книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

Повышение температуры переработки конструкционных ТКМ сужает круг выбора материалов ЭФЭ. Особенность экс­ плуатации заключается в том, что ЭФЭ находятся в условиях всестороннего сжатия в замкнутом объеме при повышенных температурах. Таким образом, материалы ЭФЭ для переработки ТКМ должны обладать следующими свойствами:

высокой эластичностью, необходимой для передачи давле­ ния равномерно по всем направлениям;

стабильностью свойств при длительном нахождении в ус­ ловиях замкнутого объема при температурах эксплутации;

значениями КЛТР не ниже 250 10~° °С-1, постоянными в процессе эксплуатации.

Установлено, что из серийно выпускаемых отечественной промышленностью эластомеров только резины на основе силоксановых каучуков обладают свойствами, удовлетворяющи­ ми предъявляемым требованиям. Составы на их основе обес­ печивают различные значения КЛТР, обладают хорошей теп­ лопроводностью, высокой стабильностью размеров при много­ кратном использовании. При температурах до 200 °С матери­ алом ЭФЭ может быть резина на основе силиконового каучука СКТВ-1.

При использовании термокомпрессионного метода прессо­ вания можно получать равнотолщинные изделия с качественно отформованными стенками. При этом трудоемкость изготов­ ления технологической оснастки снижается, а уровень физи­ ко-механических характеристик повышается за счет более рав­ номерного распределения давления формования.

Особенности конструирования деталей с учетом технологии прессования

Основные принципы конструирования изделий, получае­ мых методом прессования, помогают избежать ошибок на ста­ дии проектирования, если учитываются технологические воз­ можности метода формования.

При конструировании детали следует учитывать, что на ее конечную форму и качество оказывают влияние:

геометрическая форма детали (габаритные размеры, толщи­ на стенок, наличие выступов, отверстий, арматуры, их взаим­ ное расположение и т.д.);

технология изготовления деталей (температурные и времен­ ные режимы процесса изготовления, применяемые давления, режимы охлаждения и т.д.);

ориентация материала при заполнении формы и время ее заполнения.

Влияние формы детали на конечные размеры. Детали из тер­ мореактивных композиций, имеющие Т-образное поперечное сечение, коробятся с утягиванием к основанию полки Т-об­ разного сечения, так как вследствие разного охлаждения внут­ ренняя часть охлаждается медленнее, чем наружная, что и вызывает соответствующую усадку (рис. 2.28, а).

Детали, имеющие подковообразное сечение (рис. 2.28, б), деформируются в сторону разгибания (эффект остаточного пружинения). Наличие пазов и вырезов на поверхности детали влияет на протекание усадочных процессов, приводящих к овальности деталей и искажению формы паза (рис. 2.28, в).

Рис. 2.28. Влияние формы деталей на конечные размеры:

а ~ усадка; б—остаточное пружение; в —искажения формы; — по чертежу;

----- фактическое

Арматура отрицательно влияет на точность детали; размер детали оказывается тем больше, чем больше число армирующих вставок он пересекает. После извлечения из формы деталь имеет изогнутость, обращенную выпуклостью в ту сторону, где температура формы была больше. Отклонения от геометричес­ кой формы плоских поверхностей непосредственно зависят от площади детали.

Технологические уклоны, радиусы. Прессовый уклон (конус­ ность) должен иметь направление и величину, обеспечивающие нормальный разъем пресс-формы, извлечение оформляющих элементов и изделия из пресс-формы. Уклон для несопрягаемых размеров назначают в диапазоне значений от 1,5 до 3°.

Уклоны внутренних поверхностей и отверстий следует делать большими, чем уклоны по наружному контуру деталей. При назначении уклонов крупногабаритных и сложнопрофильных деталей необходимо учитывать силы, возникающие при извле­ чении их из формы и предел прочности материала детали при сжатии. Поэтому детали из материалов с низкими пределами прочности при сжатии должны иметь увеличенные уклоны.

При конструировании прессуемых деталей рекомендуется избегать поднутрений, препятствующих извлечению детали из формы. При наличии поднутрений требуются дополнительные плоскости разъема форм, что приводит к последующей зачист­ ке деталей.

Острые углы у прессованных деталей не рекомендуются, их можно сохранять только на гранях, примыкающих к плоскости разъема пресс-формы. Радиусы округлений должны составлять не менее 1,5...3,0 мм.

Оформление стенок деталей. В силу особенностей физико­ механических процессов при прессовании стенки детали долж­ ны иметь равномерную толщину. В случаях, когда по условиям прочности толщина стенок не может быть одинаковой, реко­ мендуется избегать резких переходов от одного сечения в дру­ гое.

Разнотолщинность деталей допускается не более 2:1 при прямом прессовании и не более 2,5:1 —при литьевом.

Толщину стенки сложных сечений, за исключением отдель­ ных случаев, не рекомендуется назначать свыше 10... 12 мм. Минимальные значения толщины стенки определяют исходя из прочностного расчета детали. Для ее уменьшения предус­ матривают ребра жесткости.

Толщина ребра жесткости не должна превышать толщину стенки детали или ее элемента, к которому они примыкают. Оптимальная толщина ребер жесткости должна быть не более 0,6...0,8 толщины сопрягаемой стенки.

Ребра жесткости рекомендуется располагать на прямых участках элементов детали.

При конструировании ребристых панелей, днищ и крышек с плоской поверхностью необходимо стремиться к диагональ­ ному, диаметральному или шахматному расположению ребер, причем форма их сечения должна быть постоянной по всей длине.

Оформление резьб. В деталях, получаемых прессованием, резьбы можно оформлять в процессе формования армирова­ нием и механической обработкой. Наиболее технологичны резьбы, получаемые непосредственно формованием.

Силовые резьбы, а также резьбы на деталях, которые под­ вергаются частой сборке и разборке, рекомендуется армировать металлом. Наиболее прочной является метрическая резьба с шагом 1,5 мм.

Резьбу малого диаметра (менее 2,5 мм) не рекомендуется использовать также, как и мелкую резьбу с шагом менее 0,5 мм.

Оформление отверстий. Отверстия в прессуемых деталях можно получить:

полным оформлением в пресс-форме; частичным оформлением в пресс-форме с последующим

сверлением; сверлением и другими способами.

Отверстия в деталях по форме должны быть простыми. Сквозные отверстия являются более технологичными, чем глу­ хие.

Перемычку между соседними отверстиями или отверстием и краем детали назначают не менее диаметра отверстия для термопластичных композитов, а для термореактивных выбира­ ют по табл. 2.6.

Максимальное отношение глубины вертикального отверс­ тия к диаметру зависит от метода прессования и диаметра отверстия. Для диаметров от 3 до 50 мм это отношение нахо­ дится в диапазоне (2,5...5,0) для прямого прессования и в

диапазоне (5,0... 15) —для литьевого прессования. Максималь­ ная длина горизонтальных отверстий не должна превышать двойного диаметра.

2.8. Формообразование намоткой

Получение конструкций методом намотки явилось в 60-х годах подлинным прогрессом в технологии производства изде­ лий из ПКМ. Это закономерно, поскольку метод намотки позволил получить высокопрочные материалы в конструкциях аэрокосмической и ракетной техники и заключал в себе огром­ ные возможности совершенствования, многие из которых се­ годня реализованы.

Намотка —технологический процесс, при котором непре­ рывный армирующий наполнитель в виде нитей, лент, жгутов, тканей, пленок пропитывается полимерным связующим, пода­ ется на оправку, имеющую конфигурацию внутренней поверх­ ности изделия и укладывается по ее поверхности в заданном направлении. После получения необходимой схемы армирова­ ния, заданной толщины и структуры материала производится отверждение изделия тем или иным способом и удаление оп­ равки. Иногда оправка может быть элементом наматываемой конструкции, например, герметизирующей оболочкой.

Методом намотки изготавливают изделия, имеющие форму тел вращения: баллоны давления, баки, корпуса ракетных дви­ гателей, головные части, отсеки ракет, транспортно-пусковые контейнеры, корпуса подводных аппаратов, стволы орудий и корпуса снарядов, жидконаливные цистерны, трубопроводные магистрали, коробчатые шпангоуты, воздухозаборники самоле­ тов, лопасти винтов вертолетов, различные профили, простран­ ственно изогнутые трубы и т.д.

Основным элементом перечисленных конструкций являет­ ся тонкостенная силовая оболочка. Геометрически она обра­ зована вращением двух плоских кривых вокруг неподвижной оси, лежащей в плоскости этих кривых. Расстояние между кривыми называют толщиной оболочки Лоб, а среднюю кривую У — / (г) — образующей или меридианом (рис. 2.29, а).

Структура материала оболочки создается в результате набо­ ра (намотки) я-го количества слоев, которые образуют узор

намотки или схему армирования оболочки. При этом основным элементом намотки является форма витка нитей, укладывае­ мого на поверхность. В зависимости от формы витка различают спиральную и планарную (плоскостную) намотки.

Рис. 2.29. Геометрическое представление оболочки вращения:

а — основные геометрические формы; б —геометрические параметры и положение нити на поверхности вращения общего вида; гп — радиус полюсного отверстия

Спиральный виток представляет собой замкнутую (или ра­ зомкнутую) пространственную кривую. Главная разновидность спирали — геодезическая кривая или линия, которая опреде­ ляется уравнением Клеро (рис. 2.29, б):

г • sin р = R • sin ро = const,

где р = / (г) —текущий угол намотки; R —максимальный радиус вращения; ро —расчетный угол намотки.

Геодезическая линия — это кратчайшее расстояние между двумя точками на поверхности, например прямая линия на плоскости, винтовая линия на цилиндре, окружность большого диаметра на сфере, все меридианы оболочек вращения.

При планарной намотке (например, при намотке по мери­ дианам и широтам) форма витка нитей представляет собой плоскую замкнутую кривую.

Технология изготовления изделий из КМ методом намотки имеет ряд преимуществ по сравнению с другими известными методами переработки композитов в изделия. Важнейшими из этих преимуществ являются, во-первых, возможность наиболее

Рис. 2.30. Схема “сухой” намотки препрегом изделия:

1 - оправка; 2 - бобина с препрегом; 3 —разделительная пленка; 4 - нагреватель; 5 — суппорт; 6 — каретка; 7 - головка; 8 — устройство натяжения; I-.IV —степени подвижности станка

Способ “мокрой” намотки отличается тем, что пропитка армирующего волокнистого материала связующим и намотка на оправку совмещены. При способе “мокрой” намотки (рис. 2.31) нити, предварительно подсушенные горячим возду­ хом, попадают из шпулярника на индивидуальные натяжатели, собираются в прядь и поступают в пропиточно-натяжной тракт. Пропитка армирующего волокнистого материала связующим осуществляется одним из следующий способов; протягиванием нитей через ванночку со связующим; контактированием с ро­ ликом, купающимся в связующем; принудительной пропиткой в клиновой или вакуумной камере.