книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

размерам соответствующее толщине исходного волоконного пакета, уплотненного в холодном состоянии.

В случае изготовления профиля сложного сечения (швел­ лер, тавр, двутавр и т.п.) из заданного сечения пакета полу­ фабриката форма канала входной зоны должна соответство­ вать форме исходного пакета.

Зона охлаждения (или калибровки) имеет постоянное сечение по длине канала. Однако при назначении испол­ нительных размеров канала на выходе из фильеры следует ^ учитывать усадку материала профиля за счет его охлажде-

*ния в данной зоне, чтобы обеспечить заданные размеры изделия. Поскольку в зоне охлаждения идут процессы стек­ лования и кристаллизации матричного полимера, то ее влияние на качество получаемого изделия весьма значимо, следовательно, конструкция зоны должна содержать узел принудительного охлаждения с заданной скоростью. Рас­ пределение температур на границах зон фильеры (рис. 2.59) приведено в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Распределение температур в канале фильеры

Материал фильеры работает в условиях комплексного воз­ действия температур, абразивного износа и химического воз­ действия со стороны компонентов ТКМ, поэтому вкладыши канала необходимо изготавливать из жаростойких хромсодер­ жащих сталей, подвергнутых соответствующей термообработке и хромированию поверхности канала.

Несмотря на отмеченные недостатки, процесс пултрузии для изготовления длинномерных профилей из ТКМ любого сечения является наиболее перспективным и производитель­ ным, он обеспечивает максимальное воспроизводство свойств изделий, а также позволяет создавать высокоавтоматизирован-

скоростью пултрузии. В этих случаях пултрудируемый профиль является заготовкой для формования изделий конечной длины

иразмеров.

2.10.Технологии предварительного формования заготовок, деталей и матов

В производстве изделий из ПКМ с целью ускорения производственного процесса изготовления используют пред­ варительно отформованные заготовки, близкие по форме детали, а также маты, из которых формуются детали разной сложности прессованием в формах. К изделиям, которые могут быть получены такими методами, относятся кузовные детали автомобилей, тракторов, ратраков; различные контей­ неры, ящики, формы для отливки бетона, цветочные горшки, сидения автобусов и вагонов метро, корпуса маленьких лодок и т.п.

Детали, получаемые формованием заготовок и матов, об­ ладают рядом преимуществ: низкой стоимостью оснастки, не­ большими капитальными затратами, привлекательным внеш­ ним видом.

Методы предварительного формования заготовок

Различают следующие методы предварительного формова­ ния заготовок и матов: приточное насасывание; распыление; жидкостное насасывание; центробежная фильтрация; отлив пульпы.

Приточное насасывание. Метод заключается в собирании рубленого волокна на форме, придании ему очертаний изделия, которое должно быть отформовано, и сохранении его в таком состоянии до эффективной пропитки смолой. Для сбора руб­ леного волокна используют сетчатый каркас, имеющий форму изделия. Интенсивный поток воздуха, проходящий через сетку, затягивает в нее рубленое волокно и сравнительно равномерно распределяет по поверхности. На волокна напыляют связующее обычно в виде водяного раствора, чтобы сохранить приданную армирующему компоненту форму. Эмульсия высушивается или отверждается, после чего заготовку извлекают из сетки и по-

мещают в форму. Обычно для обеспечения необходимого сцеп­ ления волокон применяют около 5 % твердого связующего (от массы заготовки), но эта цифра может изменяться в зависи­ мости от формы и размера заготовки. Волокно используют в виде непрерывного жгута, намотанного на шпули. Этот жгут проходит через резательную машину (станок), где рубится на отрезки длиной 12,7...76 мм, в зависимости от типа машины и назначения изделия. Для более точного контроля конфигура­ ции детали можно использовать сочетание обрезков волокна различной длины. При глубокой вытяжке изделий со сравни­ тельно прямыми сторонами заготовки должны быть очень плотными, в противном случае они повредятся сдвиговой кромкой матрицы при закрывании формы.

Для получения плотных заготовок требуются высокая ско­ рость воздуха и, следовательно, большая мощность двигателя. Предельная толщина деталей, формуемых из заготовок, огра­ ничена всасывающей способностью машины. В большинстве случаев максимальная толщина составляет 6,5 мм. Для этого требуется расход воздуха 85 м3/мин и мощность 4,5 кВт/м2. Для получения более толстых изделий можно использовать две заготовки, положенные одна на другую. В действительности это требует применения двух сеток разного размера. Если изделие имеет большую толщину только на каком-то одном участке, то в этом месте на заготовку можно поместить кусок мата.

Схема устройства для формования заготовок методом при­ точного насасывания изображена на рис. 2.60. Жгут (ровинг) поступает на резательную машину, расположенную над при­ точной камерой. Рубленая пряжа направляется в распредели­ тельное устройство для разделения прядей и равномерного их распределения в приточной камере. Падающие отрезки волок­ на втягиваются в сетку для заготовок за счет всасывания, после чего на них напыляют связующее. Сетка обычно устанавлива­ ется на вращающемся поворотном столе для лучшего распре­ деления оседающего стекловолокна. Скорость вращения стола составляет 30...60 об/мин. После нанесения необходимого слоя стекловолокна заготовку вместе с сеткой переносят в печь, где она отверждается и высушивается. После этого заготовку из­ влекают из сетки, а последнюю возвращают в приточную ка-

лия, а затем опять возобновлен для напыления оставшегося количества рубленого волокна. После этого заготовку с сеткой переносят в печь для удаления воды из эмульсии и отверждения смолы.

Рис. 2.61. Схема получения заготовок распылением:

1 —ровинг; 2 —резательная машина для ровинга; 3 — гибкий шланг; 4 —турбулизатор потока воздуха; 5 — вентилятор; 6 — распыление связующего; 7 - сетка; 8 —вытяжной вентилятор; 9 — выпуск воздуха; 10 —поворотный стол

Преимущество этого процесса заключается в том, что опе­ ратор может обеспечить требуемую толщину заготовок, размер которых не ограничен. К недостаткам следует отнести потери волокна при всасывании в форму и загрязненность рабочего места. Кроме того, для успешного выполнения этого процесса требуется квалифицированный оператор.

Жидкостное насасывание. Процесс жидкостного насасывания предусматривает использование водных или органических (трансформаторное масло) суспензий, коротких волокон, ни­ тевидных кристаллов, которые фильтруются через ситчатую форму и осаждаются на ней. Схема процесса показана на рис. 2.62.

В этой установке смоченное в суспензии (пульпе) волокно попадает на ситчатую форму, котррая работает как фильтр. Центробежный насос, расположенный под камерой, откачива­ ет из нее очищенную пульпу в смесительную камеру аппарата непрерывного приготовления пульпы. Когда на форме образу­ ется достаточный слой материала, она поднимается из камеры

и высушивается горячим воздухом. Перед прессованием заготовка смачивается связующим и оконча­ тельно пропитывается в процессе прессования в форме.

К недостаткам этого метода можно отнести низкую скорость фильтрации, повысить которую при жидкостном насасывании очень трудно вследствие низкой проница­ емости получаемых волокнистых осадков, что объясняется повышен­ ной сжимаемостью некоторых типов волокон и кристаллов, когда при возрастании градиента давле­ ния одновременно возрастает плотность осадка, что в свою оче­ редь еще больше уменьшает порис­ тость и проницаемость мата.

Ввиду указанных обстоятельств метод жидкостного насасывания, осуществляемый путем жидкост­ ной фильтрации пульп, имеет ес­

тественные ограничения, поэтому при переработке нитевидных кристаллов малых диаметров и некоторых типов волокон этот метод может быть рекомендован лишь для получения тонких матов.

Центробежная фильтрация. Формование заготовок проис­ ходит как за счет осаждения волокон при фильтрации пульпы, так и за счет осаждения под действием центробежных сил.

Осаждение волокон при центробежном способе осущест­ вляется на внутренней поверхности вращающегося формооб­ разующего барабана (рис. 2.63). При этом фильтрация идет под действием столба жидкости. Благодаря воздействию центро­ бежных сил осаждение волокон многократно ускоряется. Поэ­ тому данный метод имеет высокую производительность и может быть рекомендован для получения матов с максималь­ ной толщиной примерно 20...30 мм, а также для получения

Рис. 2.63. Схема установки для получения матов из нитевидных кристаллов методом центробежной фильтрации:

1 —центробежная камера; 2 —аппарат непрерывного приготов­ ления пульпы; 3 — расходомер; 4 — центробежный насос; 5 — привод вращения барабана

Другим достоинством метода является возможность при получении заготовок одновременно осуществлять их пропитку полимерными связующими, обладающими высокой вязкостью. Кроме того, при подаче пульпы, приготовленной из высоко­ вязкой жидкости, через специально спрофилированный труб­ чатый мундштук удается получить мат с преимущественной ориентацией волокон в окружном направлении.

Отлив пульпы. Отличие этого метода от предыдущего со­ стоит в применении вакуумного отсоса.

Схема установки для исследования технологического про­ цесса получения полуфабрикатов и заготовок деталей из ните­ видных кристаллов путем отлива пульпы одновременным ва­ куумным отсосом рабочей жидкости представлена на рис. 2.64. Указанным методом можно получить широкую номенклатуру заготовок деталей и полуфабрикатов, например могут быть изготовлены как плоские детали сложной конфигурации с переменной толщиной, так и оболочковые детали типа тел вращения (цилиндр, конус и т.п.)

По мере роста слоя волокон и увеличения разряжения под фильтром процесс отсоса жидкости начинает осуществляться преимущественно за счет ее интенсивного испарения из при­ легающих к фильтру наиболее плотных слоев волокнистого

осадка. Последнее обстоятельство обеспечивает довольно вы­ сокую производительность метода фильтрации с использова­ нием вакуумного отсоса даже и при очень низкой проницае­ мости получаемых осадков.

Рис. 2.64. Схема установки для получения матов из нитевидных кристаллов при отливе пульпы с одновременным вакуумным обезвоживанием:

1 —отстойник; 2 —барабан для формования матов; 3 —привод барабана; 4 — бункер-дозатор подачи пульпы

Одно из важных преимуществ данного метода - возмож­ ность получения ориентированных структур.

Ключевые вопросы

1. Назовите элементы конструкторско-технологического ре­ шения:

а) бака для криогенной топливной системы самолета; б) обтекателя ракеты; в) лопасти вертолета;

г) переходного отсека ракеты; д) параболической антенны.

2. Укажите основные отличия технологии формообразова­ ния изделий из термопластов от технологии изготовления кон­ струкций из реактопластов.

3.Что такое гелькоат и в каких случаях его используют?

4.Перечислите материалы, применяемые в технологичес­ ком процессе формования с эластичной диафрагмой.

5. Назовите альтернативные технологические методы, ко­ торые можно применить для изготовления:

а) крыла самолета; б) фюзеляжа самолета;

в) корпуса ракетного двигателя твердого топлива; г) двери самолета; д) обтекателя головной части ракеты; е) стрингеров; ж) шпангоутов;

з) зеркала телескопа.

6.Сравните разные способы отверждения ПКМ, укажите их преимущества и недостатки.

7.Дайте сравнительную оценку по десятибалльной шкале технологическим процессам ручной выкладки, автоматизиро­ ванной выкладки, намотки, формования с эластичной диафраг­ мой по критериям себестоимости, производительности, точ­ ности размеров, необходимой квалификации операторов.

8.Какие грубые ошибки может сделать конструктор, раз­ рабатывая чертежи деталей, которые должны изготавливаться из полимерных композитов методами:

а) намотки; б) контактного формования;

в) прессования; г) формообразования давлением.