4.3 Формообразование

Для придания остеклению летательного аппарата формы, обеспечивающей необходимые аэродинамические характеристики, используется способность листа стекла, разогретого до пластического состояния, изменять свою форму под действием собственного веса (моллирование) или специальных приспособлений и устройств (гнутье, прессование) и сохранять ее после охлаждения.

Как известно \ 12\, стекла изотропны, если они однородны по составу, свободны от напряжений и дефектов. Изотропия свойств стекол обусловлена отсутствием направленной в пространстве ориентации частиц. Оптическая анизотропия может возникнуть в стекле в результате действия растягивающих или сжимающих напряжений.

Стекла не имеют определенной температуры затвердевания или плавления. Эти процессы происходят постепенно в некотором температурном интервале. При охлаждении расплав переходит из жидкого состояния в пластическое, и только затем — в твердое. При этом сохраняется полная обратимость процесса: при нагревании стекло переходит из твердого состояния в пластическое. Температурный интервал, в котором происходит процесс стеклования или процесс размягчения, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур T_f ,co стороны низких температур T_g (Рис. 400).

При температуре T_g стекло обладает свойствами твердого упругого тела с хрупким разрушением. Температура T_f является границей пластического и жидкого состояний.

T_g T_w T_f

Рис.400. Зависимость свойства Р и его производных в интервале стеклования (1) I - твердое состояние; II - пластическое; III - жидкое (расплав).

Кингстон/МГУПИ/Вязкость-1

Свойства стекол по характеру изменения в интервале стеклования делят на три группы (Рис.400). К первой группе относятся свойства Р, характе­ризующие функцию состояния вещества (внутренняя энергия Е, мольный объем V, энтальпия Н, энтропия S) и кинетические свойства (вязкость η), удельное сопротивление ρ).

Свойства первой группы с повышением температуры изменяются постепенно. В интервале стеклования кривая имеет закругленный перегиб (рис. 400, кривая 1), соответствующий наиболее резкому изменению свойств первой группы.

Свойства второй группы представляют собой первую производную по температуре dP/dT от свойств первой группы (коэффициенты термического расширения (линейный и объемный), теплоемкость). Кривая 2 характеризует температурный ход зависимости свойств второй группы. Можно видеть, что в интервале стеклования первая производная dP/dT имеет точку перегиба T_w.

Третья группа включает свойства (теплопроводность, диэлектрические потери), которые являются вторыми производными по температуре от функций состояния (кривая 3). Температурная зависимость d²P/dT² имеет максимум или минимум в точке T_w.

Значения температур T_g, T_f, а также интервал стеклования (T_g—t_f ) зависят от состава стекла /12/ и представлены в таблице 500.

Кингстон/МГУПИ/Вязкость-1

Таблица 500. Значения , T_g, T_f,, (T_g, T_f,) ^оС для промышленных стекол.

'
Тип стекла	Tg	Tf	(Tg-Tf)	Тип стекла	Tg	Tf	(Tg-Tf)
Листовое Оптическое	550 430	700 570	150 140	Пирекс Кварцевое	600 1250	700 1500	100 250

Температуры T_g и T_f принадлежат к числу характеристических точек на температурной кривой вязкости. Температуре стеклования T_g соответствует вязкость стекломассы, равная 10^12,3 Па-с (10^13,3 пз), а температуре T_f — вязкость 10⁸ Па-с.

При более высокой, чем 10^12,3 Па-с, вязкости (и при температурах ниже T_g) стекло представляет собой твердое хрупкое тело; при более низкой, чем 10⁸ Па-с, вязкости (и температурах выше T_f) стекломасса находится в расплавленном состоянии.

Однако следует учитывать, что резкая граница изменения свойств с температурой у стеклообразных веществ отсутствует, а свойства стекла зависят от скорости охлаждения (или нагревания), Для получения воспроизводимых результатов определение характеристических температур осуществляют при стандартной скорости нагревания или охлаждения 3 °С/мин.

Зависимость свойств стекол от скорости охлаждения или нагревания обусловлена тем, что по мере понижения температуры уменьшается подвижность частиц, замедляются скорости структурных перестроек, направленные на достижение равновесного при данной температуре состояния. Температурный ход вязкости — важнейшая технологическая характеристика, задающая параметры основных стадий технологического процесса формования изделий, отжига, закалки и т. д.

Вязкость любой среды — газообразной, жидкой, твердой — обусловлена взаимодействием частиц вещества с окружающими частицами. Если на слой жидкости (или расплава) с площадью внутреннего сечения S действует сила F., то слой жидкости начинает двигаться со скоростью V, увлекая соседние слои. Скорость относительного смещения прилегающих слоев будет уменьшаться по мере удаления dV/dx от движущегося слоя. В этом проявляется действие вязкости как силы внутреннего трения.

В соответствии с уравнением Ньютона:

F= η x S (dV/ dx)

Кингстон/МГУПИ/Вязкость-1

коэффициент вязкости η равен силе, прилагаемой к слою с площадью внутреннего сечения S и вызывающей его перемещение со скоростью относительного сдвига dV/dx.

Кинетическая вязкость расплава  равна отношению коэффициента динамической вязкости к плотности среды, т.е.

 = η|/ρ.

Величина, обратная коэффициенту динамической вязкости,

1 / ,

характеризует текучесть среды.

В температурном интервале от 23°С до 1500°С вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 10¹⁹ Па -с, в расплавленном состоянии при температуре варки — 10 Па -с.

Температурный ход вязкости стекла показан на рис. 500.

Рисунок 500. Зависимость логарифма вязкости от температуры.

Кингстон/МГУПИ/Логарифм-вязкость

При низких температурах (до Т_g) вязкость изменяется значительно, но стекло остается твердым веществом. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 10¹⁵— 10⁷ Пас при переходе из твердого в жидкое состояние.

По характеру течения различают жидкости двух типов: нормальные (ньютоновские), подчиняющиеся закону Ньютона, и структурированные, не подчиняющиеся закону Ньютона. Для ньютоновских жидкостей коэффициент вязкости не зависит от действующей силы. Для структурированных жидкостей коэффициент вязкости является функцией действующего напряжения F/S. Для таких структурированных жидкостей, как коллоидные растворы и суспензии, коэффициент вязкости с увеличением F/S уменьшается. Изменение коэффициента вязкости обусловлено наличием связей между частицами, которые нарушаются по мере повышения величины F/S.

Расплавы силикатных стекол подчиняются закону Ньютона в области высоких температур. В области стеклования у них наблюдаются слабо выраженные признаки структурирования.

(∆l/l)10⁴

Рис. 501. Характер искажения дилатометрической кривой стеклянного образца под влиянием сжимающего усилия, действующего на образец в дилатометре.

У кривых приведены значения действующего на образец одноосного давления в МПа [О.В. Мазурин Стеклование, Л., «Наука» Ленингр. отделение, 1986, 158 с.]

Кингстон/МГУПИ/Вязкость-1

В вязкостно-температурном интервале выработки стекломассы и формования изделий большое значение приобретают такие параметры, как температурный градиент вязкости ∆η/∆t, который характеризует изменение вязкости с температурой, и скорость твердения ∆η/∆τ стекломассы, определяемая изменением вязкости во времени. Оба параметра определяются скоростью охлаждения стекломассы. Чем быстрее твердеет стекло, тем выше должна быть скорость выработки.

При незначительном переохлаждении стекла при формообразовании может так резко увеличиться вязкость, что формование стеклопакета станет невозможным.

Интервал отжига ограничен предельными значениями вязкости 10¹² — 10¹³ Пас.

Назначение термической обработки («отжига») состоит в удалении внутренних напряжений, возникающих в процессе неравномерного охлаждения внутренних и внешних слоев стекла. Со стороны высоких температур интервал ограничен высшей температурой отжига t _в.о. (η = 10¹² Па -с). Выдержка стеклоизделий при этой температуре позволяет в течение 3 мин устранить 95 % внутренних напряжений без деформации изделий. Низшая температура отжига t _н.о. на 50 — 150 °С ниже t _в.о. Выдержка изделий при t_н.о. позволяет в течение 3 мин устранить 5 % внутренних напряжений.

Значения высшей температуры отжига промышленных стекол лежат в пределах 400 — 600 °С. В интервале отжига скорость охлаждения стекла должна быть минимальной. При температурах ниже t_н.о. скорость охлаждения может быть значительно выше, так как вязкость стекол при температурах ниже t_н.о. чрезвычайно высока и возникновение остаточных напряжений невозможно.

К гнутым стеклодеталям предъявляются следующие основные требования:

• соответствие заданной форме (минимальное отклонение от контрольного шаблона или кооординат контрольных точек),

• оптические показатели и качество поверхности стекла,

• пригодность для дальнейшей обработки.

Моллирование осуществляется на чугунных формах, кривизна поверхности которых соответствует форме изготовляемой детали. При моллировании на сплошных формах (рис. 13а.) стекло контактирует с металлической поверхностью во всех точках. Такая массивная форма требует больших затрат энергии на разогрев, кроме того требует высокого качества формующей поверхности, так: любые шероховатости и неровности отпечатываются на стекле, а попадание осколков стекла или инородных частиц на форму может привести к браку стекла. В то же время такая форма не требует тонкого теплового регулирования процесса, обеспечивая полную воспроизводимость конфигурации всех снятых с нее деталей.

Большое распространение получили формы моллирования, имеющие проем в центральной части формующей поверхности, (рис 13 б), В этом случае лист стекла контактирует с формой только по периметру и не приобретает отпечатков, отлипов и других дефектов в рабочем поле. Однако на такой форме можно моллировать только неоформаченный пакет, при этом значительно усложняется резка и обработка края стекла, или нужно иметь четырехкоординатный обрабатывающий центр. К тому же имеются проблемы с эквидистантностью стекол после обрезки или с отжигом пакета.

б)

Рис. 13. Чугунные формы для моллирования. а) - сплошная; б) - рамочная; 1 - формующая поверхность, 2 - опора, 3 - проем.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

Повышения качества поверхности стекла, получаемого на сплошных формах, добиваются путем применения технологических подложек (дополнительный лист стекла), предохраняющих моллируемое стекло от соприкосновения с формой. Обдув воздухом нижней поверхности формуемого листа способствует удалению инородных частиц с формы, а кроме того остужает ее и делает стекло невосприимчивым к рельефу и дефектам рабочей поверхности формы, однако на практике трудно применим из-за невозможности создания в печи идеально чистых условий.

В целях снижения массы и тепловой инерционности сплошных форм используются формы на основе первых двух т.е. проем закрывается тонким листом. В отдельных случаях для создания универсальной переналаживаемой формующей оснастки применяются устройства с формующей поверхностью в виде гибкого жаропрочного листа с регулируемым профилем (рис. 14). Однако при использовании таких форм могут быть проблемы или с оптикой или с привалом. Объяснить почему.

Рис. 14. Малоинерционная сплошная форма для моллирования с изменяемой Кривизной формующей поверхности. 1 - формующая поверхность из гибкого листа, 2 -жесткая рамочная опора, 3 - элементы, позволяющие регулировать профиль формующей поверхности.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

Кроме того имеются еще рамочные формы моллирования.

Для обеспечения точной геометрии поверхности стекла, получаемого в рамочных формах, необходима соответствующая регулировка нестационарного теплового поля, неоднородно распределенного в стекле. Минимум контакта со стеклом обеспечивают "ножевые" формующие рамки (рис.15.).

Рис. 15. Конструкция ножевой формы для моллирования

1 - ножи, 2 - элементы контакта формы со стеклом в процессе моллирования.

Такие формы годятся в лучшем случае для тонкого триплекса.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

Получение гнутых стекол сложной конфигурации с участками резкого перегиба или большим углом раскрытия осуществляется с помощью шарнирно-рычажных или шарнирных рамок.

Рис. 16. Шарнирно-рычажная рамка для моллирования

а) до изгибания стекла; б) после окончания моллирования; 1 - лист стекла, 2 - непо­движная часть рамки, 3 - вращающиеся элементы формы, 4 - противовесы, 5 - ограничители движения боковых элементов.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

В первом случае (рис.16.) дополнительный изгибающий момент передается на края размягченного стекла с помощью противовесов, а во втором (рис. 17.)-закрыванием рамки, происходящим при проседании центральной части размягченного листа.

а) б)

Рис. 17. Шарнирная форма для получения стекол цилиндрической кривизны а) - до изгибания стеклопакета, б) - после формования.

1 - стеклопакет, 2 – формующая поверхность, 3 - полуформы, 4 - упоры-ограничителя стекла. (Стрелками показаны направления движения вращающихся элементов рамки в процессе моллирования.)

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

(Вставить рисунок с разложением силы тяжести на разных этапах моллирования. Вставить двухстадийное моллирование ТСК100)

Важнейшим условием изготовления слоистой панели является эквидистантность поверхностей склеиваемых заготовок, при нарушении которой резко ухудшаются оптические характеристики композиций, возникают дополнительные напряжения при склейке. Способом избежать этого является совместное изгибание двух и более заготовок, предназначенных для склеивания.

Кроме этого для особо ответветственных и сложных изделий с относительно малым радиусом кривизны и большой стрелой прогиба (ТСК 100, ТСК 195) под склейку в пакет укладывают 3-х мм стекло. Для того, чтобы при моллировании такого пакета стекла не смещались относительно друг друга, применяют установку ограничителей и упоров по контору пакета, а для их полного прилегания между собой создают более высокую температуру в верхней части печи, что сильнее размягчает верхние листы. Установка упоров не всегда возможна (ТСК 100, ТСК 195). Для устранения слипания стекол между собой на соприкасающиеся поверхности наносят слой мягкого порошка, например, сажи, оксида магния. (Рассказать подробнее.)

Одним из распространенных методов принудительного формования стекла является вакуумное формование (рис, 18.), используемое для получения деталей сложной формы, в том числе такой которую невозможно развернуть в плоскость (например, часть сферы).

Рис. 18. Вакуумное формование стекла

1 - изогнутый лист стекла, 2 и 3 - отверстия для создания вакуума, 4 - крышка.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

Стекло нагревается до температуры размягчения или выше, после чего воздух из полости между стеклом и формой откачивается, что создает равномерное давление на верхнюю поверхность стекла. Такой способ применяется при формовании колпаков-обтекателей из ИК- прозрачных стекол.

Для получения деталей с разным знаком кривизны поверхности в различных участках используется прессование размягченного листа между матрицей и пуансоном (рис.19.)

Рис. 19. Горизонтальное прессование листов стекла

1 и 2 - формующие прессформы, 3 - стеклопакет, 4 - рамка моллирования.

Кингстон/МГУПИ/РИС-формы-молир

(Астрофизика, зеркала для Як-42)

Термические напряжения, возникающие в стекле при формовании любым способом, должны быть сняты путем отжига стекла при медленном охлаждении в печи, что существенно удлиняет технологический цикл. Недостаточный отжиг вызывает оптические искажения в ИКО и даже разрушение стекла при его склейке.

Однако это относится главным образом к наземной технике. Для ИКО сырые стекла практически не используются, а упрочнение, кроме СТ, снимает напряжения после моллирования.

Кингстон/МГУПИ/производство/Моллир

Модернизация модели деформирования силикатных

пластин при нагревании.

В связи с тем, что реальное остекление имеет сложную конфигурацию и сложный набор поверхностей переменного радиуса, при термодеформировании стекла происходит сложение нескольких процессов, наиболее простыми из которых являются процессы формирования изделий сферической и цилиндрической форм. Поэтому детально рассмотрено термодеформирование изделий цилиндрической формы, скорости процесса деформирования для изделий сферической и цилиндрической формы и процессы утончения деформируемого стекла по площади в процессе деформации, как для сферических, так и для цилиндрических форм /12-16/. Кроме этого рассмотрено влияние толщины исходного стекла на процесс деформирования.