Изготовление сложнопрофильных деталей

И тормозных дисков из углерод-углеродных

Композиционных материалов

В технологии изготовления сложнопрофильных тонкостен­ных деталей из углепластиков, УУКМ и карбидоуглеродных материалов при создании сложных многослойных конструкций с трехмерной структурой используют различные методы арми­рования (см. гл. 3):

многослойными тканями (плетение тканей по системе двух или трех нитей);

пакетами сшитых однонаправленных монолент (прошивка сухих и пропитанных лент);

нитевидными кристаллами (хаотическое армирование по­лимерной матрицы и армиро­вание вискеризованными во локнами);

коротковолокнистой арма­турой (хаотическое и регуляр­ное армирование).

Наибольший практический

Рис. 6.34. Деталь входного уст           интерес для создания техноло­гии ройст­ва сверхзвукового ЛА из            сложнопрофильных деталей сшитых многопрофильных элементов представляют два метода:

476

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

прошивка сухих пакетов и прошивка пропитанных лент. В частности, метод прошивки положен в основу технологии из­готовления детали входного устройства сверхзвукового лета­тельного аппарата (рис. 6.34), представляющей собой сложный элемент конструкции из сшитых многопрофильных элементов. В процессе изготовления отдельных элементов конструкции прошивке подвергаются пакеты из углеродных лент (табл. 6.11), состоящие из восьми слоев общей толщиной 1,8 мм. Для про­шивки используют углеродные нити, характеристики которых приведены в табл. 6.12. Пакеты набираются из углеродных монолент, ориентированных один относительно другого под углом 45°, что обеспечивает снижение анизотропии физико-механических характеристик конечного пакета.

Таблица 6.11 Характеристики углеродной ленты

 

Параметры	Значение
Толщина углеродной ленты, мм	0,11...0,15
Ширина ленты, мм	255 ±20
Линейная плотность, г/м	35 ±5
Число нитей в основе ленты шириной 10 см	485 ±30
Плотность нити в основе ленты, г/см	1,69-0,05

Таблица 6.12 Характеристики углеродных нитей

 

Параметры	Значение
Линейная плотность, текс Отклонение от заданной линейной плотности, текс Предельное удлинение не менее, %	215 ±15 0>4

В связи с тем₉ что при сухой сшивке трудно сохранить заданную ориентацию монослоев вследствие их смещения ме­ханизмом подачи швейной машины, и при этом часть волокон прорубается при прохождении иглы через прошиваемый пакет, в технологии изготовления используют метод прошивки про­питанных связующим углеродных монолент.

477

6.4. Изготовление сложнопрофильных деталей

В качестве таких связующих служат три типа полимерных композиций: жидкое стекло, поливиниловый спирт (ПВС), карбометилцеллюлоза. Все эти матрицы водорастворимы и легко удаляются при температуре до 60 °С. Наилучший резуль­тат получают при использовании в качестве связующего 3%-ного раствора ПВС, которым пропитывают пакет слоев монолент и смачивают углеродную нить.

Для защиты крайних слоев пакета в процессе прошивки от механических повреждений в прошивочном тракте швейной машины имеются водонепроницаемые защитные пленки (полиэтиленовые, триацетатные и лавсановые). Наиболее эф­фективно использование лавсановой пленки, обладающей по­вышенной формоустойчивостью при смачивании ее раствором ПВС. В качестве прошивочного агрегата применяют универ­сальную швейную машину с усовершенствованным трактом подачи нити, максимально исключающим резкие перегибы углеродной прошивной нити по всему тракту. При этом натя­жение прошивной нити по тракту составляет не более 0,1 кг, что исключает ее повреждение в процессе прошивки пакета. При прошивке используют несколько типов швейных игл диа­метром от 1,5 до 3 мм. После прошивки детали подвергают сушке при температуре 100 + 20 °С.

Лавсановую пленку после изготовления детали удаляют с поверхности механическим путем.

Изготовление сложнопрофильных образцов типа тавра или

коробчатых конструкций прово­дится путем совместной про­шивки отдельных элементов с последующей их фиксацией (с силой Р) в специальных приспо­соблениях-оправках (рис. 6.35) и сушкой в термопечи.

Рис. 6.35.Фиксация тавровой кон­струкции из УУКМ в приспособле­нии: / - композит; 2 — уголок; 3 - плита

Тормозные диски из хаотич­но армированных УУКМ широ­ко используют в авиации и транспорте. В технологическом процессе для формирования ар­мирующего каркаса применяют смесь рубленых углеродных и арамидных волокон, а в качест-

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

ве связующего — порошок резольной фенолформальдегидной смолы с добавками веществ — модификаторов коэффициента трения и износа (карбонат кальция, сульфид бария).

В основу получения хаотично армированного препрега по­ложен метод гидросуспензионного формования при помощи вакуумного фильтра (нутч-фильтр).

Оборудование, используемое в промышленной технологии формования заготовок тормозных колодок, состоит из следу­ющих технологических единиц: миксера для приготовления водных суспензий; миксера с регулируемой скоростью переме­шивания для приготовления дискретно-волоконной массы; двух емкостей для оборотной воды; нутч-фильтра и вакуумного насоса; систем перепуска; термошкафа; карбонизатора.

Проектная мощность линии составляет 300...400 тормозных колодок в смену. Технологический процесс изготовления тор­мозных дисков, основанный на методе нутч-формования пре-прегов дискретно хаотической структуры, включает в себя сле­дующие операции.

1. Приготовление фрагментов углеродных нитей длиной
1...10 мм при помощи воздушно-механической мельницы. При
этом используют различные типы наполнителей УКН-5000 и др.

2. Приготовление водяной суспензии связующего.

3. Механическое разноскоростное размешивание фрагмен­тов нити в водяной суспензии до получения однородной во­локнистой массы.

4. Нутч-фильтрация полученной массы.

5. Сушка в термошкафу при температуре 95 °С в течение 12 ч — получение препрега.

6. Закладка препрега в подогретую до 150 °С пресс-форму; прессование с удельным давлением 35 МПа; выдержка в тече­ние 40 мин; распрессовка (прессование производится на ме­таллическую основу).

7. Карбонизация при температуре 1000 °С при заданном усилии прессования.

8. Четыре цикла пропитки пеком с последующей карбони­зацией.

9. После третьего и четвертого циклов графитизация при температуре 2400 °С в течение 1,5 ч.

 

478

479

6.4. Изготовление сложнопрофильных деталей

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

 

Модификация свойств УУКМ позволила значительно рас­ширить область их применения. Например, высокие фрикци­онные свойства, малая скорость износа, сочетание высоких прочностных и теплофизических характеристик с малой плот­ностью обусловили применение УУКМ в тормозных системах. Самолет "Конкорд" — первый гражданский самолет, на кото­ром были установлены тормоза из УУКМ, что позволило сни­зить массу самолета на 634 кг (по сравнению с тормозной системой из бериллия). Разработанный и успешно применяв­шийся в отечественной практике УУКМ марки "Термар" имеет недостаточно высокий ресурс работы (не более 300...400 взлетов и посадок), в то время как в соответствии с современными требованиями к тормозным дискам количество взлетов и по­садок должно быть не менее 1000.

В настоящее время разработаны два типа УУКМ для тор­мозных дисков, полностью удовлетворяющие требованиям авиационной промышленности: коэффициент трения — 0,24...0,35; интенсивность износа — не более 2,0 мкм/торможе-ние; коэффициент стабильности — не менее 0,75.

В процессе разработки материала был осуществлен полный комплекс исследований, включавший в себя этапы проектиро­вания, технологической отработки, структурных исследований, определение физико-механических характеристик материала. Заключительной стадией работ стали испытания тормозных дисков. Эти испытания проводились с использованием устано­вок серии "Трибовак", работающих в соответствии с различ­ными кинематическими схемами, при следующих условиях: среда в камере трения — воздух при атмосферном давлении; нагрузка на вращающийся образец — 5 МПа; скорость сколь­жения — 0,345 м/с; начальная температура образцов — 20 °С.

Испытания моделей пар трения показали, что лучшими трибологическими характеристиками обладает материал струк­туры 4D на основе высокомодульной нити УКН-5000, уплот­ненный пироуглеродом из газовой фазы и донасыщенный каменноугольным пеком с последующей карбонизацией и гра-фитизацией.

В производстве тормозных дисков используют следую­щие режимы насыщения каркасов согласно пековой тех­нологии:

1) пропитка пеком:

предварительное вакуумирование, МПа......................................... 0,01

температура, °С..................................................................................... 270

давление, МПа................................................................................... 2,88

время пропитки под давлением, мин............................................... 60,0

охлаждение........................................ произвольное в инертной среде;

2) карбонизация под давлением:

предварительное вакуумирование, МПа.............................................. 0,01

температурный режим:

подъем температуры до 300 °С со скоростью 5 °С/мин подъем температуры до 450 °С со скоростью 1 °С/мин

выдержка при 450 °С, ч ....................................................................... 4

подъем температуры до 1000 °С со скоростью 1 °С/мин

выдержка при 1000 °С, ч.................................................................. 3 — 4

рабочее давление в ходе процесса, МПа.................................................. 55

охлаждение............................................. произвольное в инертной среде;

3) графитизация при температуре 2400 °С в течение 1,5 ч.

Лучшие характеристики по коэффициенту трения и его стабильности имеет материал структуры 4D.

С целью снижения интенсивности линейного износа раз­работанных УУКМ проводились исследования по модифика­ции углеродной матрицы методами борирования, силицирова­ния и алюмосилицирования.

Силицирование проводят посредством окунания заготовок в расплав кремния с 10%-ным содержанием алюминия. Лучшие результаты получают для УУКМ после силицирования с 10%-ным содержанием алюминия, однако это значение превышает мак­симально допустимое.

УУКМ для изготовления дисковых тормозов должны обла­дать высокой стойкостью к окислению.

Лучшими противоокислительными покрытиями являются материалы на основе карбидов и нитридов кремния.

Наиболее часто используют шликерный метод силицирова­ния УУКМ с применением порошкообразного нитрида крем­ния и газофазный — с применением гафния.

При изготовлении дисков наилучшей является структура армирования материала 4D. При этом три направления арми­рования лежат в плоскости ХУ и повернуты одно относительно другого на угол 60°. Четвертое направление перпендикулярно плоскости ХУ. Плоскость диска при этом совпадает с плоскос-

 

480

31-1-243

481

6.5. Изготовление топливных баков и сосудов давления

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

 

товления бака: одновременная намотка двух полукорпусов; раз­дельная намотка полукорпусов.

тью ХУ, а ось Z перпендикулярна поверхности диска. Для армирования используют жгуты из нитей в два и шесть сложе­ний.

6.5. Изготовление топливных баков и сосудов давления

Топливные баки ракет, самолетов, вертолетов имеют, как правило, цилиндрическую форму с днищами.

Сосуды давления широко используют в двигательных уста­новках в качестве вытеснительной системы подачи топлива. Кроме того, их применяют в системе барботирования компо­нентов топлива, в пневмогидравлических системах управления, для поддержания избыточного давления в дисках, в системах жизнеобеспечения космических кораблей, в качестве емкостей для хранения жидких и газовых веществ.

Сосуды давления для аэрокосмической и ракетной техники конструктивно могут быть выполнены в виде цилиндра с дни­щами в форме сферы или тора, а также в виде комбинаций этих форм.

В общем случае конструкция топливных баков и сосудов давления состоит из силовой оболочки, внутренней гермети­зирующей оболочки (лейнера) и присоединительной арматуры (штутцеров, фланцев, законцовок). В некоторых случаях они могут иметь внешнюю или внутреннюю теплоизоляцию. Ос­новным технологическим способом изготовления баков и со­судов давления является метод намотки волокнистых КМ (см. гл. 2).

Рассмотрим технологию изготовления топливных баков на примере разработки конструкции и технологии подвесного бака вертолета для сжиженного газа.

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1300; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!