|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы Первый способ, состоящий из двух стадий, основан на том, что укладывают облицовочный материал и отверждают его отдельно, до наложения на связующее. Второй метод - одностадийный, или соотверждение , заключается в наложении облицовочного материала на связующеее в В-стадии. В этом случае многослойная конструкция отверждается, а ее слои сцепляются вместе в процессе одной операции в автоклаве. Когда были изучены новые производственные процессы и их технология, оказалось, что высококачественные многослойные панели могут быть получены соотверждением при одновременном достижении необходимой структурной монолитности и значительной экономии затрат на рабочую силу и оснастку [6]. В особых случаях, когда требуется механическая обработка и формование сложного центрального слоя, желательно в обоих рассмотренных выше способах покрывать только одну лицевую сторону в один прием. Например, механически обработать одну сторону центрального слоя, соединить ее с облицовкой в форме, затем обработать вторую сторону центрального слоя в зафиксированном положении и провести ее соотверждение со вторым облицовочным листом. Изготовление панелей производится вакуумно-автоклавным методом, ручной укладкой слоев и с использованием эластичной диафрагмы, как это описано в 18.1.1 и 18.1.2. При использовании метода соотверждения облицовочные слои могут быть получены ламинированием из липких препрегов на основе модифицированной смолы, применяемой для склеивания, если содержание смолы и текучесть препрега таковы, что достигается равномерно утолщенное соединение между облицовочным материалом и центральным слоем. Однако при использовании модифицированных клеевых систем прочностные свойства ламинатов несколько ниже. При применении препрегов на основе более прочной эпоксидной смолы с использованием клеевой пленки между центральным и облицовочным слоями рекомендуется ориентироваться на двух-стадийный процесс с предварительным отверждением облицовочного листа до покрытия им центрального слоя. Для предотвращения повреждения центрального и облицовочного слоев при соот-верждении полное давление прессования обычно не превышает 0,35 МПа. Температуры отверждения и доотверждения также ограничены, чтобы не вызвать деструкции центрального слоя сандвичевой структуры. Для предотвращения коррозии алюминиевого сотового заполнителя рекомендуется кожицу из углеродного волокна покрывать снаружи стекловолокном. 18.1.9. Пултрузия Пултрузия композиционных материалов, аналогичная экструзии металлов, позволяет получать недорогие конструкционные профильные изделия с постоянным поперечным сечением. Метод изготовления заданного профиля основан на протягивании через 256  керамическую головку предварительно пропитанных однонаправленных лент или сшитых полос с диагональным расположением нитей. Одновременно проводится отверждение смолы высокочастотным нагревом или микрорадиоволнами. Методом пултрузии с использованием различных смол были получены плоские, коробчатые, Z-образ-ные и другие профили длиной до 12 м (см. гл. 17). 18.2. Композиты Рис. 18.1. Расположение армирующих С полимерной матрицей волокон в матрице: Композиты с полимерной - р- -матрицей - это армирующие волокна, монолитизированные с помощью какого-нибудь полимерного связующего (рис. 18.1). Фирмы, применяющие композиты для авиационно-космических целей, обычно не производят исходных компонентов: волокйн и связующих. Заготовки им, как правило, изготавливает фирма-поставщик, располагая в заданном порядке необходимые составные части в установленных пропорциях. При этом заготовки частично отверждаются до такого состояния, чтобы их можно было обычными способами транспортировать и грузить. Такой еще не совсем готовый композиционный материал называется препрегом (в отличие от волокон, предварительно пропитанных связующим). Изготовление из него высококачественных конструкционных изделий в значительной степени зависит от качества препрега и таких факторов, как равномерность интервалов между волокнами, количество разрушенных волокон и их распределение, липкость смолы. Чтобы гарантировать выполнение стандартов качества, необходимо проводить визуальный контроль и прочностные испытания этих заготовок. Свойства, которые надлежит определять при анализе, обычно вносятся в прилагаемую спецификацию. Борное и углеродное волокна производятся и выпускаются в виде лент шириной до 76 и 305 мм соответственно. Иногда углеродное волокно выпускают в форме поперечно стеганых лент шириной до 305 мм, а для некоторых коммерческих целей - шириной до 1254 мм. Эти ленты пропитывают смолой методом мокрой пропитки (из раствора) или прессованием волокон при нагревании до перехода смолы в В-стадию. 18.2.1. Ручная послойная укладка Получение улучшенных композиционных материалов, как и любых армированных волокном композитов, требует такой ориентации армирующих волокон в матрице, чтобы был обеспечен за- 9 п/р Д ж. Любина 257 данный уровень свойств материала. Ручная послойная укладка предполагает наложение одного слоя ленты на другой с заранее определенной нх ориентацией на отдельные шаблоны с последующим штабелированием слоев или непосредственную укладку слоя на слой без отдельных шаблонов. При получении опытных образцов ручная послойная укладка часто оказывается самым экономичным способом. Эти отдельные слои затем штабелируют, располагая под определенными углами друг к другу в соответствии с чертежами. При укладке однонаправленных лент с одинаковой ориентацией всех слоев использование ленты, имеющей точный заданный размер, значительно снижает необходимость обработки боковых поверхностей. В этом случае надо только наложить слои один на другой и обрезать торцовую кромку. Слоистые композиционные материалы изготавливают, наслаивая в пакет в определенном порядке обычные или сделанные в виде препрега ленты, придерживаясь заданной ориентации слоев. После завершения ручной послойной укладки слои обычно предварительно собирают на специальных пластмассовых шаблонах. Этот процесс выполняется в контролируемых условиях окружающей среды, характерных для процессов укладки в пакет стекловолокна и связующего. Основные его этапы описаны ниже. 18.2.1.1. Подготовка отдельных слоев 1. Перед покрытием герметически упакованного сырья (кипы лент) необходимо кондиционировать его при комнатной температуре; не следует допускать конденсации влаги на ленте. Нужно установить ленту на раздаточное устройство. 2. Целесообразно записывать номера шпуль или лент и партий полуфабриката каждого слоя материала в момент начала их применения. 3. Необходимо протереть открытые поверхности шаблонов чистой марлей, смоченной растворителем, затем высушить их воздухом. 4. Следует смотать достаточное количество препрега для получения полосы нужного размера и нарезать ее острыми ножницами, ножом или каким-либо другим режущим инструментом. 5. Необходимо уложить ленту (препрег) на указанную на шаблоне поверхность. Следует класть соседние отрезки ленты так, чтобы зазор между ними не превышал 0,7 мм. При использовании борного волокна не допускается перекрытие его нитей. Поэтому в конструкцию вводят легкую стеклоткань, помещая ее сверху или снизу по отношению к шаблону; все последующие слои укладывают тем же способом. 6. Слои препрега следует укладывать на шаблон, делая притирающие движения, чтобы обеспечить плотный контакт. Нужно убрать разделительную ленту и положить в контейнер для отходов. 7. Следует просмотреть каждый слой, нет ли в нем разорванных нитей (или пленок), нахлестов, зазоров между лентами и посторонних включений. 8. Если требуется хранение отдельных листов, их надо герметично упаковать в прозрачную чистую влагонепроницаемую защитную пленку и держать в плоском состоянии до употребления. 18.2.1.2. Сборка ламинатов Подготовка оснастки для сборки пакетов состоит из следующих операций: 1) чистка для удаления всех посторонних веществ; 2) полировка для получения гладкой поверхности; 3) протирание подходящим растворителем и сушка воздухом; 4) нанесение соответствующей смазки или антиадгезива. Если изделие отверждается непосредственно на поверхности оснастки, ее покрывают непористой тканью с тефлоновым покрытием. Затем готовят внешний слой (только в тех случаях, когда отвержденные детали склеивают или окрашивают). Кладут один слой отвержденной и очищенной при нагревании найлоновой пленки (внешний слой), так чтобы она выступала за контур шаблона со всех сторон на 12,7 мм. Притирают ее надавливанием для удаления всех воздушных пузырьков и морщин. Все соединения должны быть сделаны встык. После этого удаляют оставшуюся разделительную пленку. Для того чтобы шаблон был точно выровнен по оснастке, в нем делают отверстия для шпилек оснастки или локаторы. Иногда применяют несколько рядов локаторов; поэтому надо уделять особое внимание тому, чтобы каждый из них соответствовал заданной ориентации слоя. После этого с помощью валика или какого-нибудь прижимного устройства выдавливают находящийся между слоями воздух. При использовании сравнительно сухого препрега шаблон из пленки Майлар легко отделяется при отдирании. При более липких препрегах шаблон надо отдирать резкими движениями. После отделения шаблона надо просматривать каждый слой. Описанную выше процедуру повторяют, начиная с подготовки внешнего слоя, до получения пакета с необходимым количеством слоев. Каждый слой пакета должен быть осмотрен и принят на основании существующей на данном предприятии документации, и лишь после этого принимаются за следующий слой. Если последний слой содержит борное волокно, равномерность укладки достигается при использовании стеклохолста 104, пропитанного той же смолой. 18.2.1.3. Подготовка к отверждению Деталь покрывают антиадгезионным материалом, перфорированным для вытекания излишка смолы. Он должен закрывать все изделие, но не выходить за его пределы. Чтобы не образовывалась выпуклость от диафрагмы и для ограничения вытекания смолы по бокам необходимо применять граничные опоры или перегородки. Обычно эти опоры делают из листов пробки, резины или металла и тщательно герметизируют перед употреблением. Смола может протекать через неуплотненные перегородки, не соответствующие друг другу сегменты перегородок или между ними и оснасткой. Граничные опоры при использовании верхней выпускной системы должны находиться на расстоянии от края детали не более 1,52 мм, чтобы предотвратить вымывание волокон во время течения смолы. На рис. 18.2 изображена типичная система с граничными опорами.  Рис. 18.2. Регулируемая система вытекания излишка смолы: 1 - выпускное устройство (стеклоткань типа 120 илн бумага); 2 - перфорированная ткаиь из тефлона; 3 - промежуточная плита; 4 - ткань для отсоса газов нз диафрагмы (стеклоткань типа 181); 5 - диафрагма; в - уплотнение диафрагмы; 7 - пробковый материал; Н- плита оснастки; 9- граничная опора или перегородка (деталь из пробкового материала или металла с пробковой головкой); 10 - изделие; - раз.делнтельная ткань; с - регулируемый зазор В процессе отверждения все слои уменьшаются в объеме (по сравнению с исходной толщиной) за счет освобождения захваченного воздуха и вытекания избытка смолы Поэтому для каждого улучшенного композиционного материала и изделия из него требуются специфические граничные опоры (перегородки). Для получения перегородок применяются следующие материалы и их комбинации; 1) перегородка полностью из пробки или резины - для деталей, которые состоят менее чем из 40 слоев и должны быть зачищены; 2) перегородки полностью из металла - для деталей, которые состоят менее чем из 100 слоев и не нуждаются в зачистке; 3) комбинированные перегородки из металла и пробки или резины - для деталей, состоящих более чем из 40 слоев; 4) воздушные перегородки - для полимерных формуемых лент. Высота перегородки всегда должна быть меньше ее ширины, чтобы не было горизонтального смещения. Отношение высоты к ширине должно быть не более 2 : 3. Для ламинатов, состоящих менее чем из 100 слоев, высота металлических частей должна быть равна заданной толщине отвержденного слоистого пластика, а высота пробковых перегородок должна быть больше этой толщины в соотношении 10 : 7, чтобы объем пробки мог уменьшиться. (Следует заметить, что в некоторых случаях перегородки из пробки или других неметаллов очень плотно прилегают к поверхности оснастки и привариваются к ней, что препятствует полному выходу воздуха по торцам ламината и приводит к образованию воздушных карманов в материале.) При получении ламинатов, состоящих более чем из 100 слоев, с использованием комбинированных перегородок из металла и пробки или резины высота металлической части перегородки должна быть равна 3/4 от заданной толщины отвержденного материала, а высота остальной части перегородки, сделанной из пробки или резины Корпрен , должна превосходить оставшуюся 1/4 часть толщины ламината в соотношении 10:7. Для предотвращения избыточного вытекания смолы под перегородку можно поме- 18.1. Число слоев различных армирующих материалов
1 Уменьшение объема изделия происходит также в результате контракцнон-ных явлений. - Прим. ред. пер. щать чувствительную к давлению ленту из алюминия, которая будет действовать как уплотнение. Через каждые 5 слоев препрега из борного волокна надо класть один слой сухой стеклоткани 120. Этот слой должен быть того же размера, что и формуемая деталь, н не должен выступать за ее границы. Указанное соотношение (1 : 5) между сухой стеклотканью типа 120 и препрегами обеспечивает контролируемое удаление избытка смолы. Аналогичный контроль достигается при применении комбинации стеклоткани типа 116 с войлоком. Соотношения между слоями материала в этом случае приведены в табл. 18.1. Если ламинаты имеют более 100 слоев, толщина войлока должна быть увеличена на 1,6 мм на каждые десять дополнительных слоев препрега. Слой перфорированной полимерной пленки, например тефлона, должен быть положен сверху на готовый пакет листов, так чтобы его края достаточно выступали за контуры изделия. Расстояние между центрами отверстий в этой пленке ~50 мм. Для отсоса газов из диафрагмы весь пакет листов закрывают двумя слоями стеклоткани типа 181. Собранный пакет листов должен быть надежно закреплен в оснастке во время всех последующих операций вплоть до переноса детали в автоклав для отверждения. Регулируемая система удаления избытка смолы показана иа рис. 18.2. В приведенной системе удаления смолы из ламината часть ее вытекает через регулируемый зазор между краем материала и перегородкой или граничными опорами. Объем смолы, которая должна вытечь из препрега, рассчитывается и принимается равным объему зазора. Для определения параметров зазора используется простой метод проб и ошибок. Может потребоваться и дополнительное уточнение его размеров, если вытекание смолы по краям ограничивается боковыми кромками ламината. Слоистые пластинки размером 254x 1651 мм были изготовлены с использованием этой системы регулировки вытекания смолы, обеспечивающей заданную толщину слоя в отвержденной ламинате. При этом необходимо, чтобы граничные опоры были только металлическими и их положение было правильно определено, так как объем зазора не должен изменяться при температуре и давлении отверждения, когда происходит вытекание смолы. Алюминиевые листы толщиной примерно 1,6 мм, по размеру соответствующие пакету листов, могут использоваться в качестве меры предосторожности против образования неровностей на находящейся под диафрагмой поверхности отвержденного ламината и чрезмерного вытекания смолы из верхних слоев композиционного материала в ткань для отсоса газов, расположенную под диафрагмой. (Отметим, что на каждом предприятии должно быть проведено исследование процесса контролируемого течения смолы через боковую выпускную систему для своих конкретных сырьевых материалов, толщин ламинатов и условий отверждения.) 18.2.2. Полуавтоматическая послойная укладка Полуавтоматические методы послойной укладки применимы почти к любому уровню технологии не полностью автоматизированных лентоукладочных машин. Один из таких полуавтоматических методов изготовления композитов на основе тканых полотен шириной более 460 мм заключается в намотке ленты на большую трубу из полиэтилентерефталата Майлар , после чего из этой ткани по шаблону нарезаются слои Майлара или других материалов. Принцип другого полуавтоматического метода заключается в центровке расположенных рядом друг с другом слоев лент с помощью подающей выравнивающей машины с ручным управлением. Как и в вытягивающей машине , шпуля с лентой поворачивается на определенный угол вручную, но управляется механически для параллельной укладки слоев. Обрезание кромки у лент во всех существующих полуавтоматических процессах остается до сих пор ручной операцией. Контроль процесса послойной укладки в пакет затрудняется, если все слои не обрезаны по одинаковой кромочной линии. Один из методов, применяемых для наложения кромочных линий несимметричных слоев при послойной укладке в пакет, основан на использовании наглядных проекций. Очертание слоя проецируется на пакет листов с помощью тщательно установленных откалиброванных и распрямленных фотошаблонов и проекционного оборудования. После этого обрезают кромку с материала по фотографическому изображению. При этом следует принимать меры предосторожности, чтобы не повредить расположенные снизу слои. Полуавтоматическая технология послойной укладки композиционных материалов может быть очень выгодной, так как при этом снижается стоимость и достигается однородность пакета. В большинстве случаев применяемый метод должен быть разра-262 ботан специально для конкретного изделия или формы, чтобы его преимущества были максимальными. Для получения изделий простой формы лучше применять легко изготавливаемые многослойные тканые ткани шириной свыше 460 мм, чем укладывать слои один за другим до достижения нужной конфигурации. Машинная укладка в пакет предназначена для устранения субъективных ошибок, улучшения качества ламината и ускорения производственного процесса (снижения стоимости). К проблемам, связанным с применением лентоукладочных машин, относятся липкость лент, распрямление лент, индексация ориентации ленты для цифрового управления процессом и формирование искривленных поверхностей. Основным препятствием к использованию этих машин при производстве более тонких изделий является невозможность намотки конусообразных деталей при одновременном обеспечении постоянной ориентации ламината. Существующие лентоукладочные устройства по уровню автоматизации классифицируются в диапазоне от распределяющих головок с ручным управлением на рельсовой колее до полностью автоматизированных машин . На самом простом из этих устройств работает один человек, который вручную управляет лентоукладоч-ной головкой и обрезает ленту. Это базовое устройство может иметь много различных дополнительных приспособлений, таких как механический нож на головке, вращающийся стол для создания различной ориентации ленты, непрерывная транспортная система для периодической круговой подачи шаблонов из пленки Майлар ИТ. п., каждое из которых предназначено для конкретного производства. 18.2.3. Автоматическая послойная укладка Конечной целью является получение пакета листов, плоских или профильных, на управляемых посредством числовых команд машинах с лентоукладочными головками, которые могут равномерно и последовательно наносить слой за слоем по заданной программе без вмешательства человека. В действительности, можно себе представить, что несколько машин могут управляться с одного пульта одним оператором. Это позволит получать высококачественные, одинаково отделанные изделия с высокой степенью воспроизводимости и надежности при минимально возможных затратах на рабочую силу. Однако несколько независимых попыток в этом направлении пока не увенчались успехом вследствие несовместимости применяемых типов лент. Основной проблемой по-прежнему остается регулирование зазора и нахлеста. Для ее решения с различным успехом разрабатывается несколько различных направлений. Наибольшего прогресса добились два проекта, субсидируемых ВВС США. В одном из них главное внимание уделяется механическим устройствам и приборам для контроля качества работы лен-  Рис. 18.3. Головка лентоукладочной машинш Груммэн тоукладочной головки, на которой используется существующая лента шириной 76 мм. Второй проект основан на применении лентоукладочной головки современного уровня. Он позволяет формулировать требования к качеству ленты, что обеспечит возможность получения композиционного материала нужного качества. Проблема регулировки зазора и нахлеста волокна с особой силой проявляется при использовании более жесткого борного волокна большего диаметра: 0,102 и 0,142 мм. При применении очень тонкого волокна (0,0102 мм) и легко изгибаемого углеродного волокна допускается некоторый нахлест волокон, не ухудшающий свойств композиционного материала. Рис. 18.3 и 18.4 дают некоторое представление об этой программе. Две развивающиеся производственные программы основаны на использовании полностью автоматизированных процессов укладки для получения деталей из композиционных материалов: панелей обшивки стабилизаторов и крыльев самолетов Груммэн РМъ и Уорт FUh.  Рис. 18.4. Автоматическая укладка плоских листов Типичная автоматизированная трехосная лентоукладочная машина первого поколения имела формующую поверхность 1830 X X 2032 мм, систему контроля по трем осям координат, головку с вертикальным перемещением под действием пневматического привода на расстояние 254 мм, максимальную скорость укладки борного волокна диаметром 0,102 и 0,142 мм соответственно 0,907 и 1,134 кг/ч при средней производительности 0,6 кг/ч. Бумага, которая использовалась в качестве подложки для ленты борного волокна, имела перфорации по краям, что позволило подавать ленту как кинопленку. Пятиосная машина второго поколения, в которой использованы все современные достижения автоматизации технологического процесса, имеет следующие особенности. Площадь формующей поверхности 1829X9144 м.м. Система управления - ручная, полуавтоматизированная и автоматизированная пятикоординатная: ось X - максимальная скорость продольного перемещения 18,3 м/мин; ось К- максимальная скорость поперечного перемещения 18,3 .м/мин; ось С - поворот головки на +180°; ось D - поворот режущего устройства на ±60°; ось Р- скорость перемещения ленты 1 м/.мин. Вертикальное перемещение головки под действием пневматического привода 178 мм. Пневматический рабочий стол выдерживает нагрузки (от оснастки) :6,1 кПа. Режущее устройство способно работать г;ри любых скоростях укладки ленты. 18.2. Длина (линейная плотность) отрезков ленты шириной 76 мм и массой 1 кг
Максимальная скорость укладки борного волокна диаметром 0,102 и 0,142 мм - соответственно 16,33 и 20,41 кг/ч. Средняя производительность при работе с борным волокном диаметром 0,102 и 0,142 мм - соответственно 5,90 и 7,26 кг/ч. В настоящее время разрабатываются усовершенствованные автоматизированные лентоукладочные машины. В табл. 18.2 приведены примерные значения длины отрезков лент шириной 76 мм и массой 1 кг из волокна разных типов. Специалисты, применяющие машинную технологию укладки материала, приходят к выводу, что можно обойтись без рассмотренных выше шаблонов для слоев, запрограммировав машину на автоматическую укладку требуемого количества слоев лент с заданной ориентацией каждого из них. Стадии подготовки и отверждения пакета листов, полученных машинной укладкой, не отличаются от соответствующих операций при ручной послойной укладке. 18.2.3.1. Плоские пакеты листов Плоские пакеты листов могут быть получены довольно легко в пределах регулировки величины зазора, обеспечиваемого однородностью существующих лент. Для этих целей промышленность выпускает несколько типов лентоукладочных головок. Основные органы управления машиной основаны на использовании системы параллельного слежения, индикации соседних слоев ленты и обрезании торцевых кромок ленты по заранее определенным кромочным линиям. При разработке машин новой конструкции в качестве дешевого опытного материала использовали однонаправленную стекловолокнистую ленту. Переход от стекловолокна к улучшенным композиционным материалам не представлял большой проблемы. Пример автоматизированной укладки плоских пакетов листов приведен на рис. 18.4. 18.2.3.2. Трехмерные пакеты листов Автоматизация процесса получения фасонных пакетов листов простой и сложной формы предъявляет к конструкции машины ряд совершенно новых требований. К уже имеющимся трудностям добавляется проблема отклонения от осевой линии или сужения ленты из-за ее сложной конфигурации (трехмерная форма/плоская 266 нерастягивающаяся лента). Автоматизированные машины самых последних моделей приспособлены для получения изделий средней сложности с помощью гибких мембран или саморегулирующихся механических сжимающих устройств. 18.2.3.3. Формование без приспособлений для удаления избытка смолы в обычно применяемых препрегах с полимерной матрицей содержание смолы составляет 41 ± 3 %, что требует удаления значительного ее количества во время отверждения, так как в отвержденном ламинате должно быть 28 ... 32 % смолы. Поэтому сейчас уделяется больше внимания изготовлению препрегов с пониженным содержанием смолы, что позволит перерабатывать их на оборудовании с меньшим количеством выпускных отверстий или вообще без них. Это дает два экономических преимущества: переработчик покупает меньше смолы и меньше материала вытекает и подпрессовывается. Однако при использовании процессов без выпускной системы серьезной становится проблема контроля удаления захваченного воздуха. Поэтому в таких процессах она решается путем снижения объема и предварительной монолити-зации ламината. Рассмотренный процесс успешно применяется сейчас при изготовлении компонентов крыла для самолетов Боинг моделей 757 и 767. Практика показала, что заканчивать процесс необходимо при более высоком содержании смолы - 34 ... 38 %. Процесс был использован также для получения готовых узлов на основе сандвичевых структур с сотовым заполнителем и соот-вержденным верхним слоем. Обычно неотвержденную кожицу под натяжением накладывают на центральный слой во время отверждения, чтобы предотвратить его раздавливание и образование вмятин. Другим преимуществом этого процесса является более точное регулирование содержания смолы в отвержденной ламинате. При его применении для получения соотвержденных узлов для самолетов Боинг моделей 757 и 767 достигается некоторое снижение массы. Из-за пористости наружного слоя до сих пор не удается удовлетворить требования по гладкости аэродинамической поверхности получаемых изделий. Этот дефект устраняется сейчас нанесением слоя адгезива на поверхность оснастки. Ожидается, что эта проблема будет решаться по мере накопления опыта как у изготовителей препрегов, так и у производителей композиционных изделий. 18.2.4. Намотка волокном Этот метод использовался в основном для стеклопластиков, но нашел применение и для переработки некоторых улучшенных композиционных материалов, состоящих из углеродного волокна и эпоксидной смолы, в качестве примеров его применения можно привести получение шасси и труб силовой передачи из улучшенных композиционных материалов. Ожидается, что основным назначением этого метода станет производство труб различных типов, обтекателей антенн, цилиндрических деталей. Для цилиндрических сосудов высокого давления отношение окружного напряжения к продольному равно 2:1. При конструировании этих сосудов, формуемых методом намотки волокном, можно предусмотреть такую ориентацию волокна, чтобы получить ортотропный материал, прочность которого в окружном направлении почти вдвое больше, чем в продольном. В идеальном сосуде высокого давления, полученном намоткой волокном, слои должны иметь диагональное расположение нитей, при котором они будут ориентированы под углом ±54,75° к продольной оси. Этот угол, тангенс которого равен 2, обеспечивает симметричную укладку слоев волокна. В пределах допущений, обусловленных анализом переплетений, прочность в окружном направлении вдвое выше, чем в продольном. На практике закрытие торцов цилиндрических сосудов, получаемых намоткой волокна, позволяет пойти на компромиссную конструкцию, отличающуюся от идеальной, с диагональным расположением нитей под углом 54,75°. Для формования куполообразных торцовых крышек углы намотки волокна должны быть другими. Нити, которые наматываются по краям полюсных утолщений (в торцовом куполе обычно остается отверстие) должны идти (для обеспечения стабильности) от цилиндра к куполу под очень малыми углами намотки. Те же нити под такими же малыми углами намотки проходят вдоль цилиндра для перекрывания купола на другом конце сосуда высокого давления. Так как намотка под малыми углами, часто называемая продольной намоткой , производится под углом, который меньше оптимального, равного 54,75°, обычно практикуется усиление ее рядом поперечных намоток под большим углом, например, 85°. Чередование слоев, полученных под большими и малыми углами намотки, позволяет получить так называемую сбалансированную схему намотки. Этот процесс, в основном разработанный фирмой Уаэттейкер рисерч энд дивелопмент , был использован сначала для изготовления удилищ и осей стрелок-указателей. В дальнейшем он был приспособлен для формования передних аэродинамических лопастей (лопаток), моделей промежуточных отсеков ракет диаметром 740 мм, цилиндрических деталей, авиационных топливных баков и взаимозаменяемых стандартизованных блочных конструкций (см. гл. 15.) 18.2.5. Слоевая обертка Это недорогой метод производства, в котором слои композиционного материала с ленточного транспортера подаются на оправку, наматываются и уплотняются на ней. Принцип этого 268   Рис. 18.5. Схема установки для слоевой обертки: J - ленточный конвейер: 2 - предварительно пропитанный материал; 3 -* ведущий валик; 4 - оправка; 5 - уплотняющий валик; 6 - натяжной ролик Рис. 18.6. Установка слоевой обертки: / - препрег слоевой обертки; 2 - уплотняющий валик; 5 - оправка; 4 - ленточный конвейер; 5 - натяжной ролик; 6 - электродвигатель метода послойной укладки схематически изображен на рис. 18.5. Оправка, помещенная в карман ленточного транспортера, который образуется регулированием положения уплотняющих валиков, фрикционно вращается. Слои материала, уложенные на ленту впереди оправки, затем на нее наматываются и уплотняются (рис. 18.6). После намотки на оправку необходимого количества слоев изделие отверждают под действием нагрева и давления. На рис. 18.7 приведен пример формования топливного бака объемом 1135,5 л, а на рис. 18.8 - значения его стоимости по сравнению с металлическим баком. Сбалансированная схема намотки предназначена для получения изделия с таким же набором ортотропных механических свойств, что и при идеальной послойной укладке под углом А долл. 60 о\-   Л/, тыс. шт Рис 18 7 Оснастка для формования топливного бака методом слоевой обертки: ; -матрица с высоким давлением формования; 2 - пуансон (оправка) со слоями мате-риала Рис. 18.8. Зависимость стоимости топливных баков емкостью 1135,5 л Л от объема их производства N: 1 - металлические баки: 2 - пластмассовые баки ±54, 75°. При этом допускается компромисс в отношении деформационной совместимости, так как между слоями, полученными под малыми и большими углами намотки, развиваются большие межслоевые усилия сдвига, чем при схеме намотки под углом ±54,75°. Если в качестве матрицы для стекловолокна используется низкомодульная смола, наблюдается средний уровень сдвиговой деформации. Однако по мере роста требований к очень теплостойким материалам приходится применять смолы со все более капризным строением, что может привести к разрушению структуры материала в результате образования микротрещин в матрице и расслоения покрытий, полученных под малыми и большими углами. Дальнейшее усовершенствование процесса заключается в использовании ленточных препрегов, полученных намоткой волокном, которые обладают хорошей деформационной совместимостью с металлическими втулками, применяемыми часто в сосудах высокого давления, получаемых намоткой волокном для предотвращения протечки содержимого. 18.2.6. Вторичные производственные операции в этом разделе будут рассмотрены два метода соединения деталей: клеевой и механический. Особое внимание будет уделено технологии склеивания, так как этот способ снижает массу конструкции и стоимость узлов из композиционных материалов. 18.2.6.1. Клеевые соединения Существует два способа соединения деталей из композиционных материалов: соотверждение и вторичное склеивание. Исследования показали, что при соотверждении требуется меньше различных приспособлений и, следовательно, меньше затрат труда. Однако при соотверждении на сотовом заполнителе сандвичевых структур происходит ухудшение некоторых свойств из-за образования вмятин. Тиснение (появление отпечатков ячеек сотового заполнителя на соотвержденных наружных слоях) также ухудшает свойства поверхностного слоя под действием сжимающих нагрузок. Степень снижения свойств в результате соотверждения сотовых панелей зависит от размера ячеек, толщины наружного слоя (количества слоев), ориентации слоев и давления при отверждении. Метод соотверждения был разработан в качестве приемлемого производственного процесса для снижения стоимости изделий из улучшенных композиционных материалов. Как правило, процесс склеивания состоит из трех стадий: выбора клея, подготовки поверхности и собственно склеивания. Эти операции будут рассмотрены ниже. Выбор клея. Одной из важнейших операций при склеивании является правильный выбор клеевой системы. При этом надо руководствоваться следующими рекомендациями. 270 1. Клей должен обеспечивать необходимую прочность данной конструкции в той среде, где ей предстоит работать. 2. Он должен быть совместимым с входящей в состав ламината смолой. 3. Он должен иметь адекватную липкость при требуемом количестве циклов склеивания. 4. Он должен иметь достаточно низкий модуль по сравнению со склеиваемыми материалами, чтобы распределение напряжений было равномерным и не было больших концентраций напряжений по краям. Подготовка поверхности. Возможно, самой ответственной операцией при склеивании является правильная подготовка поверхности. Ниже будут описаны методы подготовки поверхности различных типов материалов, применяемых в производстве слоистых пластиков. Из рассмотрения исключены алюминиевые листы, так как имеется огромный банк данных по этому материалу. Сотовый заполнитель. В трехслойных конструкциях, получаемых как склеиванием, так и соотверждением, в качестве заполнителя применяются алюминий и стекловолокно. Метод очистки заполнителей зависит от условий, в которых они хранились после предыдущей обработки. Если заполнитель был подвергнут механической обработке в состоянии, предшествующем растяжению, или удерживался в заданном положении двухсторонней липкой лентой, то его зачищают стандартным методом обезжиривания в парах растворителя. Когда заполнитель отверждают в простом эфире полиэтиленгликоля (полигликоле), то после механической обработки его надо тщательно промыть горячей водой (выше 7Г), щелочью, деионизированной водой и быстро высушить. Алюминиевые заполнители после всех очистных операций необходимо тщательно проверить на наличие пятен или следов коррозии. Титан. Результаты разработки методов подготовки поверхности титана оказались противоречивыми. Одна технология, которая представляется наиболее приемлемой, основана на хо-нинговании паром. Она успешно применялась и обеспечивала достижение необходимых свойств клеевого слоя. Процедура состоит из следующих операций. 1. Пароабразивная обработка до достижения однородной атласной поверхности с использованием окиси алюминия (зернистость 400 меш) под давлением 42 ... 63-10 Па. Быстро промыть водопроводной водой и проверить однородность и нет ли следов ударов. (Предупреждение. Поверхность должна быть однородной и атласной. При необходимости следует повторить обработку.) Сухую дробеструйную обработку можно заменить пароабразивной обработкой при соблюдении правильной техники безопасности. 2. Быстро протереть обработанные поверхности метилэтилкетоном. При этом они должны остаться однородными (пятна не допускаются). 3. Стандартными методами обезжирить щелочью плотно прилегающие поверхности, промыть и высушить. 4. Обработать плотно прилегающие поверхности составом Паса-Джелл 107 , промыть и высушить. 5. Загрунтовать или покрыть клеем поверхности не позднее чем через 4 ч после сушки в соответствии с операцией 4. s <и s ca в я ь s (и в о с са i< ь о ю са в л о с S I 272 с О ь о. С § 3 о, о п о о 1§г О) о , 3- ... е./ csi (м т со to но 3 я=§ J3 о <; к Я к к сч к к са п о о, я К О са п Э В5 J3 са О о, itgi S к я Я g й as i> Й м я о, S о. о 3 а s а к л *я W CD о. сч я О) о о, О О g я cu S I о S § -н is 11 сч S я ш g I о ч о я я о я к са я о о, я К О я 1) b о о в л р о н са >> п ш 1- S о щ о S о О) О) я ч о, я ч >. и >< >. U 2 о другие методы подготовки склеиваемых или соединяемых с помощью смолы деталей использовались различными организациями, которые применяют сандвичевые титаносодержащие трехслойные конструкции. Анализ литературы по склеиванию титана показывает, что прочность клеевого соединения может меняться в широких пределах и при некоторых обстоятельствах оказаться совершенно непредсказуемой. Опыт предыдущих исследований не кажется удивительным в свете современных представлений о высокой чувствительности прочности клеевых соединений к химическому составу поверхности металла. Вторая технология, основанная на погружении детали во фтористое соединение, кратко описана в табл. 18.3. Этот метод дал самые лучшие из всех известных результаты. Микрофотографии подготовленных поверхностей, полученные сканирующей электронной микроскопией, свидетельствуют о том, что небольшие изменения условий обработки и концентрации раствора могут оказать существенное влияние на склеиваемость металла. Исследования показывают также, что активность поверхности сохраняется в течение первых 24 ч после сушки, причем самые лучшие результаты получаются, если поверхности грунтуют и склеивают сразу же после их подготовки. Сталь. Стальные детали легче подготовить к склеиванию, чем титановые. В промышленности обычно применяют следующие лтетоды подготовки; 1) обезжиривают деталь протиранием метилэтилкетоном или в парах растворителя; 2) проводят дробеструйную обработку окисью алюминия с зернистостью 180 меш под давлением 42... 63-10* Па; 3) протирают чистой тканью, смоченной метилэтилкетоном; 4) очищают щелочью в соответствии с промышленными стандартами; 5) промывают водопроводной водой; 6) помещают в 20 ... 55 %-ную кислоту HNOa при температуре 18,3 °С минимум на 90 ± 30 с; 7) промывают деионизированнон водой и высушивают; 8) грунтуют или покрывают клеем поверхности не позднее чем через 4 ч после описанной выше дробеструйной обработки. Композиционные материалы. Для подготовки поверхности композиционных материалов успешно применяются три метода. Первый - нанесение наружного слоя - заключается в том, что на склеиваемую поверхность ламината, находящегося в В-стадии, наносят термосвариваемую промытую найлоновую пленку. Этот материал почти не сморщивается и образует поверхность нужного качества. Используются ультразвуковые неразрушающие Методы испытания, при которых наружный слой остается неповрежденным. После этих испытаний наружный слой можно Удалить, обнажив готовую для склеивания поверхность. Второй Метод заключается в дробеструйной обработке мелкозернистой окисью алюминия. Третий метод основан на ручной очистке с последующим протиранием растворителем и сушкой воздухом. При всех методах подготовки предел прочности при сдвиге соединений, получаемых склеиванием адгезивом Шелл 951 ламинатов, состоящих из графитированного волокна и эпоксидной смолы, был примерно одинаковым. Цикл склеивания. Для получения хорошего сцепления компонентов в конструкции необходимо поддерживать соответствующую скорость подогрева клея. Ее обычно определяют при испытании отдельных компонентов материала на стадии конструирования. 18.2.6.2. Механические методы скрепления Механические способы соединения деталей из улучшенных композиционных материалов обычно применяются при наличии больших расслаивающих напряжений, когда требуются особые критерии надежности и в случае обязательной периодической разборки конструкции. Например, внутреннее давление топлива приводит к развитию больших расслаивающих напряжений (или растягивающих усилий, перпендикулярных ориентации слоев) внутри клеевых соединений в крыльевом встроенном топливном баке. В этом случае требуется механическое крепление. Однако использование механических крепежных деталей приводит к значительным концентрациям напряжений. Два способа их снижения основаны на замене соседних с отверстиями листов с ориентацией 0° на прокладочные полоски металла или на смягчающие полоски из стекловолокна или армированной углеродным волокном эпоксидной смолы (±45°). Обычные заклепки не рекомендуется использовать для соединения деталей из улучшенных композиционных материалов. Однако нашли применение обжимающие заклепки и заклепки с вытяжным стержнем. При употреблении болтов выбор типа головки - стандартной (наружной) или потайной - зависит от конструктивных ограничений и образующегося уменьшенного чистого сечения. Алюминиевые крепежные детали, используемые в конструкциях из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, необходимо подвергать специальной обработке для защиты от коррозии. 18.2.6.3. Механическая обработка ламинатов на основе эпоксидной смолы Композиционные материалы из борного волокна и эпоксидной смолы требуют значительной механической обработки. Матрица из эпоксидной смолы обрабатывается относительно легко, но в некоторых случаях ее сравнительно низкая прочность не обеспечивает достаточной связи борного волокна, чтобы предотвратить его разрыв. Борные волокна сами создают дополнительные трудности, так как их твердость достигает 9,5 по шкале Моса. Обычные твердосплавные режущие материалы, такие как карбид вольфрама, окись алюминия, карбид кремния и инструментальная сталь, мягче, чем бор. Алмаз, твердость которого по шкале Моса 10, является эффективным материалом для механической обработки композиционных пластмасс из борного волокна и эпоксидной смолы. Значительные проблемы, однако, возникают при совместной обработке композитов с внутренними металлическими слоями. Для некоторых изделий, которые крепятся вдоль ребра, при каждом переходе в процессе сверления через поверхность раздела между металлом и композиционным материалом надо заменить сверло. Если прослойкой служит тонкая металлическая фольга, этот метод становится явно непрактичным и надо искать какой-то компромиссный способ механической обработки. Было исследовано много нестандартных методов механической обработки, включая резку лучом лазера, электромагнитную механическую обработку и различные комбинации устройств с ультразвуковыми головками. Основные трудности возникали из-за подгорания смолы и плохого контроля допусков. Многие фирмы для обработки материалов, состоящих из слоистого пластика и металла, применяли помимо алмазных резцов множество сверл. Часто использовали сверла из быстрорежущей стали, направляемые пустотелые спиральные кобальтовые сверла и сверла с напаянными твердосплавными пластинами, после чего для окончательной калибровки и отделки применяли развертку Q алмазной поверхностью. В табл. 18.4 описаны типичные методы механической обработки, которые успешно применялись для композитов из эпоксидной смолы и борного волокна. В табл. 18.5 приведены аналогичные данные для композиций слоистых пластиков с коррозионно-стойкой сталью 17-7РН. Во всех операциях по механической обработке для предотвращения разрушения и расслоения материала необходимо использовать соответствующие подложки и зажимные приспособления. В табл. 18.6 приведены данные по механической обработке комбинаций слоистых пластиков с титаном, где также требуются поддерживающие устройства. При обработке слоистых пластиков, содержащих углеродные и другие органические волокна, широко применяются стандартные стальные спиральные сверла, зенковки и специальные фрезы для обработки фасонной поверхности, причем специальная технология или инструмент не нужны. Однако при сверлении некоторых органических волокон (например, Кевлар-49 ) наблюдается значительный износ инструмента из-за их большой жесткости. Если сверление ведется через слоистый пластик, может происходить расслоение материала. Для того чтобы после просверливания отверстия сверло не шло дальше, заднюю сторону детали покрывают липкой лентой и сверлят с небольшой скоростью. 1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 29 |
||||||||||||||||
 |
 |