Особенности конструирования деталей с учетом технологии контактного формования и формования с эластичной диафрагмой.

Может показаться, что изменить конструкцию или толщину нового изделия достаточно просто. Однако при формовании деталей в открытой форме эти изменения необходимо осуществлять с учетом всех возможных последствий.

1. Перед формованием детали материал необходимо уложить в форму строго в соответствии с его очертанием. При наличии острых углов (угол 90° без закруглений) маты не закрывают всю поверхность формы, и за наружным смоляным слоем около углов образуются пузырьки воздуха. При наличии внутренних прямых углов, выполненных без закруглений, материал не будет прилегать к поверхности формы. Если же форма имеет наружные прямые углы, КМ также не сможет их плотно охватить.

Для предотващения этих явлений рекомендуется закруглять внутренние и наружные углы по радиусу 3,00...10,00 мм. В этом случае, КМ будет плотнее следовать очертанию формы, т.е. драпируемость будет лучше. Места резких переходов поверхности являются зонами концентрации высоких напряжений, где может происходить расслоение и растрескивание материала. Очевидно, что в конструкциях следует избегать таких мест и предусматривать самоупрочняющиеся переходные участки умеренного изгиба.

2. Для изменения толщины изделия, формуемого в открытой форме, следует увеличить (или уменьшить) число слоев материала. При необходимости резких изменений слои следует тщательно укладывать точно в соответствии с очертанием формы, что, однако, увеличивает затраты на ручной труд. В местах утолщений происходит концентрация напряжений и, как следствие, расслоение материала. Поэтому надо избегать появления таких высоконапряженных зон. С этой целью рекомендуется толщину изделия изменять постепенно, укладывая слои материала ступенчато, или как кровельную черепицу.

3. Наиболее удобным для формования следует считать круглое отверстие; самым неудобным – отверстие с острыми незакругленными углами. Для предотвращения роста напряжений рекомендуется увеличивать радиус закруглений в углах, а толщину изделия в острых углах увеличивать постепенно, или предусматривать фланцы вокруг отверстий.

4. Изделия из ПКМ часто получают соединением нескольких отдельный деталей. Поэтому в зависимости от прочности (от большей к меньшей) следует различать соединения: нахлесточные, работающие на сдвиг; стыковые; косые нахлесточные, работающие на раздир (на расслаивание).

Нахлесточные соединения являются самыми легкими и широко используемыми при изготовлении деталей из ПКМ. Их форма и особенности нагружения (на сдвиг) предполагают применение клеев, что обеспечивает максимальную прочность соединения. Разрушение нахлесточного соединения под действием напряжений сдвига происходит тогда, когда при возрастании нагрузки оно начинает работать на раздир.

При увеличении нагрузки происходит поворот места соединения, при этом действующие силы располагаются на одной оси. Этот поворот приводит к изгибанию материала и расслаиванию его на концах нахлеста. Если нагрузки продолжают расти, расслаивающие напряжения могут превысить адгезионную прочность, и соединение быстро разрушится. Однако если края нахлеста скошены, жесткость конструкции уменьшается, и в результате повышается прочность соединения без увеличенмия площади его поверхности. Более того, при надлежащей подготовке материалов, можно получить еще более высокие значения прочности при той же поверхности сдвига, выполнив соединение деталей в скос (“в ус”). Стыковое соединение со слоем клея и промежуточными слоями используют при склеивании жестких материалов, оно работает только на растяжение. Прочность его обычно колеблется от низких до средних значений, и ее легко рассчитать. Однако в реальных конструкциях такие соединения встрчаются редко.

Соединение, работающее на раздир, представляет собой конструкцию, в которй напряжения концентрируются вдоль линии, по которой один склеиваемый материал отгибается от другого, в результате чего в материалах возникают неуравновешенные растягивающие напряжения. В таком соединении под нагрузкой оказывается только тот участок клеевого шва, который находится в точке расслаиавания, а остальные участки шва остаются ненагруженными до тех пор, пока до них не дойдет зона расслаивания.

5. Минимальных угол технологического уклона должен составлять 2° (нулевой уклон – только в разъемных формах). Поднутрения не желательны, допускаются только в разъемных и резиновых формах.

6. Минимальную реальную толщину изделий при формовании ручной кладкой слоев следует задавать 0,8 мм, при напылении – 1,5 мм. Максимальная реальная толщина, в принципе не ограничивается, но с учетом отверждения должна составлять 8...10 мм. Стандартная разнотолщинность: при формовании ручной укладкой слоев – от +0,8 до –0,4 мм и при напылении – от +0,64 до –0,64 мм. Максимальное увеличение толщины не ограничивается.

Обработка резанием КМ имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработки металлов. Эти особенности сводятся к следующему.

1. Ярко выраженная анизотропия свойств. Это определяет различие процесса резания при обработке вдоль и поперек армирующих волокон. Схема армирования существенно влияет на качество и производительность обработки. Пэтому при разработке технологической операции механической обработки КМ следует учитывать также направление обработки относительно направления армирования.

2. Сложность получения высокого качества поверхностного слоя. Слоистая структура приводит к тому, что при износе инструментов присходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя, поэтому иногда применяют дополнительную отделочную операцию, например зачистку шкуркой.

3. Высокая твердость наполнителя у некоторых КМ вызывает целый ряд трудностей при их обработке. Например, у материалов на основе волокон бора, микротвердость наполнителя составляет 40...43 ГПа, что превосходит твердость сплавов (их твердость 10...16 ГПа) в несколько раз и соизмерима с микротвердостью синтетических алмазов АС6 (89 ГПа) и “Эльбора-Р” (84 ГПа). Поэтому при обработке таких материалов возможно применение только сверхтвердых материалов.

4. Низкая теплопроводность материалов, обуславливающая плохой отвод теплоты из зоны резания со стружкой и в обрабатываемое изделие. Поэтому при обработке высокопрочных КМ основная доля теплоты отводится через режущий инструмент. Согласно экспериментальным данным, тепловой баланс при обработке ПКМ следующий: в инструмент –90 %, в стружку – 5 %, в обрабатываемую деталь – 5 %, в то время, как при обработке металлов, иногда до 90 % поглощается деталью и инструментом.

5. Интенсивное абразивное воздействие наполнителя. Наибольшие трудности вызывает обработка высокопрочных ПКМ, так как наполнителем в них являются стеклянные, борные, угольные волокна, обладающие высокой твердостью и абразивной способностью.

6. Высокие упругие свойства. Силы резания при обработке ПКМ в 10...20 раз ниже, чем при аналогичной обработке металлов, а упругие характеристики выше, поэтому их точность обработки в меньшей мере определяется упругими деформациями системы станок – приспособление – инструмент. На точность изделий из высокопрочных материалов, при их обработке резанием, влияют упругие деформации самих деталей.

7. Невозможность применения в большинстве случаев смазочноохлаждающих жидкостей. Это обусловливается тем, что большинство материалов обладает высоким влагопоглощением. Поэтому применение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительной операции – сушки изделия – или вообще недопустимо из-за необратимого изменения физико-механических свойств.

8. Специфические требования техники безопасности при резании композиционных материалов. Это связано с выделением мельчайших частиц материала при резании.

Состояние поверхностного слоя имеет очень важную роль в обеспечении высоких эксплуатационных показателей изделий. В условиях эксплуатации изделий внешним воздействиям в первую очередь подвергается поверхностный слой детали. Поверхностный слой оказывает существенное влияние на многие эксплуатационные характеристики изделий: Прочность, износ, диэлектрические показатели, влагопоглощаемость и др.

Механическая обработка существенно изменяет свойства поверхностного слоя, а следовательно, и эксплуатационные показатели. При механической обработке происходит изменение состояния поверхностного слоя ( в частности, шероховатости), перерезание армирющих волокон. Перерезание армирующих волокон при обработке резанием приводит к снижению прочности изделий до 20 %.

Шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение и прочностные характеристики, так и на другие показатели качества (износостойкость, аэродинамические характеристики и т.д.).

Механическая обработка изделий из композитов интенсифицирует, как известно, процесс водопоглощения. Это происходит за счет того, что при обработке, во-первых, снимается всегда имеющийся на поверхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитным слоем; во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя; при этом образуются микротрещины и другие дефекты материала, нарушающие его сплошнсть. Если же при обработке применяют СОЖ, то процесс водопоглощения ускоряется еще интенсивнее.

Установлено, что механическая обработка активизирует процесс водопоглощения. Отсюда следует, что при шероховатости поверхности целесообразно назначить микронеровность R_z £ 40 мкм. В этом случае влияние механической обработки на водопоглощение будет сведено к минимальному. Если, согласно условиям эксплуатации и возможностям технологического процесса обработки, высота микронеровностей составляет 40 мкм, то для уменьшения активности водопоглощения необходимо защищать поверхности изделия, например, с помощью ее окраски или покрытия лаком.

Исследование процесса водопоглощения и влияния на него механической обработки приводит еще к одному важному выводу. Речь идет о применении СОЖ при обработке. Несмотря на малое время контакта поверхности детали с СОЖ, процесс водопоглощения будет проходить активно, что во многих случаях потребует дополнительной операции – сушки изделия после обработки. Поэтому в большинстве случаев механическую обработку следует выполнять без охлаждения СОЖ или, в случае крайней необходимости, с охлаждением, например, сжатым воздухом.

При механичесткой обработке КМ всегда имеет место деструкция полимерного сязующего, а при обработке таких материалов, как органопластики – и деструкция полимерного наполнителя. Кроме того, при обработке происходит разрушение армирующих волокон. В результате этих процессов образуется деструктированно-деспергированный слой, который ухудшает эксплуатационные характеристики изделий.

· Общие сведения: типы заготовок армирующих матералов и возможных техпроцессов изготовления элементов конструкции из КМ. Подробное описание армирующих заготовок (какие типы волокон для каких предпочтительнее, какие свойства каких волокон и как меняются при переработку в заготовку, какие заготовки в каких элементах конструкции предпочтительнее всего использовать... и т.д и т.п.)

2) Влияние порядкового расположения монослоев на прочность проектируемого элемента конструкции.

Существуют следующие правила и рекомендации и особенности поведения пакетов монослоев и особенностей прочностных параметров КМ:

1) Слои с одинаковым углом армирования следует укладывать симметрично относительно среднего слоя в пакете или, в случае четного числа слоев, относительно срединной поверхности; сбалансированное постороение позволяет избежать возникновения изгибающих, растягивающих и вращающих пар сил., Это означает на каждый слой -45° должно существовать равное количестово слоев с ориентацией волокон +45° .

Рис 2.2. Пример симетричного распределения слоев материала.

В этом правиле могут существовать и исключения, например, применение КМ с определенной ориентацией волокон в конструкции обшивки крыла обратной стреловидности вызывает закручивание крыла при его изгибе в полете на уменьшение углов атаки, что приводит к уменьшению нагрузок (подъемной силы), обусловленных аэроупругой деформацией крыла, и к резкому увеличению Vкр. див.

Несоблюдение этого правила может привести к проблемам показанным на рисунке 2.3.:

Рис 2.3. Влияние сочетания монослоев различной ориентации на стабильность

элементов конструкции из КМ.

2) Порядок сложения армирующих слоев напрямую влияет на изгибную жесткость материала и его реакцию на изгибающие усилия. Наибольшей жесткостью на изгиб среди элементов конструкциий близких к листовыми по геометрическим параметрам обладают те, в которых близко к поверхности расположены слои с ориентацией армирущих волокон под углами ±45° и 90° относительно направления действующей нагрузки. В элементах, которые согласно их типоразмеру можно отнести к балкам, наибольшая жесткость на изгиб предается слоями с ориентацией армирующих волокон под углом 0°.

3) Слои прилегающе к местам соеденения оптимально распологать парралельно возникающей в соединении нагрузке. Наименьшей эффективностью в наких случаях обладают слои с расположением армирущих волокон под углом 90° относительно действующей нагрузки.

4) Следует избегать разности угла ориентации армирующих волокон более чем на 60° , т.к. превышение этого значения приволит к образовнию микротрещин и отрицательно сказаться на характеристиках по межслоевому сдвигу и усталостной прочности. Это праило не всегда работает для конструкций с количеством слоев меньше 16.

5) Порядок сложения слоев также влияет на возникновение напряжений направленных по нормали к поверхности изделия (перпенидкулярно армирующим слоям). При определеном порядке сложения слоев это может привести к расслоению изделия под действием статической или циклической нагрузок. В незакрепленных сторонах элементов конструкции из КМ, а также в отверстиях напряжение межслоевого сдвига особенно велико (возможно в таких случаях в этих местах оно будет наибольшим). Максимальное расслаивающие напряжение в детали будет в местах приложения максимального бокового (перпендикулярного оси основных накрузок) растяжения. Для уменьшения таких напряжений следует располагать слои с наибольшим растягивающим боковым расположением ближе к среднему слою (См Рис 2.4)

Рис 2.4. Влияние порядка сложения монослоев с различной ориентацией на межслоевые напряжения (в условиях осевого сжатия величиной 48 ksi)

6) По возможности следует избегать группирования слоев с ориентацией волокон 90° (0º - направление действия критической нагрузки), разделяя их слоями 0° и ±45°, для минимизации межслоевого сдвига и нормальных напряжений.

7) Не следует так же распологать более 6-8 однотипных слоев подряд что бы избежать расщепления по краю.

8) Оптимальным вариантом для поверхностного слоя является ориентация армирующих волокон под углом ±45°.

9) Любой элемент конструкции должен содержать как минимум 10% слоев альтернативных направлений (±45°, 90° и 0°) – это предотвращает непосредственно нагружение матрицы в этих направлениях.

10) Избегать проектирования мест – концентраторов напряжений из-за возможного расслоения материала.

11) Везде, где возможно, поддерживать однородность последовательности пакетирования.

12) Симметрия слоев должна быть сохранена не только внутри пакета, но и внутри сборок, если элементы были склеены, отверждены с одновременной адгезией в другие подготовленные поверхности с таким же циклом отверждения. (Возможно исключения из данного решения, если требуются дублеры или локальная подмотка, но дублеры сами по себе должны быть симметричны).

13) В местах механических соединений использовать по крайней мере 40% ±45º слоев для увеличения прочности на смятие. Также прочность на смятие механического крепления можно увеличить за счет локального увеличения толщины в месте крепления.

14) Размеры ячеек сотового заполнителя должны быть достаточно малы для предотвращения “скукоживания” обшивок втечении отверждении при нормальном давлении.

15) Не рекомендуется применять соты из алюминия в сотовых конструкциях с углепластиковыми несущими слоями по причине возможного возникновения электрохимической коррозии:

- если алюминиевые соты должны быть использованы по прочностным причинам, они должны быть изолированы от углеродных слоев;

- они не должны применяться, если есть опасность поражения молнией.

16) При пректировании особое внимание необходимо уделить местам склонным к отслоениям, которые вызываются дефектами, возникающими в процессе обработки, поперечными нагрузками.

17) Клееные нагрузки склонны к раскалыванию, которое проходит поперек линии склеивания смежных структур.

18) При сверлении отверстий в углепластике на основе эпоксидного связующего, в котором волокна всех слоев оринтированы под углами ±45º, фактор концентрации напряжений уменьшается в 3,5 раза по сравнению с однонаправленным под углом 0º углепластиком.

19) Избегать последовательности слоев 0º/90º.

20) На величину коэффициента Пуассона мжно влиять путем варьировнаия процентным соотношением слоев в пакете (Рис 2.5)

Рис 2.5. Зависимость коэффициента Пуассона от процентного соотношения слоев с различной ориентацией.

21) Для элементов, работающих на растяжение, целесообразно использование стеклянных и органических волокон (первые ещё и дешевле, а вторые имеют меньшую плотность).

22) Наибольшие прочность и жесткость при сдвиге достигаются направлением армированных волокон ± 45º.

23) Наибольшие ударная прочность, вязкость и трещиностойкость – у органопластиков; наиболее хрупки – углепластики.

24) Наиболее термостойкими являются угольные волокна и борные волокна (t = 500…900 ºC).

25) Более легкие конструкции из КМ могут оказаться более выгодными даже при большой стоимости самих КМ, так как, снижая массу планера, они позволяют снизить расход топлива, увеличить удельную нагрузку или дальность полета. Последнее ведет к увеличению эффективности самолета. Говоря о весовом совершенстве конструкции, следует отметить, что наибольшее снижение массы конструкции получается в том случае, если конструкция самолета специально проектируется под использование КМ, а не приспосабливается к их использованию за счет замены традиционных материалов на КМ.

26) Основные факторы, на которые следует обратить внимание при проектировании композитных соединений, следующие – передаваемые крепежом нагрузки, место установки крепежа, геометрия крепежа, рабочая среда крепежа, эффективное соотношение масса-стоимость крепежа, надежность крепежа.

· Общая теория (рациональное расположение для работы против определенных видов нагружения, предотвращение коробления в процессе производства, предотвращение расслоения в ходе эксплуатации зависимость порядка сложения слоев от типоразмера и т.д и т.п)

· Расположение слоев применительно к реальным конструкциям (примеры, схемы, объяснения зачем это нужно (т.е. какие нагрузки компенсируются))

Переходы толщин в симметричном и сбалансированом ламинате