книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

этом знакопеременными температурными полями, если агрегат не подвергается термостатированию и не закрыт экранно-ва­ куумной термоизоляций (ЭВТИ). Если агрегат термостатируется и закрыт ЭВТИ, то в этом случае применение полимерных композитов в конструкции агрегата не будет эффективным, поскольку полимерные материалы плохо проводят теплоту, и для перераспределения теплоты внутри агрегата необходимо будет внутреннюю часть агрегата обклеивать алюминиевым листом толщиной не менее 0,8..Л мм. В обитаемых отсеках также ограниченно применяют полимерные материалы. Затруд­ нено использование ПКМ и для агрегатов, в которых необхо­ димо поддерживать внутреннее давление. При этом следует принимать специальные меры, связанные с герметизацией самой структуры материала или внесением в конструкцию внутреннего герметизирующего слоя, что вызывает дополни­ тельные трудности.

Требования к созданию конструкций

При создании конструкции детали из КМ необходимо пра­ вильно выбрать материал с учетом особенностей его поведения в условиях переработки и оценить его работоспособность в эксплуатационных условиях. Конструкция должна позволять достаточно точно и быстро выбирать технологически осущест­ вимый и наиболее экономически целесообразный вариант из­ готовления детали. Процесс конструирования детали связан с анализом различных вариантов технологии ее изготовления, тем более, что оформление конструкции детали чаще всего происходит в процессе формования материала. Конструктор выбором материала в значительной степени предопределяет технологию изготовления детали, поэтому он обязан знать ос­ новные методы переработки материалов, особенности офор­ мления различных элементов конструкции, производственные возможности предприятия, на котором планируется изготовле­ ние деталей.

Для создания технологичной конструкции детали необхо­ димо знать условия работы и эксплуатации детали в изделии; механические, теплофизические, электроизоляционные и дру­ гие свойства применяемых материалов; технологические осо­ бенности переработки материалов.

Кроме того, требуется учитывать серийность изготовления, поскольку конструкция массового выпуска может существенно отличаться от конструкции детали, предназначенной для вы­ пуска в незначительном количестве. В первом случае может быть оправдана и сложная оснастка и специальное оборудова­ ние, во втором случае выгоднее изготавливать детали на уни­ версальном оборудовании с применением простой оснастки.

2.2. Общая характеристика технологических процессов

Отличительная особенность изготовления деталей из ПКМ, как уже отмечалось, состоит в том, что материал и изделие в большинстве случаев создаются одновременно. При этом из­ делию сразу придают заданные геометрические размеры и форму, что позволяет существенно снизить его стоимость и повысить конкурентоспособность .по сравнению с изделиями из традиционных материалов, несмотря на то что полимерные связующие и волокнистые наполнители имеют сравнительно высокую стоимость.

Для широкого использования КМ требуется создавать новые высокопроизводительные технологические процессы, обеспечивающие наивысшее качество изделий при минималь­ ной трудоемкости их изготовления.

Вотличие от металлообрабатывающих технологий процессы производства изделий из композитов позволяют существенно повысить коэффициент использования материала и довести его до значений 0,8...0,95. Кроме того,, по сравнению с металли­ ческими конструкциями удается сократить количество техно­ логических разъемов в изделиях сложной формы, устранить целый ряд сборочных операций, таких как клепка, сварка, заменив их клеевыми и клеемеханическими соединениями, образуемыми непосредственно при формовании. В связи с этим может быть достигнуто снижение трудоемкости изготовления изделий по сравнения с металлическими аналогами в 1,5 — 2,5 раза.

Всилу конструктивного исполнения изделия из КМ еди­ ничны, однако их можно классифицировать в соответствии с

типовыми технологическими процессами производства и при­ меняемыми материалами.

Элементами типизации технологического процесса являют­ ся: используемое унифицированное оборудование, типовая ре­ цептура связующих, клеев, растворов, расплавов, типовые на­ полнители, технологические режимы изготовления композит­ ных конструкций. В остальном технологии изготовления кон­ струкций из композитов так же неповторимы, как и сами конструкции.

К элементам индивидуализации технологического процесса можно отнести оснастку, программы намотки, выкладки, ис­ пользуемые методы контроля и приемосдаточных испытаний.

Процесс производства конструкций из КМ представляет собой сложную многоуровневую систему взаимосвязанных и взаимообусловленных технологических приемов и операций, обеспечивающих в конечном счете весь комплекс проектно­ конструкторских и функциональных качеств изделия, физико­ механических, теплофизических и специальных свойств мате­ риалов в этом изделии.

Каждое качество обретается объектом производства в ре­ зультате выполнения соответствующей технологической опера­ ции, направленной на придание ему того или иного свойства. Такая операция представляет собой автономную систему (или подсистему) взаимосвязанных технологических приемов и переходов, объединенных единым технологическим методом и решаемой с его помощью задачей. Иными словами, каждая операция организуется из приемов, реализующих определен­ ный технологический метод производства для достижения част­ ной технологической задачи (например, приготовление связу­ ющего, изготовление непрерывной однонаправленной ленты, формирование корпуса намоткой однонаправленной ленты, операция отверждения намотанной заготовки, операция меха­ нической обработки и т.п.). Процесс производства конструкции из композитов — это набор самых разнообразных технологи­ ческих процессов. Объект производства при этом, проходя по определенному технологическому маршруту от операции к опе­ рации, претерпевает количественные и качественные измене­ ния до тех пор, пока по всем показателям не будет соответст­ вовать уровню требований технического задания. Обычно

объект производства на промежуточных этапах технологичес­ кого процесса называют полуфабрикатом. Полуфабрикат, по­ ступающий на операцию, принято называть заготовкой (для данной операции), а выходящий с этой операции — ее полу­ фабрикатом (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Модель операционной системы технологического процесса

Качественные и количественные показатели заготовки, по­ ступающей на операцию, характеризуются массивом величин [Л^, Х2, А з,...,^], называемых “входами” [А)]. Соответствующие показатели полуфабриката на выходе с данной операции на­ зывают “выходами” [1Д.

Операция (ее технология, приемы, действия) реализуется с помощью технических средств (оборудования, приспособле­ ний, другой технологической оснастки, приборов контроля режимов и качества, средств управления), объединенных в операционные технологические системы, которые характери­ зуются “составом”, т.е. набором элементов, обладающих опре­ деленными свойствами. Очевидно, что для решения задач тех­ нологического проектирования и постановки изделия на про­ изводство следует для каждой операции технологического про­ цесса иметь модель функциональной взаимосвязи у,- = / (А})

(см. рис. 2.2).

Для каждой операции технологического процесса, необхо­ димо проанализировать, а при проектировании обосновать:

заготовку, ее технологические свойства и показатели качества; полуфабрикат и его характеристики качества;

технологическую систему, ее элементы, их технические ха­ рактеристики, а также структуру системы;

технологические приемы, действия и последовательность их выполнения;

математические модели операции и ее элементов; режимы функционирования технологической системы при

выполнении конкретной операции.

Технология изготовления деталей из ПКМ включает в себя следующие основные операции: подготовку армирующего напол­ нителя и приготовление связующего; совмещение арматуры с мат­ рицей; формообразование детали; отверждение связующего в КМ; механическую доработку детали; контроль качества. Подготовка исходных компонентов заключается в проверке их свойств на со­ ответствие техническим условиям, а также в обработке поверхности волокон для улучшения их смачиваемости и увеличения прочности сцепления между наполнителем и матрицей в готовом ПКМ (уда­ ление замасливателя, аппретирование материала, активирование и химическая очистка поверхности, удаление влаги и т.п.).

Армирующие волокна совмещают со связующим прямыми или непрямыми способами (см. гл. 1).

К прямым способам можно отнести такие, при которых изделие формуется непосредственно из исходных компонентов КМ, минуя операцию изготовления из них полуфабрикатов.

Непрямыми способами изготовления называют такие, при которых элементы конструкции образуются из полуфабрикатов. В этом случае пропитка армирующих волокон связующим - это самостоятельная операция получения предварительно пропитан­ ных материалов (препрегов) - нитей, жгутов, лент и тканей, которые после подсушивания частично отверждаются.

Основные технологические процессы

В настоящее время известно множество технологических процессов переработки ПКМ в изделия различных размеров, конфигурации и целевого назначения. Основные технологи­ ческие процессы формования, применяемые в производстве из­ делий из ПКМ, а также рекомендуемые виды армирующих на­ полнителей и связующих для этих процессов приведены в табл. 2.1. Технологические процессы, применяемые в производстве полуфаб­ рикатов, таких как различные типы препрегов, углерод-углеродные каркасы, стренги, описаны в гл. 1.

связующие,

органические

жидкости

Каждый технологический процесс имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Кроме того, каждый процесс обу­ словлен предельными технологическими возможностями фор­ мообразования изделий, параметрами процесса (давление, тем­ пература, скорости формования и т.п.), геометрии, формы сте­ пенью автоматизации и реализации исходной прочности ком­ понентов и т.д. Эти предельные возможности, с одной стороны, заложены в самом методе формообразования, а с другой сто­ роны, ограничены параметрами технологического оборудова­ ния и оснастки.

Рассмотрим общую характеристику технологических про­ цессов формообразования изделий из ПКМ (см. табл. 2.1).

Контактное формование. Процесс КФ заключается в по­ слойной укладке заготовок из волокнистого наполнителя на форму вручную, напылением или с помощью специальных выкладочных центров. Пропитку заготовок можно осущест­ влять как на форме, так и предварительно с последующим удалением пузырьков воздуха из межслойного пространства. Этим способом можно изготавливать изделия практически любых размеров, но достаточно простой конфигурации. В США этот метод называют “метод ведра и щетки” (busket and brush).

Методом прессования получают детали и узлы разнообраз­ ного назначения, формы и размеров, обладающие высокой механической прочностью и жесткостью. Существует две раз­ новидности метода прессования: прямое и литьевое. Прямое горячее прессование рационально применять для изготовления деталей средней сложности, больших габаритов и массы; ли­

тьевое —для изготовления тонкостенных деталей сложной кон­ фигурации.

Формование эластичной диафрагмой. Процесс заключается в том, что изделие вакуумируется в резиновом мешке и форму­ ется под действием равномерного давления воздуха или смеси газов (в автоклаве), которое распределяется по всей поверхнос­ ти изделия. Этот способ применяют для получения качествен­ ных изделий с высокими упругопрочностными характеристи­ ками, поскольку процесс отверждения происходит при повы­ шенных температурах, а внешнее давление уменьшает порис­ тость и улучшает пропитку материала. К недостаткам способа относятся большие трудозатраты, энергозатраты, а также про­ блемы, связанные с выпуском крупносерийных партий изде­ лий.

Формообразование давлением. Процесс осуществляется ваку­ умной пропиткой или пропиткой под давлением связующего сухого армирующего материала, заложенного в форму. Эти способы формования применимы в основном для изготовления изделий, имеющих простую симметричную форму — днища, конуса, кожуха, полупатрубки. Кроме того, трудность изготов­ ления форм больших размеров, высокая стоимость оборудова­ ния ограничивают размеры изделий, изготавливаемых этим способом.

Прессование в формах открытого и закрытого типов. Способ контактного формования имеет ряд недостатков, которые про­ являются в условиях серийного производства. К ним относятся: значительный разброс показателей физико-механических свойств изделий, длительность процесса формования, тяжелые условия труда.

Однако применение способа КФ для производства крупно­ габаритных изделий в небольших количествах считают эконо­ мически целесообразным, так как не требуется сложной и дорогостоящей технологической оснастки и оборудования. К недостаткам этих способов относятся сравнительно низкие уп­ ругопрочностные характеристики материалов (особенно при литьевом прессовании) вследствие хаотичного расположения коротких волокон, армирующих материал, а также необходи­ мость использования дорогостоящих пресс-форм.