имеют сложную геометрическую форму и/или линейные размеры которых в продольном и поперечном сечениях сильно отличаются друг от друга. Это обуславливает высокие физико-механические показатели изделий указанных видов, чего не удается достигнуть при использовании других известных способов формообразования.

Следует отметить (особенно это существенно для изделий вышеуказанных видов), что при реализации предлагаемого способа, независимо от геометрических размеров формуемого изделия, удается обеспечить прохождение в материале изделия УЗ волны (волн) на одной или нескольких частотах, входящих в частотный спектр. Вовлечение частиц материала в волновое движение приводит к увеличению относительных скоростей смещения частиц, усложнению траектории их движения, что усиливает описанные выше положительные эффекты от применения разночастотных колебательных воздействий. При этом возможно образование интерференционного волнового поля в материале изделия, что способствует увеличению равномерности распределения плотности энергии УЗ поля в обрабатываемом материале.

В случае воздействия многомерным полем УЗ колебаний, каждая составляющая которого представляет собой совокупность УЗ колебаний с различными частотами, оказывается возможным обеспечить распространение УЗ волны по всем составляющим многомерного УЗ поля, то есть во всем объеме обрабатываемого материала.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать равномерно уплотненное изделие с однородной структурой.

На фиг.1а представлена осциллограмма смещения поршня в одиночном ударном импульсе преобразователя Эйзенменгера.

На фиг.1б представлена осциллограмма одиночного импульса давления в прессуемой среде, соответствующего осциллограмме смещения, представленной на фиг.1а.

На фиг.2а представлен вид расчетного импульса давления, соответствующего осциллограмме, приведенной на фиг.1б.

На фиг.2б представлен вид частотных спектров импульсов давления в прессуемой среде при различных значениях коэффициента затухания, рассчитанных в соответствие с кривой, приведенной на фиг.2а.

Способ осуществляют следующим образом.

На помещенный в пресс-форму материал воздействуют внешним квазистационарным усилием прессования. Одновременно с помощью внешнего источника излучения в материале возбуждают совокупность УЗ колебаний, имеющих различные частоты.

Для возбуждения указанной совокупности УЗ колебаний могут быть использованы известные аппаратурные средства, такие как широкополосный излучатель, в том числе с частотной модуляцией, импульсный преобразователь, ударный преобразователь Эйзенменгера, решетка преобразователей, с помощью которой в материале формируется УЗ поле с желаемым дискретным частотным спектром, и другие средства.

Выбор источника генерации УЗ колебаний в заявляемом способе определяется требуемым диапазоном воздействующих частот и амплитудой колебательных смещений (скоростей), достаточной для достижения необходимых эксплуатационных характеристик изделия, а также условиями эксплуатации и экономической целесообразностью.

В материале формуемого изделия возбуждают одномерное или многомерное поле УЗ колебаний. Возбуждение многомерного УЗ поля может быть осуществлено, например, путем приложения внешних одномерных УЗ колебаний, направленных вдоль продольной оси пресс-формы и перпендикулярно к указанной оси, или путем преобразования исходных одномерных УЗ колебаний источника излучения в системе пресс-форма -материал в многомерные колебания за счет выбора формы и геометрических размеров пресс-формы и размещения определенным образом излучающей поверхности источника относительно наружной поверхности пресс-формы.

По окончании процесса формообразования изделие извлекают из пресс-формы и, в случае необходимости, осуществляют его дальнейшую технологическую обработку, например, сушку, обжиг и т.д.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Изготавливали варистор в форме диска диаметром 120 мм и толщиной 20 мм.

Для изготовления варистора использовали шихту из порошкового керамического материала на основе оксида цинка.

В качестве пластификатора использовали 5%-ный раствор поливинилового спирта при его содержании в шихте 2,5 мас. %.

Шихту с пластификатором загружали в пресс-форму, состоящую из матрицы, имеющей форму кольца, средний диаметр которого много больше высоты, и двух пуансонов цилиндрической формы.

С помощью пресса через верхний пуансон осуществляли одноосное холодное статическое прессование рабочей среды давлением порядка 20 МПа, приложенным вдоль продольной оси пресс-формы.

Одновременно через нижний пуансон вводили ударные импульсы. Импульсы создавали с помощью ударного электродинамического преобразователя Эйзенменгера. Длительность τ импульса составляла 10 мс. Максимальное смещение А поршня преобразователя составляло 10^-4 м. Частота следования импульсов составляла 20 Гц.

Осциллограмма смещения поршня в одиночном ударном импульсе представлена на фиг.1а, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат-величина смещения поршня преобразователя.

Указанные воздействия вызывали в материале изделия ударные импульсы давления, вид которых представлен на фиг.1б.

Расчетный импульс давления, P(t), соответствующий приведенной на фиг.1б осциллограмме, имеет вид, представленный на фиг.2а.

Представленная на фиг.2а зависимость выражается формулой P(t) = P₀e^-δ^tcos(ωt-α),Пa, где Р₀ - амплитуда импульса давления, принимаемая в расчете за 1 Па; δ - коэффициент затухания; круговая частота, рад/с; ω₀ - основная круговая частота, рад/с; t - время, с; фаза колебаний.

Расчетные частотные спектры импульсов преобразователя Эйзенменгера при различных значениях коэффициента затухания δ₃>δ₂>δ₁) представлены на фиг. 2б.

Как следует из фиг. 2б, максимальная частотная спектральная плотность колебательных воздействий приходилась на частоту ~ 17кГц.

Продольные акустические колебания нижнего пуансона приводили к возникновению в тонкой стенке матрицы круговых зональных акустических волн, при этом в объеме прессуемого вещества создавалось трехмерное поле акустических волн, имеющее продольную составляющую, обусловленную продольными колебаниями нижнего пуансона, и две поперечные составляющие - радиальную и тангенциальную, которые вызывались круговыми зональными (изгибными) колебаниями стенки матрицы.

Время воздействия УЗ колебаний составляло 10 с.

После обработки формуемого изделия указанным выше способом его извлекали из пресс-формы, подвергали обжигу и металлизации.

Исследовали физико-механические характеристики готового изделия.

Плотность ρ изделия составила 5350 кг/м³, что является высоким значением для современных варисторов из указанного материала. При этом термооптическим методом была подтверждена высокая равноплотность изделия: изменение его плотности по объему не превышало 2%.

В ходе исследований были подтверждены высокие эксплуатационные характеристики полученного варистора. Так, величина относительной диэлектрической проницаемости ε/ε₀ составила 85, что является высоким показателем для оксидноцинковых варисторов; тангенс угла диэлектрических потерь tgδ составил 0,01, что существенно ниже, чем у аналогичных варисторов промышленного изготовления. Кроме того, установлено, что амплитуда тока пропускной способности исследуемого варистора при воздействии 20 импульсов тока длительностью 2000 мкс составила 2 кА, что в 2 раза превышает значение данного параметра для лучших отечественных и зарубежных образцов варисторов.

Приведенные показатели обусловлены однородностью структуры материала во всем объеме готового изделия, которая была достигнута благодаря применению рассматриваемого способа.

Пример 2. Изготавливали пьезокерамический элемент в форме диска диаметром 127 мм и толщиной 3 мм.

Для изготовления использовали шихту из порошкового керамического материала - цирконата-титаната свинца марки ЦТБС - 3. В качестве пластификатора использовали 5%-ный раствор поливинилового спирта при его содержании в шихте 1,5 мас.%.

Шихту с пластификатором загружали в пресс-форму, состоящую из матрицы, имеющей форму кольца, средний диаметр которого много больше высоты, и двух пуансонов цилиндрической формы.

Далее осуществляли обработку формуемого изделия, как описано в примере 1, при этом статическое прессование рабочей среды осуществляли давлением 25 МПа. Через нижний пуансон вводили ударные импульсы с параметрами, как в примере 1. При этом в материале формуемого изделия возникало многомерное поле УЗ колебаний в полосе частот, максимальная частотная спектральная плотность которых приходилась, как в примере 1, на частоту 17 кГц.

Время воздействия УЗ колебаний составляло 15 с.

После обработки изделия указанным способом его извлекали из пресс-формы, подвергали обжигу, металлизации и поляризации.

Исследовали физико-механические характеристики готового изделия. Плотность ρ изделия составила 7300 кг/м³. Такое значение плотности является очень хорошим показателем для пьезокерамических элементов с указанным соотношением геометрических размеров. Акустотермооптическим методом была подтверждена высокая равноплотность изделия.

В ходе исследования были подтверждены высокие эксплуатационные характеристики пьезоэлемента.

Так, величина тангенса угла диэлектрических потерь составила 0,004; относительная диэлектрическая проницаемость ε^T₃₃/ε₀ составила 2090; пьезомодуль для радиальных колебаний d₃₁•10¹²Кл/Н имел значение 183,5; скорость акустических продольных волн c^ε₁•10^-3 м/с имела величину 3,41; коэффициент электромеханической связи для радиальных колебаний К₃₁ составил 0,59.

Указанные показатели полностью укладываются в диапазон требований, предъявляемых к пьезокерамическим элементам из материала ЦТБС-3, согласно ОСТ П 0444-87.

При этом следует отметить, что известными из уровня техники способами формообразования столь высокие эксплуатационные характеристики для пьезокерамических элементов указанных геометрических размеров достигнуть не удается.

Пример 3. Брали цилиндрическую заготовку из цельной сырой березы диаметром 120 мм и длиной 400 мм.

Использовали пресс-форму, выполненную в виде трубы с внутренним диаметром 100 мм.

Осуществляли статическую нагрузку на заготовку давлением 25 МПа с помощью пуансона, движущегося со скоростью 3 мм/с.

Одновременно на заготовку воздействовали одномерными ультразвуковыми колебаниями в полосе частот, направленными вдоль продольной оси пресс-формы. Указанные УЗ колебания возбуждали с помощью излучателя, описанного в примере 1, при этом параметры возбуждения были аналогичны тем, которые приведены в примере 1.

По окончании процесса формования снимали внешнее силовое воздействие и осуществляли сушку изделия в пресс-форме до относительной влажности 12%, после чего извлекали изделие из пресс-формы.

Получили готовое изделие диаметром 100 мм и длиной 400 мм.

Исследовали физико-механические характеристики изделия.

Коэффициент уплотнения составил 1,4; плотность изделия составила 890 кг/м³.

Для сравнения, плотность аналогичного образца, не прошедшего уплотнения и высушенного до относительной влажности 12%, составила 635 кг/м³.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон R_СЖ составил 76 МПа; предел прочности при скалывании вдоль волокон Р_СК составил 11,8 МПа; предел прочности при статистическом изгибе R_ИЗГ составил 120 МПа; торцевая твердость Н_Т составила 90,5 МПа.

Полученные значения плотности, пределов прочности и величины твердости превысили значения указанных показателей для неуплотненной березы соответственно в 1,4; 1,38; 1,31; 1,14 и в 1,64 раза.

Проводили оценку равноплотности прессованного изделия, для чего исследовали рентгенограммы поперечных срезов изделия по его длине. Исследования показали равномерное уменьшение расстояний между годичными кольцами, что свидетельствует о равномерном воздействии УЗ колебаний во всем объеме изделия.

Формула изобретения

1. Способ формообразования изделий из многофазных материалов, включающий воздействие на помещенный в пресс-форму материал квазистатического усилия прессования, отличающийся тем, что возбуждение в материале ультразвуковых колебаний осуществляют путем воздействия на материал широкополосным акустическим сигналом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в материале возбуждают многомерное поле ультразвуковых колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2