книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

4. ТЕХНОЛОГИЯ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

Клеесшивные и клееигольчатые соединения

Во многих случаях целесообразно в качестве комбиниро­ ванных соединений применять клеесшивные и клееигольчатые соединения. При этом способ сшивки и установки иголок существенно не изменяется, однако располагать иголки пред­ почтительно в местах наибольшей концентрации напряжений в клеевом шве, т.е. по концам нахлестки или по краям усили­ вающих накладок. Наличие гибких и жестких связей в клеевом шве обеспечивает лучшее включение накладок и КМ в совмест­ ную работу и компенсирует недостаточную прочность клеевых соединений на неравномерный отрыв.

4.5. Технология образования отверстий, резьб и гнезд

Как указывалось в гл. 2, основными особенностями КМ, определяющими специфику их механической обработки, явля­ ются:

абразивное действие волокнистого наполнителя на режу­ щий инструмент, приводящее к интенсивному износу инстру­ мента;

сравнительно малая межслоевая прочность КМ, что может привести к расслаиванию КМ под действием сил резания;

малая пластичность КМ, приводящая к образованию пы­ левидной и элементной стружки при резании;

значительная упругость материала, которая вызывает “усад­ ку” отверстий при их обработке, а также большие силы трения на задних поверхностях инструмента;

сравнительно высокий параметр шероховатости обработан­ ной поверхности;

токсичность и вредность пыли и стружки, вызывающие необходимость в их эффективном удалении из зоны обработки; малая теплопроводность КМ, приводящая к интенсивному

разогреву инструмента; нежелательность применения смазочно-охлаждающих жид­

костей при резании вследствие снижения прочностных и элект­ рических свойств КМ при смачивании.

Абразивное действие волокна на режущий инструмент обу­ словливает необходимость его оснащения износостойкими ме­ таллокерамическими твердыми сплавами и является причиной довольно низких скоростей резания по сравнению со скорос­ тями при обработке конструкционных сталей.

Склонность слоистых КМ к расслаиванию требует особых мер по предупреждению их разрушения под действием сил резания. Направления сил резания должны быть по возмож­ ности такими, чтобы они способствовали сжатию между собой слоев КМ. Толщина среза на выходе инструмента из обраба­ тываемого материала должна быть максимальной. Нельзя до­ пускать повышенный износ инструмента, так как это приводит к резкому увеличению сил резания.

Возникающая при резании композитов элементная стружка имеет значительный удельный объем и содержит большое ко­ личество пыли. Для удаления стружки из зоны резания при обработке отверстий (сверлами, зенкерами, метчиками и т.д.) требуется большая площадь сечения канавок и высокий пара­ метр шероховатости их поверхности.

Упругость КМ приводит к так называемому “упругому пос­ ледействию” при резании, которое заключается в редеформа­ ции обработанного слоя после прекращения действия на него сил резания. Это, в свою очередь, вызывает увеличение пло­ щади контакта по задней поверхности режущей кромки ин­ струмента с изделием и рост сил трения, а также приводит к “усадке” отверстий при сверлении, зенкеровании, развертыва­ нии, нарезании резьбы метчиками и т.д. Поэтому режущие инструменты должны иметь увеличенные задние углы, а у мерных инструментов (сверл, разверток, метчиков и т.д.) диа­ метр должен быть больше диаметра отверстия.

Требования к качеству выполнения отверстий и гнезд по расположению отверстий в швах, положение осей отверстий и гнезд относительно поверхности детали должны соответство­ вать техническим условиям и требованиям чертежа (табл. 4.2). Необходимо, чтобы форма и номинальные размеры гнезд со­ ответствовали геометрии головок потайных заклепок и болтов. Наибольшая глубина гнезд должна быть меньше минимальной по нормали высоты головки заклепки на 0,05 мм. Наименьшую глубину гнезда согласно техническим условиям, устанавливают

на выступание заклепок относительно поверхности детали из КМ после клепки (табл. 4.3).

Таблица 4.2

Оси гнезд под головки потайных заклепок должны быть перпендикулярны поверхности детали, а выступание заклепок в гнездах не должно превышать значений, указанных в табл. 4.3. Не допускаются огранка, расслоение, выкрашивание связующего материала, трещины и ворсистость на кромках отверстий и гнезд.

Наличие ворсистости на стенках отверстий приводит к на­ рушению сплошности связующего, повышению концентрации напряжений и снижению выносливости соединений при цик­ лических нагрузках.

При образовании отверстий и гнезд на участке окончатель­ ной сборки необходимо обеспечить плотное прилегание соеди­ няемых деталей в целях исключения попадания внутрь пакета стружки и пыли и обеспечения жесткости пакета.

4.5. Технология образования отверстий, резьб и гнезд

Способы образования отверстий и гнезд

Образование отверстий и гнезд в деталях из стеклопластика и углепластика осуществляется сверлением, зенкерованием, пробивкой или прошивкой с ультразвуком, из них наибольшее распространение получило сверление.

Пробивку отверстий в стеклопластиках и углепластиках можно осуществлять в обычных, инструментальных, одиноч­ ных и групповых штампах, используемых для пробивки отверс­ тий в металлах. В этом случае необходимо назначить исполни­ тельные размеры инструмента с учетом особенностей резания стеклопластиков и углепластиков (усадка).

Наиболее распространенным инструментом для пробивки единичных отверстий являются инструментальные скобы. Их используют для пробивки отверстий диаметром 12...15 мм, а также для пробивки фигурных отверстий и групповой пробив­ ки. Наибольшая толщина пробиваемого КМ зависит от силы пружин и равна 3...5 мм. Точность отверстий при пробивке их в штампах зависит от целого ряда факторов и в первую очередь от исполнительных размеров пуансонов и матрицы. При про­ бивке отверстий в армированных пластиках диаметр пуансона определяют по формуле £>п = (Х>н + Д/2 + 8) — Ал, где /)н — номинальный диаметр отверстия; А —допуск на диаметр от­ верстия; 5 - усадка КМ, %; Ап - допуск на диаметр пуансона.

Значения 5 при пробивке отверстий для некоторых мате­ риалов приведены в табл. 4.4, значения двусторонних зазоров между пуансоном и матрицей для стекло- и асбопластиков — в табл.4.5.

Таблица 4.4

Влияние марки материала на усадку при пробивке отверстий

При образовании отверстий с помощью пробивки вследст­ вие особенностей процесса разделения получают неровную по­ верхность среза, трещины и ореолы около отверстий, что яв­ ляется недопустимым для болтовых и клепаных соединений, работающих в условиях циклических нагрузок. В этих случаях применяют операцию зачистки, осуществляемую в зачистных штампах. Размер припуска под зачистку зависит от толщины и марки КМ, его можно выбрать по данным табл. 4.6.

Таблица 4.6

Влияние толщины материала на размер припусков для отверстий в слоистых

Вследствие введения дополнительных операций зачистки, а также трудностей пробивки отверстий на этапе окончательной сборки агрегата и пробивки отверстий в смешанных пакетах (композит с металлом) этот процесс не нашел широкого при­ менения при образовании отверстий и гнезд в деталях из КМ. Однако процесс пробивки отверстий в деталях из КМ следует считать прогрессивным из-за его высокой производительности и сравнительно большой, стойкости инструмента.

Основными способами получения отверстий и гнезд в кон­ струкциях из КМ в настоящее время являются сверление, зенкерование и развертывание. Сверление осуществляют по направляющим отверстиям металлических деталей, входящих

впакет, или по кондуктору. Сверлить по разметке разрешается

ввиде исключения в местах, недоступных для установки кон­ дуктора и при невозможности создания направляющих отверс­ тий. В зависимости от сочетания материалов, толщин пакета, типа оборудования и инструмента отверстия под заклепки вы­ полняют либо за один переход (окончательный размер), либо за два перехода. Образование отверстий под болт или болт-за­ клепку осуществляют сверлением с последующим развертыва­ нием; потайных гнезд для заклепок или болтов —зенкованием. Штампование потайных гнезд для заклепок в термореактивных стеклопластиках и углепластиках не допускается из-за невоз­ можности осуществления пластических деформаций КМ как в холодном, так и в нагретом состоянии.

Всмешанных пакетах при наличии металлической обшивки толщиной до 1 мм гнезда под головки потайных заклепок выполняют штампованием в металлической обшивке и зенко­ ванием в детали из КМ.

Для устранения попадания стружки между соединяемыми деталями перед сверлением и зенкованием необходимо обес­ печить их полное прилегание с помощью специальных прижи­ мов, предусмотренных в сборочном приспособлении. Для на­ тяжки обшивок можно применять амортизаторы с тендерами.

Чтобы пакет был жестким и плотно сжатым, следует уста­ навливать средства временного крепления в виде пружинных фиксаторов (или технологических болтов) либо заклепок. Пру­ жинные фиксаторы рекомендуется применять толщиной до 4 мм, технологические болты в пакетах — толщиной свыше 4 мм.

сторонний доступ, рекомендуется осуществлять за два перехода: вначале сверлить со стороны более прочной и “толстой” детали, затем рассверливать со стороны “тонкой” детали —для ком­ позитных и со стороны композита —для металлокомпозитных пакетов. Данное требование необходимо учитывать при назна­ чении сил резания деталей из КМ и металлов (особенно из титана и стали), иначе при сверлении отверстий со стороны металла и отверстия детали из КМ будут иметь рваные края и значительную ворсистость. Ворсистости и выкрашивания кро­ мок отверстий при сверлении можно избежать, производя па­ кетную обработку сразу нескольких деталей с помощью спе­ циальной оснастки, обеспечивающей жесткий прижим мате­ риала по кромке отверстия. Аналогичный эффект получают при использовании специальных прокладок из фибры и фане­ ры, удаляемых после образования отверстий.

Сверление

Сверление отверстий в однородных и смешанных пакетах осуществляют сверлами из быстрорежущей стали Р18 и свер­ лами, оснащенными пластинками из твердого сплава, а также сверлами из твердых металлокерамических сплавов марок ВК6, ВК6М и ВК8 в соответствии с ГОСТ 3882-74*. Диаметр сверл выбирают в зависимости от требуемого диаметра и точности отверстий.

Принимая во внимание особенности процесса механичес­ кой обработки стеклопластиков и углепластиков, геометричес­ кие параметры режущей части сверл — угол при вершине 2<р, задний угол а, передний угол у, угол наклона винтовой канавки со, поперечную режущую кромку / —назначают исходя из осо­ бенностей сверления стеклопластиков и углепластиков. Кон­ струкции рекомендуемых сверл приведены на рис. 4.9.

Наибольшее влияние на качество обработанных отверстий и износ сверл оказывает угол при вершине сверла 2<р. С умень­ шением этого угла снижается осевая сила, увеличивается длина режущей кромки и, следовательно, удельное давление на еди­ ницу длины режущей кромки становится меньше, а это, в свою очередь, приводит к меньшему изнашиванию сверла. Однако чрезмерное уменьшение угла 2<р влияет на массу вершины

Рис. 4.9. Конструкции сверл для обработки стеклопластиков:

а —сверло спиральное цилиндрическое из стали марки Р18; б — сверло-головка для обработки термореактивных пластмасс с плас­ тинками из твердого сплава; в —сверло спиральное с пластинками из твердого сплава

сверла, теплоотвод, что приводит к перегреву сверла и ухудше­ нию качества отверстия.

Следует учитывать тот фактор, что при сверлении тонких пакетов с ручной подачей инструмента чрезмерное снижение осевой силы приводит к получению отверстий типа “проткну­ того”, поэтому нецелесообразно принимать 2ср < 100... 120° при сверлении дрелями и на станках с ручной подачей инструмента.

С увеличением заднего угла а происходит уменьшение сил трения по задней грани, что способствует меньшему выкраши­ ванию связующего и, как следствие, повышению чистоты кро­ мок отверстия. Однако при значительном увеличении заднего угла (а > 25°) происходит ухудшение чистоты отверстий. С увеличением у шероховатость отверстия увеличивается. Следует отметить, что у стандартных сверл, как правило, передние углы большие, что и вызывает разлохмачивание кромок отверстий, особенно в момент выхода уголков сверла из отверстий. Угол со наклона канавки и> влияет на качество отвода стружки из зоны резания. Уменьшение со до 10... 15 °С и применение сверл с широкой полированной канавкой позволяет улучшить отвод стружки, повысить качество отверстий. Для предотвращения налипания стружки на инструмент при сверлении рекоменду­ ется наносить на поверхность канавок сверл дисульфид молиб­ дена.

Применять охлаждающие жидкости при сверлении КМ не рекомендуется, так как последние смешиваются с пылью и образуют пасту, которая затрудняет сверление. Для охлаждения лучше использовать сжатый воздух, а для удаления пыли — специальное пылеотсасывающее устройство.

Критерием износа сверл обычно является износ по задней поверхности заборного конуса сверла. Предельный износ сверл регламентируется качеством поверхности отверстия и стойкос­ тью инструмента.

Выбор параметров резания —скорости резания V и подачи 5 — при сверлении оказывает большое влияние на качество поверхности отверстий и стойкость инструмента. С увеличени­ ем подачи качество поверхности отверстий ухудшается, что снижает долговечность соединений. С ростом скорости резания в диапазоне скоростей 10...40 м/мин ворсистость отверстий