Курс лекций. Курс лекций Технологические процессы изготовления деталей самолета из неметаллических материалов (в том числе и композиционных материалов)
 Скачать 42.84 Mb.
|
|
3. Термореактивные прессовочные материалы. ТПМ – это пластические массы, представляющие собой композиции из термореактивных смол, наполнителей - органических (древесная мука, натуральные и синтетические волокна) или минеральных (кварцевая мука, тальк, слюда, стеклянное волокно, кремнезем) и специальных добавок. Свойства термореактивных прессовочных материалов определяются типом связующего (смолы), а также видом и природой наполнителя. По виду наполнителя прессовочные материалы разделяются на волокнистые (наполнитель из органических и минеральных волокон или нитей различной длины) и порошкообразные (мелкодисперсные минеральные или органические наполнители). Волокнистые прессовочные материалы. Наиболее широко применяемые в авиации волокнистые материалы: АГ-4В; АГ-4С; АГ-4НС; АГ-4ЛС; ДСВ-2-Р-2М в состав которых входят модифицированная фенолоформальдегидная смола и стеклянное волокно различного вида (спутанное для АГ-4В; непрерывная лента из крученых для АГ-4С; или некрученых – АГ-4НС комплексных нитей, пропитанных смолой). Волокнистые прессовочные материалы обеспечивают большую конструкционную прочность деталей, чем порошкообразные. Их механические свойства существенно зависят от длины волокна, от способа подготовки материала перед прессованием и метода прессования. После фильерирования и при литьевом прессовании прочностные характеристики волокнистых снижаются до 50%, что обусловлено разрушением волокна в процессе переработки. Материалы применяются для армированных и неармированных деталей конструкционного и электротехнического назначения, работающих в интервале температур от –196 до +200ºС. Допускается кратковременный нагрев деталей до 250ºС в течение 2-3 часов и до 1500-2000ºС в течение 10-15 секунд. Предел прочности при растяжении отпрессованных образцов такого материала имеет значение не менее 5500 кг/см2; при сжатии до 2500 кг/см2; при изгибе 4500 кг/см2 для АГ-4С. Детали из материала получают методом прямого или литьевого прессования при t = 155±5ºС и удельном давлении от 200 до 1200 кг/см2 с выдержкой из расчета 1-1,5 минуты на 1 мм толщины. Материал легко поддается механической обработке, но при этом наблюдается повышенный износ инструмента и выделение стеклянной пыли. Прессование выполняется на гидравлических прессах с усилием до 630 тонн (фото пресса 68А) в прессформах с обогревом от нагревательных плит или вмонтированного в п/ф. Конструкция прессформы зависит от конфигурации детали её армирующих элементов и программы выпуска деталей. Месность прессформы расчитывается от усилия прессования имеющегося пресса и площади прессования детали и колеблеться от одного до 20-25 мест (Показать чертеж п/ф 68Б). Технологически рассчитанная навеска с учетом потерь на облой закладывается в загрузочную камеру нижней части (матрица) раскрытой п/ф, нагретой до t прессования. Затем ходом пресса на матрицу опускается пуансон и с подпрессовкой создается необходимое давление, контролируемое по манометру. Литьевые п/ф отличаются от п/ф прямого прессования наличием канала для подачи материала в полость п/ф и устанавливаемой обогреваемой литьевой камерой, рассчитанной на полную заливку рабочей полости п/ф. После окончания выдержки при t прессования данного материала п/ф раскрывается, а детали поднимаются в матрице системой толкателей для обеспечения съема деталей специальными съемниками при обратном ходе толкателей. Для этого пресса для пластмасс имеют нижний цилиндр, связанный с системой выталкивания прессформы переходниками. Существует более 40 видов волокнистых прессовочных материалов, выбор которых зависит от назначения детали и условий её работы в конструкции. Так для неармированных и армированных деталей фрикционного назначения (тормозные колодки, кольца, вкладыши, сектора), работающих в паре с чугуном ЧНМХ в узлах трения с температурой на поверхности до 1100ºС при скорости скольжения до 50 м/сек и удельном давлении до 25 кг/см2 рекомендован Ретинакс А в состав которого входит модифицированная фенолоформальдегидная смола ФК-30, асбест, барит, латунная проволока Л-62. До запрессовки – это кусочки неправильной формы размером в поперечном сечении до 8 мм. Изделия из ретинакса получают методом прямого прессования при t = 160-170ºС и удельном давлении не менее 600 кг/см2 с выдержкой из расчета 1 минута на 1 мм толщины детали. Показать детали (заглушки, ламели – 5шт.) и фото крупногабаритных деталей, 69А,Б.   Материалы термореактивные прессовочные порошковые. Порошковые материалы в своем составе в зависимости от марок, в виде связующего имеют фенолоформальдегидные, феноло - анилиновые, феноло - крезольные, эпоксидные, мочевино - формальдегидные, меламино – формальдегидные смолы и другие. Наполнителем служит древесная мука, древесный наполнитель; молотая слюда, кварцевая мука, плавиковый шпат, минеральный наполнитель, виброизмельченный кокс, измельченный асбест для ряда прессовочных фенольных масс различных марок. Прессованные образцы таких материалов имеют предел прочности при растяжении от 240 до 600 кг/см2 и предел прочности при сжатии 1200-2700 кг/см2. Ряд материалов работают при t от –60 до +60ºС и предназначены для электроизоляционных деталей общего технического назначения, работающих при постоянном и переменном токе низкой чистоты (50 Гц). Для армированных и неармированных ненагруженных деталей общего технического назначения изделий ширпотреба, декоративных деталей. Некоторые материалы работают до +110 - 120ºС и даже 175ºС (Э5-101-30(в-4-70). Материалы прессовочные порошкообразные марок К-124-П50; К-124-Ф работают до +200ºС в деталях электротехнического назначения с высокой стабильностью диэлектрических свойств и размеров. Порошок прессовочный аминопласт, класс А, класс Б предназначен для просвечивающих (группа А1) и непросвечивающих (группа А2) изделий общего технического и бытового назначения, не соприкасающихся с пищевыми продуктами, а класс Б для изделий, соприкасающихся с горячими и холодными сыпучими и жидкими пищевыми продуктами. Порошок прессовочный аминопласт класс В, группы В1; В2 и В3 применяется для приборов зажигания включателей авиационных и других двигателей, работающих в воздушной среде в интервале температур от –60 до +60ºС в условиях воздействия искрового разряда. Детали из порошкообразных материалов получают методом прямого и литьевого прессования при t = 155-185º±5ºС и удельном давлении 300-800 кг/см2 с выдержкой под давлением 30-50 сек. на 1 мм толщины детали в зависимости от метода прессования и конфигурации детали. Материал обычно прогревается перед прессованием в термостате при 130-150ºС от 5 до 20 мин. Либо таблетирутся и подогревается токами высокой частоты – это при массовом производстве. Конструкция прессформ аналогична п/ф для волокнистых прессматериалов. Детали из пресспорошка. 4. Термопластичные материалы. Термопласты представляют собой большую группу полимерных материалов, особенность которых состоит в том, что при изменении температуры они меняют свое физическое состояние (размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении), не претерпевая при этом химических превращений. Характерной особенностью полимеров является способность находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем, каждому из которых соответствует определенный комплекс свойств. Температурные интервалы перехода разных материалов из одного состояния в другое различны. В интервалах перехода наблюдается наиболее резкое изменение физико-механических и других свойств. Переработка термопластов в изделия обычно проводиться в области вязкого течения (литье, экструзия) или в высоко эластичной области (ориентация, формование, штамповка). Термопластам свойственны следующие характерные особенности, которые следует учитывать при использовании этих материалов:
Термопласты не всегда обладают требуемым комплексом свойств. Для повышения характеристик этих материалов используются различные методы: ориентация, наполнение, физико-химическое модифицирование, нанесение поверхностных покрытий. Ориентация позволяет повысить прочность термопластов в 2-5 и более раз. Введением наполнителей улучшается механическая прочность, твердость, жесткость, теплостойкость, уменьшается ползучесть, повышаются фрикционные и антифрикционные характеристики. К методам физико-химического модифицирования относятся термо и фотостабилизация, смешение полимеров в расплавах и химическое модифицирование. При термостабилизации повышается термостабильность, а следовательно и физико-химические свойства. Фотостабилизация дает возможность достичь высокой стойкости покрытий на основе полимеров при открытой экспозиции в условиях субтропического климата. Смешением полимеров в расплавах и с помощью химического модифицирования получают самозатухающие материалы и с повышенной огнестойкостью. Нанесение поверхностных покрытий на металлы в виде аэродисперсий позволяет получить металлополимерные системы, обладающие свойствами металлов и полимеров. Нанесение покрытий проводиться методом вихревого, вибро-вихревого, струйного, электростатистического и центробежного напыления в специальных установках, обеспечивающих нагрев предварительно подготовленной поверхности. Покрытия формируются за счет тепла, аккумулированного изделием в процессе предварительного подогрева или дополнительной термической обработки. Термопласты благодаря сочетанию ценных свойств применяются в различных областях авиационной техники для изготовления электро и радиодеталей, антифрикционных и уплотнительных деталей для агрегатов, работающих в агрессивных средах, деталей самого разнообразного назначения (уплотнительные шайбы, кольца, прокладки, втулки манжеты, буксы шасси, корпуса и детали приборов, транспортные заглушки, пробки, кнопки, рукоятки и панели внутренней отделки салонов, шкивы, шестерни). Эти детали изготавливают как из чистых термопластов, так и армированных различными наполнителями и арматурой. Далее мы рассмотрим различные виды термопластичных материалов: органическое стекло; триплексы; полиамиды; фенилоны; полиэтилены; фторопласты; пленки и изделия из различных полимерных материалов; пенопласты. Наиболее широко в авиационной технике применяются прозрачные термопласты органические стекла и триплексы на их основе. История авиационной техники наглядно свидетельствует об усилении роли прозрачных элементов в конструкции летательных аппаратов. Если на заре авиации достаточно было установить на аэроплане небольшой прозрачный щиток или колпак для защиты пилота от набегающего потока воздуха и уже в 30-е годы, когда экипаж стал размещаться в закрытой кабине, возникли вопросы обеспечения достаточного обзора, защиты от внешних воздействий, прочности и надежности остекления. При рабочих температурах от –30 до +60ºС основным материалом для него служил целлулоид, обладавший ограниченной прозрачностью и высокой склонностью к горению. До войны в СССР были проведены работы по созданию органических стекол на основе полиметилметакрилата. Его прозрачность была высокой (90%), а горение медленным. Однако оргстекло обледеневало в условиях полета, легко царапалось, было склонно к старению, покрывалось сеткой мелких трещин “серебром”. Силикатное стекло из-за своей хрупкости, невысокой прочности и большого веса не находило применения в авиации. Разработанная технология воздушной закалки силикатного стекла, позволившая повысить прочность в 3 раза, дала возможность создания безопасного стекла-триплекса. Для защиты экипажа самолета от пуль была создана прозрачная броня на основе композиций из нескольких листов силикатного стекла, склеенных прослойкой пленки “бутафоль”. Повышение скорости полета до М1, а потолка до 10 км и более потребовало создания герметичных кабин. В остекление стали возникать большие напряжения от внутреннего избыточного давления, аэродинамических нагрузок и перепада температур. Создание реактивных самолетов потребовало повышения теплостойкости остекления, способного выдержать аэродинамический нагрев выше 100ºС и улучшения противообледенительных свойств остекления. Эти вопросы были решены развитием технологии триплексов на основе ударопрочного стекла с применением электрообогреваемых устройств в виде тонкой проволоки или электопроводящего покрытия. Стекло стало важным силовым элементом конструкции летательного аппарата, обеспечивающем эффективность и безопасность полетов. К настоящему времени изделия авиационного и космического остекления превратились в изделия конструкционной оптики (ИКО), представляющие собой сложные оптические системы с высоким уровнем прочности и надежности, достигаемым на основе композиций из различных неорганических и органических прозрачных материалов, пленок и покрытий, герметиков и металлов. Авиационные ИКО, предназначенные для остекления кабин, должны обеспечивать пилотам незатенненый, неискаженный, достаточно широкий обзор, сохраняющий удобства пилотирования при всех маневрах и режимах в условиях эксплуатации. Для дозвуковых самолетов угол установки любого стекла между нормалью к плоскости стекла и осью фюзеляжа составляет 50-55º, а для сверхзвуковых 60-65º. Деформация изображения при этом не должна превышать 10 угл мин на базе 200 мм. Важнейшие требования к ИКО: 1 Детали ИКО должны выдерживать кратковременные и длительные статистические, а также динамические нагрузки, соответствующие требованиям, предъявляемым к конкретным ЛА, с высокой надежностью и ресурсом. 2 Коэффициент светопропускания должен быть в пределах 60-85%, светорассеяние не должно превышать 2,5%. Остекление должно исключать недопустимые изломы линии горизонта, приближение и удаление, деформацию и игру изображения (нарушение пропорций частей рассматриваемых объектов), не должно пропускать излучения, вредно действующие на организм человека. 3 Поверхность остекления должна быть абразивостойкой (устойчивой к царапанью и воздействию абразивных частиц) выдерживать дождевую эрозию, град. 4 Остекление не должно запотевать и обледеневать. 5 Выдерживать рабочие температуры от –60 до +200ºС (от типа ЛА). 6 Остекление должно быть легким. Требования стойкости к внешним воздействиям – это стойкость к механическим факторам, синусоидальной и случайной широкополосной вибрациям, механическим ударам одиночного и многократного действия, линейному ускорению, акустическим шумам. Все авиационные ИКО, попадающие в аэродинамический поток, должны быть стойкими к соударению с птицей массой 1,8 кг при всех скоростях полета на высотах до 2500 метров. При столкновении остекление должно сохранять неразрушенным внутреннее стекло, обращенное в кабину; не должно происходить его опасного разрушения, потери герметичности, недопустимых нарушений видимости. Для остекления боевых самолетов используются многослойные пулестойкие ИКО (прозрачная броня), конструкция которой зависит от заданных защитных свойств (калибр и скорость пули, угол встречи). Для защиты от обледенения в конструкцию ИКО вводиться электронагревательный элемент, обогревающий наружное стекло. Защищенный от обледенения участок изделия должен перекрывать взлетно-посадочные и приборные зоны ИКО. Для остекления фонарей кабин и салонов самолетов применяют органические стекла (термопласты) – полиметилметакрилаты (ПММА) СО-95; СО-120; СО-180; Э-2 и СО-200 и поликарбонат СО-150. Органические стекла по сравнению с силикатными стеклами обладают пониженной в 2 раза плотностью и повышенной удельной ударной вязкостью. Стекла бесцветны, имеют уровень пропускания в видимой области 80-90%. Благодаря сочетанию высокой светопрозрачности, низкой теплопроводности и хорошей термопластичности органическое стекло является основным материалом остекления фонаря летательных аппаратов. Важнейшие физико-механические свойства органического стекла сохраняются на достаточно высоком уровне в широком диапазоне температур, позволяя обеспечивать необходимую прочность конструкций. Для остекления кабин летательных аппаратов, работающих в интервале температур от -60º до +60ºС применяется полиметилметакрилатное органическое стекло СО-95. В качестве материала остекления кабин самолетов, работающих при t от –60º до +80ºС при полном прогреве и при перепаде температур до 120/30ºС, применяется органическое стекло марки СО-120 и ориентированное органическое стекло марки АО-120. При температурах от –60º до +100ºС (при полном прогреве и перепаде температур до 140/30ºС) используется стекло марки СО-140. Стекло органическое Э-2 (гомополимер винилового ряда) выдерживает температуру от –60º до +130ºС при полном прогреве и перепаде температур 260/30ºС. Теплостойкие органическое стекло СО-200 (сополимер винилового ряда) имеет рабочий интервал температур от –60º до +200ºС работает при полном прогреве до +150ºС и при перепаде температур 260/80ºС. Теплостойкие органические стекла Э-2; СО-200 разработаны и выпускались в России, не имея зарубежных аналогов, и были предназначены для остекления кабин сверхзвуковых самолетов МиГ-25; МиГ-31; ТУ-160 (показать фото остекления без каркаса и в каркасе). Начавшийся развал химической промышленности с 1990 года прекратил выпуск этих уникальных стекол с 1994 года на Дзержинском «Оргстекле» и «НИИ полимеров». Органические стекла являются довольно хрупкими материалами, особенно в условиях одностороннего перепада давлений. Менее хрупкое ориентированное стекло. Детали остекления из этого материала при пробитии имею только локальное разрушение. При вытяжке органического стекла в высокоэластичном состоянии (при температуре выше точки размягчения) звенья молекул ориентируются в направлении действия внешней силы, что приводит к упрочнению вязкости материала. Двухосная вытяжка органического стекла приводит к его упрочнению в любом направлении в плоскости листа и зависит от степени вытяжки. Степень вытяжки εпр может быть вы вычислена по формуле:  Ориентированные органические стекла превосходят неориентированные по показателям пластических свойств – удлинению при разрыве, ударной вязкости, прочности при изгибе, локальности разрушения, сопротивлению возникновению и развитию трещин, длительной прочности.
Органическое стекло легко обрабатывается механическим способом. Из него можно получить детали остекления простой и сложной кривизны сравнительно простыми технологическими методами. Все органические стекла изготавливаются в виде листов разной толщины от 0,5 мм до 30 мм и габаритами от 400х500 до 1400х1500. По специальному заказу изготавливаются крупногабаритные листы до 2000х3000 мм и даже переменной толщины с утонением в центре листа до 8,8±0,3 мм и по краям 10±0,5 мм. Такое стекло применяется для ОЧФ самолета ЯК-130 имеющие утонение в верхней части стекла ОЧФ до 5,5-6,0 мм и по периметру заделки более 6 мм (показать чертеж детали). Изготовление листового органического стекла ведется заливкой исходного маномера в зазор между двумя силикатными полированными стеклами, загерметизированными трубкой ПВХ по периметру и сжатой струбцинами до требуемой толщины. Залитый в зазор маномер полимерезуется в течении суток в ванне с горячей водой и последующим охлаждением в проточной воде. Ориентированные органические стекла АО-120 и Э-2У получают путем растяжения по плоскости заготовок стекол СО-120 и Э-2 большей толщины (рассчитанной от заданного % ориентации) при температуре выше температуры размягчения с последующем охлаждением в растянутом состоянии. Этот процесс проводиться на специальных машинах горизонтальной ориентации, обеспечивающих зажим заготовки по периметру листа и удержанием его на всем цикле вытяжки. Для этого зажимы имеют каналы для охлаждения водой. Стекла Э-2 и СО-200 для самолетов МиГ-25; МиГ-31 изготавливались в профилированном виде (по теоретическому контуру остекления кабины самолета) с заливкой в специальные стекломатрицы, изготовленные из силикатного стекла по технологии моллирования. Это придание контура двойной кривизны пакету набранного из силикатных стекол в формах (чугунных) моллирования при t = 700-1000ºС под собственным весом. При этом поверхность каждого листа пакета обрабатывалась сажой методом напыления. Производство стекломатриц было организовано на Борском стеклозаводе из силикатного полированного стекла 5-6 мм толщины на формах маллирования, изготовленных на нашем заводе, как и остальное оснащение для контроля и обрезки контура. Все вышеперечисленные органические стекла являются термопластичными материалами, которые при нагревании размягчаются, а при охлаждение отверждаются. Это свойство стекла используется при изготовление деталей различной формы. Органическое стекло обладает при определенных условиях склонностью к растрескиванию и образованию “серебра” (микротрещин). “Серебро” вызывается напряжениями растяжения, которые могут возникнуть в деталях остекления при изготовлении или при эксплуатации. На процессе образования “серебра” влияют также факторы, снижающие поверхностную прочность ОС: органические растворители, ультрафиолетовое облучение, интенсивные местные прогревы поверхности, воздействие горячей воды и др. Поэтому при отработке технологии формования, механической обработки и других технологических операций, при проверке соблюдения режимов технологии рекомендуется производить определение уровня растягивающих напряжений в формованных деталей. Наличие напряжений устанавливается методом определения “серебростойкости” образцов стекла в ацетоне. Эта методика позволяет произвести испытание как образцов, вырезанных из детали, так на крупногабаритных деталях в местах, предполагаемых наибольших напряжений. В первом случае образец помещается в емкость с ацетоном с полным погружением под слой жидкости. Образец выдерживают в ацетоне в течение 3 минут с контрольным просмотром через 1,5 минуты. Если в течении 3 минут на образце не появилось “серебро”, то стекло считается “серебростойким”. Для наблюдения за появлением “серебра” образец извлекается из ацетона и его поверхность просматривается в проходящем свете под различными углами к источнику света (лампа 75 Вт) исключая испарения ацетона окунанием в емкость. Для крупногабаритных деталей ацетон наносят ватным тампоном, пипеткой или капельницей на отдельные испытуемые места поверхности детали с обведенных валиком из пластилина, замазки, герметика для исключения растекания ацетона. Детали, прошедшие испытание эксплуатации не подлежат. ОС категорически запрещается протирать органическими растворителями. В случае крайней необходимости разрешается протирать только нефрасом С3-80/120 (бензином). На деталях из ОС допускается устранение мелких механических повреждений шлифованием непосредственно на изделии вручную с помощью тампона из мягкой х/б ткани и шлифовального порошка зернистостью не крупнее 4 с последующем полированием полировочной пастой для ОС. Изготовление деталей остекления из органического стекла. Качество деталей остекления зависит от выбора наиболее рационального метода формования, соблюдения требований технологии, а также от конструкции, материала и качества оснастки для формования. Пластические свойства ОС позволяют путем формования изготовить из листового материала детали сложной формы. Формование деталей остекления может осуществляться двумя основными методами:
Формование органического неориентированного стекла. Бесконтактное    |