книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов
..pdfМежду ними автоматически пропускают (наматывают) ради ально и циркулярно пучки нитей (рис. 3.20, а). Оборудование процесса позволяет изменить направление плетения, прибли жая форму заготовки к заданной. После намотки другая ма шина автоматически заменяет стержни нитями. Эту операцию называют прошивкой (шнуровкой). Способ позволяет получить 50%-ную экономию материалов и 15-кратный выигрыш вре мени по сравнению с ручным способом.
6 |
г |
Рис. 3.20. Технологические схемы получения криволинейных ПАС:
а —радиально-циркулярная намотка; б - аксиально-спиральная намотка; в - радиально-спиральная намотка; г - аксиапьно-радиально-спиральная намотка
Развитием данного способа можно считать создание станка, реализующего схему переплетения согласно рис. I 28, к. Осо бенность технологии заключается в том, что в процессе изго товления цилиндрической заготовки автоматически обеспечи вается переплетение спиральных слоев нитей на внутренней поверхности контура (рис. 3.20, б).
Полые цилиндрические и конические ПАС (см. рис. 1.28, л) получают на полностью автоматическом намоточном оборудо вании в соответствии с двумя технологическими схемами. Со гласно первому способу, изготовление ПАС осуществляется за два этапа. На первом этапе с помощью специального станка изготавливается ворсовая лента и наматывается на оправку. Получается так называемое ворсовое покрытие (ворсовый “еж”). Оправка с ворсовым покрытием перемещается на второй станок для намотки спиральных слоев (рис. 3.20, в). Сущность второго способа получения такой ПАС заключается в том, что в предварительно изготовленную по форме внутреннего про филя изделия подложку из углерод-углеродного войлочного материала вставляются жесткие углеродные стержни. В про странство между стержнями заматывают углеродные волокна вдоль образующей и по спиральной траектории до необходимой толщины. Подложка удаляется на промежуточных стадиях по лучения УУКМ, когда ПАС приобретает достаточную жест кость.
Совершенствованием этого способа изготовления ПАС яв ляется переход от трехмерной к четырехмерной схеме армиро вания (см. рис. 1.28, и). Машины для плетения ПАС созданы на базе стандартного текстильного оборудования. Особенность процесса заключается в том, что на специальной плетельной машине переплетается ЭПАС трех направлений. Образованное переплетение укладывается на поверхность оправки коаксиаль ными слоями между предварительно установленными радиаль ными стержнями со строгим соблюдением заранее заданных направлений армирования (рис. 3.20, г).
Для получения ПАС прошивкой слои углеродной ткани выкладывают на оправку, копируя внутренний профиль изде лия. После набора требуемой толщины прошивают пакет слоев углеродной швейной нитью. Прошивку осуществляют на швей ной машине челночного типа или на машине с односторонней прошивкой с помощью кривой иглы.
Технология насыщения каркасов углеродной матрицей, карбонизации и графитизации УУКМ описана в гл. 1.
3.5. Механическая обработка композитов
Для получения требуемых технологических параметров (точности, шероховатости и др.) деталей и узлов применяют как традиционные методы механической обработки, так и новые, основанные на использовании энергии водяной струи, лазерных методов, комбинированных методов обработки и др. Эти методы обладают известными преимуществами: простотой, высокой производительностью, малой энергоемкостью, хоро шим качеством поверхностного слоя. Новые методы обработки, как правило, используют в том случае, когда традиционные методы не могут обеспечить требуемые технологические харак теристики. Например, для получения отверстий малого диа метра (0,05 мм и менее) с успехом применяют лазерные уста новки.
Для изготовления изделий из КМ наиболее широко приме няют следующие виды механической обработки: точение, свер ление, зенкерование, развертывание, разрезка, шлифование, нарезание резьбы.
Накопленный опыт показывает, что несмотря на различия составов и свойств материалов, их обрабатываемость по ряду критериев идентична. Поэтому целесообразно подразделять ма териалы по обрабатываемости на группы, и в дальнейшем при появлении новых материалов прогнозировать режим обработки на основании предложенной классификации.
Обрабатываемость того или иного материала - понятие комплексное. Ее основные показатели: интенсивность затуп ления режущего инструмента, характеризуемая скоростью ре зания при определенной стойкости; качество поверхностного слоя, постоянство размеров в пределах допусков и другие пара метры; сила резания и расходуемая мощность.
Анализ свойств и состава применяемых материалов позво ляет выделить основные критерии, по которым их следует относить к той или иной группе обрабатываемости. Это, в первую очередь, тип связующего (термопластичный или тер мореактивный). Важным фактором является тип наполнителя, т.е. его состав (органический или неорганический), его физи ческая природа и свойства, и, наконец, - структура наполни теля (волокнистый, листовой, порошкообразный и
18-243 |
273 |
Особенности процесса резания и формирования поверхностного слоя
Обработка резанием КМ имеет ряд особенностей, отлича ющих их от аналогичной обработки металлов. Эти особенности сводятся к следующему.
1.Ярко выраженная анизотропия свойств. Это определяет различие процесса резания при обработке вдоль и поперек армирующих волокон. Схема армирования существенно влияет на качество и производительность обработки. Поэтому при разработке технологической операции механической обработки КМ следует учитывать также направление обработки относи тельно направления армирования.
2.Сложность получения высокого качества поверхностного слоя. Слоистая структура приводит к тому, что при износе инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при пере крестном армировании, наблюдается разлохмачивание перере занных волокон, что приводит к ухудшению качества поверх ностного слоя, поэтому иногда применяют дополнительную отделочную операцию, например зачистку шкуркой.
3.Высокая твердость наполнителя у некоторых КМ вызы вает целый ряд трудностей при их обработке. Например, у материалов на основе волокон бора микротвердость наполни теля составляет 40...43 ГПа, что превосходит твердость быстро режущих сталей (их твердость 8... 10 ГПа) и твердых сплавов (их твердость 10... 16 ГПа) в несколько раз и соизмерима с микротвердостью синтетических алмазов АС6 (89 ГПа) и “Эль- бора-Р” (84 ГПа). Поэтому при обработке таких материалов возможно применение только сверхтвердых материалов.
4.Низкая теплопроводность материалов, обусловливающая плохой отвод теплоты из зоны резания со стружкой и в обра батываемое изделие. Поэтому при обработке высокопрочных КМ основная доля теплоты отводится через режущий инстру мент. Согласно экспериментальным данным, тепловой баланс при обработке ПКМ следующий: в инструмент — 90 %, в
стружку - 5 %, в обрабатываемую деталь — 5 %, в то время как при обработке металлов иногда до 90 % теплоты уносится стружкой и только 10 % поглащается деталью и инструментом.
5.Интенсивное абразивное воздействие наполнителя. Наи большие трудности вызывает обработка высокопрочных ПКМ, так как наполнителем в них являются стеклянные, борные, угольные волокна, обладающие высокой твердостью и абразив ной способностью.
6.Высокие упругие свойства. Силы резания при обработке ПКМ в 10...20 раз ниже, чем при аналогичной обработке ме таллов, а упругие характеристики выше, поэтому их точность обработки в меньшей мере определяется упругими деформа циями системы станок—приспособление—инструмент. На точ ность изделий из высокопрочных материалов при их обработке резанием влияют упругие деформации самих деталей.
7.Невозможность применения в большинстве случаев сма зочноохлаждающих жидкостей. Это обусловливается тем, что большинство материалов обладает высоким влагопоглощением. Поэтому применение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительной операции — сушки изделия - или вообще недопустимо из-за необратимого изменения физико
механических свойств.
8. Специфические требования техники безопасности при резании композиционных материалов. Это связано с выделе нием мельчайших частиц материала при резании.
Состояние поверхностного слоя играет очень важную роль
вобеспечении высоких эксплуатационных показателей изде лий. В условиях эксплуатации изделий внешним воздействиям
впервую очередь подвергается поверхностный слой детали. Поверхностный слой оказывает существенное влияние на мно гие эксплуатационные характеристики изделий: прочность, износ, диэлектрические показатели, влагопоглощаемость и др.
Механическая обработка существенно изменяет свойства поверхностного слоя, а следовательно, и эксплуатационные показатели. При механической обработке происходит измене ние состояния поверхностного слоя (в частности, шерохова тости), перерезание армирующих волокон. Перерезание арми рующих волокон при обработке резанием приводит к сниже нию прочности изделий до 20 %.
Шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение
ипрочностные характеристики, так и на другие показатели
18 |
275 |
качества (износостойкость, аэродинамические характеристики
и Т . Д . ) .
Механическая обработка изделий из композитов интенси фицирует, как известно, процесс водопоглощения. Это проис ходит за счет того, что при обработке, во-первых, снимается всегда имеющийся на поверхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитным слоем; во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя; при этом об разуются микротрещины и другие дефекты материала, нару шающие его сплошность. Если же при обработке применяют СОЖ, то процесс водопоглощения ускоряется еще интенсив нее.
Установлено, что механическая обработка активизирует процесс водопоглощения. Отсюда следует, что при шереховатости поверхности целесообразно назначать микронеровность < 40 мкм. В этом случае влияние механической обработки на водопоглощение будет сведено к минимальному. Если, со гласно условиям эксплуатации и возможностям технологичес кого процесса обработки, высота микронеровностей составляет 40 мкм, то для уменьшения активности водопоглощения не обходимо защищать поверхности изделия, например, с помо
щью ее окраски или покрытия лаком.
Исследование процесса водопоглощения и влияния на него механической обработки приводит еще к одному важному вы воду. Речь идет о применении СОЖ при обработке. Несмотря на малое время контакта поверхности детали с СОЖ, процесс водопоглощения будет проходить активно, что во многих слу чаях потребует дополнительной операции — сушки изделия после обработки. Поэтому в большинстве случаев механичес кую обработку следует выполнять без охлаждения СОЖ или, в случае крайней необходимости, с охлаждением, например, сжатым воздухом.
При механической обработке КМ всегда имеет место де струкция полимерного связующего, а при обработке таких ма териалов, как органопластики — и деструкция полимерного наполнителя. Кроме того, при обработке происходит разруше ние армирующих волокон. В результате этих процессов обра зуется деструктированно-диспергированный слой, который ухудшает эксплуатационные характеристики изделий.
Токарная обработка
Токарную обработку применяют при изготовлении деталей типа оболочек, втулок, колец, заглушек. Такие детали обраба тывают на универсальных токарно-винторезных станках и на специальных станках.
Базирование деталей типа оболочек осуществляют по от верстию при помощи конических грибков с насечкой на ко нусной части, гладких конических грибков, разжимных колец с буртами, разжимных колец типа кулачковых патронов. При обработке оболочек большой длины для уменьшения прогибов применяют люнеты.
Требования точности размеров при обработке оболочек не высоки и соответствуют 11-му, 12-му квалитетам, параметр шероховатости поверхности ^ > 20 мкм, поэтому при таких требованиях к точности и шероховатости зачастую обработку осуществляют за один проход с полным снятием припуска (глубина резания до 5 мм). Чистовую обработку со снятем малых припусков (глубина резания до 1 мм) применяют срав нительно редко.
Точение изделий из стеклоуглепластиков
Для рационального построения технологического процесса токарной обработки необходима оптимизация наиболее важ ных структурных составляющих процесса точения: инструмента (т.е. его геометрических параметров и свойств инструменталь ного материала), режимов резания (скорости резания V, глуби ны резания 5 и подачи /) и качества обработанной поверхности.
Результаты большинства исследований показали, что наи более оптимальным инструментальным материалом при обра ботке стеклопластика являются однокарбидные твердые спла вы. Стеклопластики имеют низкую теплопроводность, они яв ляются термореактивными материалами; в зоне резания тем пература не должна превышать 300 °С. Выше этих температур происходит их размягчение и выгорание, а также интенсивная термодеструкция связующего. Поэтому для поддержания ука занных температур при значительных скоростях резания ин струментальный материал должен иметь высокую теплопровод ность.
Так, теплопроводность однока^бидных вольфрамокобальто вых твердых сплавов в 1,6...2,6 раза выше, чем двухкарбидных сплавов, а это означает, что их стойкость при одинаковой твердости различается порой в шесть раз. Рекомендуется при менение сплавов марок ВКЗМ, ВК2, ВК4.
При назначении марки твердого сплава следует иметь в виду, что с повышением содержания кобальта в сплаве увели чивается его прочность, но снижается износостойкость, поэ тому легко объяснима более высокая стойкость сплавов с мень шим содержанием кобальта. Коэффициенты стойкости Кс раз личных марок твердых сплавов при обработке стеклопластиков
с л е д у ю щ и е : |
|
В К 8 |
1 ,0 |
В 2 5 3 |
2 ,2 |
В К З М |
1 ,7 |
В К 2 |
1 ,7 |
В К 4 |
1 ,4 |
В К 6 М |
1 ,4 |
В К 8 Н В |
1 ,0 |
Т Т 1 0 К 8 Б |
0 ,7 |
Т 3 0 К 4 |
0 ,2 5 |
Т 1 5 К 6 |
0 ,2 5 |
Изнашивание твердых сплавов при обработке стеклоплас тиков происходит главным образом за счет абразивного исти рания кобальта и выпадения вследствие этого отдельных зерен карбидов. Этим можно объяснить и более высокую стойкость мелкозернистых сплавов с достаточно высоким содержанием кобальта, например ВК6М.
При выборе оптимальных геометрических параметров сле дует учитывать особенности резания композитов. Известно, что КМ обладают высокой упругостью и при резании имеют боль шие фактические площади контакта по задней поверхности. Поэтому при обработке стекло- и углепластиков оптимальные значения заднего угла а намного больше, чем при резании металлов. Оптимальными будут значения а при обработке стек лопластика (аопт = 20°) и при обработке углепластика (аопт =
= 25...30°). Для сравнения оптимальные значения угла а опт при
обработке большинства металлов и сплавов находятся в диа пазоне от 8 до 12°.
Следовательно, необходимость применения больших задних углов у являетя отличительной особенностью про ектирования инструмента для обработки стекло- и угле пластиков.
Оптимальные значения передних углов у при обработке рассматриваемых материалов составляет 10...15°.
Оптимальные геометрические параметры режущей части резцов для обработки стекло- и углепластиков приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Геометрические параметры режущей части резцов, применяемых для обработки стекло- и углепластиков
Примечание: ср, <р} —углы в плане; г - радиус при вершине; 1у—длина
фаски.
Данные для выбора оптимальных скоростей резания при точении стеклопластика приведены в табл. 3.4.
Точение осуществляют резцами из твердого сплава ВК8, поэтому при использовании других видов инструментальных материалов все значения скорости резания следует умножать на поправочные коэффициенты.
Таблица 3.4
|
Значения скорости резания при точении стеклопластика |
|
||||||||
Глубина |
Скорость резания V, |
Глубина |
Скорость резания |
V , |
||||||
м/с, при подаче 5, |
м/с, при подаче 5, |
|||||||||
резания. |
резания, |
|||||||||
I |
мм/об |
|
|
мм/об |
|
|||||
М М |
1Гол |
0.2 |
1 0.3 |
1 0,4 |
М М |
° л 1 -Д 2 |
0,3 |
0,4 |
||
До 0,5 |
1,0 |
0,80 |
0,68 |
0,62 |
2,0-2,5 |
0,57 |
0,43 |
0,37 |
0,33 |
|
0,5-1,0 |
0,80 |
0,62 |
0,53 |
0,48 |
2,5-3,0 |
0,52 |
0,40 |
0,35 |
0,32 |
|
1,0-1,5 |
0,68 |
0,53 |
0,45 |
0,42 |
3,0-4,0 |
0,47 |
0,37 |
0,32 |
0,28 |
|
1,5-2,0 |
0,62 |
0,47 |
0,40 |
0,37 |
|
|
|
|
|
|
Сверление изделий
Одной из наиболее часто встречающихся и в то же время наиболее трудоемкой операцией при обработке является опе рация сверления. Достаточно отметить, что трудоемкость свер лильных операций на некоторых изделиях достигает 70...80 % от общей трудоемкости процесса механической обработки. Ес тественно, что в этих условиях неправильный выбор режущего инструмента и режимов резания приводит к значительным издержкам.
Отверстия в ПКМ сверлят как в направлении армирующих волокон, так и перпендикулярно им, причем различают свер ление отверстий сквозных и глухих. У глухих отверстий торец должен быть перпендикулярен оси. Требования к точности отверстий относительно невелики и не превышают, как пра вило, 11-й, 12-й квалитеты: параметр шероховатости поверх ности должен соответствовать к г > 20 мкм. При таких требо ваниях к точности и шероховатости поверхности в большинстве случаев удовлетворительные результаты получают при сверле нии твердосплавными сверлами из быстрорежущей стали. Од нако появление таких материалов, как боропластики, делает порой невозможным применение традиционных инструментов и приводит к необходимости применения инструментов из сверхтвердых материалов.
Процесс сверления ПКМ сверлами из быстрорежущих ста лей и твердых сплавов изучен достаточно полно. Что же каса