Технологія виробництва каркасів вуглець-вуглецевих термонавантажених елементів конструкцій літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

Cпеціалізована вчена рада Д 64.062.04

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів

Технологія виробництва каркасів вуглець-вуглецевих термонавантажених елементів конструкцій літальних апаратів

Чесноков Олексій Вікторович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Східноукраїнському державному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Фрегер Гаррі Юхимович, Східноукраїнський державний університет, завідувач кафедри "Опір матеріалів"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гайдачук Віталій Євгенович, Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри 403

кандидат технічних наук Івановський Володимир Самуїлович, ВАТ “Горизонт”, головний інженер

Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс ім. Антонова, Державний комітет промислової політики України, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Корнілов Г.Л.

Анотація

Чесноков О.В. Технологія виробництва каркасів вуглець-вуглецевих термонавантажених елементів конструкцій літальних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів. - Державний аєрокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків, 2000.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню і розробці потокового методу виготовлення вуглепластикових стержнів і механізації складання каркасів ВВКМ, що забезпечують реалізацію високих термомеханічних характеристик матеріалу в конструкціях літальних апаратів. Дослідження силових параметрів процесу складання каркасу, схем навантаження стержнів при складанні, а також розмірний аналіз стержнів і армуючих каркасів, дали можливість визначити комплекс технічних вимог, які повинні задовольняти напівфабрикат армуючого каркасу - вуглепластиковий стержень. Проведено дослідження операцій техпроцесу виготовлення стержнів і складання каркасів, визначені кращі варіанти їх реалізації і діапазони раціонального варіювання параметрів проведення. Розроблено техпроцеси виготовлення стержнів і складання каркасів, технологічне устаткування і контрольно-вимірювальні прилади, що дали можливість освоїти серійний випуск армуючих каркасів, 4D-л структури для ВВКМ.

Ключові слова: вуглепластиковий стержень, вуглець вуглецевий композиційний матеріал, армуючий каркас, технологія.

Аннотация

Чесноков А.В. Технология производства каркасов углерод-углеродных термонагруженных элементов конструкций летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 - технология производства летательных аппаратов. - Государственный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2000.

Для теплозащиты летательных аппаратов наиболее перспективным является углерод-углеродный композиционный материал на основе стержневых армирующих каркасов полученных сборкой по различным схемам армирования (3D, 4D, 4D-л) из полуфабрикатов - углепластиковых стержней. Проблемы получения армирующих каркасов УУКМ связанны с изготовлением углепластиковых стержней со стабильными геометрическими и прочностными характеристиками, а также механизацией трудоемкого, процесса сборки каркасов на их основе.

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке поточного метода изготовления углепластиковых стержней и механизации сборки каркасов УУКМ, обеспечивающих реализацию высоких термомеханических характеристик материала в конструкциях летательных аппаратов.

На основе анализа существующих методов получения стержневых изделий из композиционных материалов, а также процесса сборки каркасов вручную определены маршрутные технологии изготовления стержней и армирующих каркасов. Исследования основных параметров процесса сборки каркаса, схем нагружения стержней при сборке, а также размерный анализ стержней и армирующих каркасов, позволили определить комплекс технических требований, которым должен удовлетворять углепластиковый стержень используемый при сборке армирующих каркасов УУКМ. Исходя из требований, предъявляемых к стержням, к технологии их изготовления и из условий дальнейшей переработки армирующего каркаса в УУКМ выбрано связующее для углепластиковых стержней - водный раствор поливинилового спирта. Разработаны методы контроля характеристик стержня, определены основные параметры сборочных устройств и оснастки.

Проведены экспериментально-теоретические исследования основных операций технологического процесса изготовления углепластиковых стержней пултрузией, определены лучшие варианты реализации операций техпроцесса, а также диапазоны рационального варьирования параметров проведения операций.

Анализ напряженного состояния стержня при протяжке его резиновыми роликами позволил получить зависимости напряжений в стержне от усилия протяжки, характеристик материала и размеров тянущих роликов, что позволило рассчитать диаметр тянущих роликов, обеспечивающих требуемое усилие протяжки без деформирования сечения стержня.

На основании полученных результатов выбрана и обоснована общая схема установки изготовления стержней. Спроектированы и выбраны конструкции узлов и приспособлений удовлетворяющие предъявляемым требованиям и обеспечивающие технологические режимы каждой операции техпроцесса в рациональном диапазоне варьирования.

Выработаны рекомендации по устранению появления бракованных стержней: изогнутости оси, эллипсности, низкой прочности, разброса размера диаметра стержней.

Разработанный технологический процесс и установка позволяют изготавливать до 2000 кг углепластиковых стержней в год с характеристиками, удовлетворяющими предъявляемым техническим требованиям при сборке каркасов УУКМ. Разработано контрольно-измерительное оборудование, позволяющее объективно оценить качественные и прочностные характеристики стержней. Предложена и экспериментально обоснована методика расчета исходных материалов для производства заданной партии стержней.

Выработаны технические предложения по разработке установки механизированной сборки каркасов. Разработанные приспособления и средства малой механизации позволили освоить выпуск армирующих каркасов материала 4КМС-л до 600 кГ в год.

Ключевые слова: углепластиковый стержень, углерод-углеродный композиционный материал, армирующий каркас, технология.

Summary

Сhesnokov А.V. Technology of skeletons carbon - carbon thermoforced of elements of designs of flight vehicles. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.07.04.- technology of producing of flying apparatus. State Airspace University named after N.Ye.Zhukovsky "KhAI" of Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkov, 2000.

Scientific work the activity is devoted to research and development of a continuous method of manufacturing carbon- plastics of rods and mechanization of assembly of skeletons carbon - carbon composite materials ensuring realization high thermomechanics of the characteristics of a material in designs of flight vehicles. The researches of force parameters of process of assembly of a skeleton, schemes of loading of rods at assembly, and also dimensional analysis of rods and reinforcing skeletons, have allowed determine a complex of the technical requirements with which should to satisfy a semifinished item of a reinforcing skeleton - carbon laminated a rod. The operations researches technique of manufacturing of rods and assembly of skeletons are carried out, the best versions of their realization and ranges of a rational variation of parameters of realization are determined. Are developed technique of manufacturing of rods and assembly of skeletons, production equipment and instrumentations, that has allowed to run in production extension of reinforcing skeletons of 4D-l of structure for carbon - carbon composite materials.

Key words: carbon laminated a rod, carbon - carbon composite material, reinforcing skeleton, technique.

1. Загальна характеристика роботи

термомеханічний технологія потоковий

Актуальність теми. Одним із напрямків ефективного використання композиційних матеріалів (КМ) в авіаційній і ракетно-космічній техніці є використання їх для теплозахисту термонавантаженних елементів літальних апаратів (ЛА). Ефективність використання композитів для теплозахисту ЛА визначається здатністю цих матеріалів протистояти дії нестаціонарних силових і теплових навантажень в умовах одностороннього навантаження. Серед матеріалів для теплозахисту ЛА найбільш ефективним в даний час є вуглець-вуглецеві композиційні матеріали (ВВКМ) на основі просторових армуючих каркасів (АК), зібраних із попередньо виготовлених вуглепластикових стержнів (ВС). Композити на основі таких каркасів добре зарекомендували себе у відповідальних елементах теплозахисту, які мають найбільш високі експлуатаційні характеристики. Але широке використання цих перспективних ВВКМ у конструкціях ЛА в даний час затримується відсутністю виробничої бази і винятковою трудомісткістю ручного виготовлення АК. У зв'язку з цим дуже актуальним є рішення питань, пов'язаних з розробкою технології і відповідного устаткування для виготовлення ВС, застосовуваних для АК та автоматизація складання каркасів. Ці питання специфічні і не можуть бути вирішені чисто конструктивно, оскільки їх рішення вимагає проведення цілого ряду теоретичних та експериментальних досліджень з вивчення впливу технологічних чинників на продуктивність і якість отриманих виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до госпдоговірної теми “Розробка технології виготовлення багатоспрямованих структур просторово-армованих композитів” Отримані результати досліджень були використані при виконанні госпдоговорів з Національним науковим центром “Харківський фізико-технічний інститут” м. Харків, НДІГрафіт і “Т-фірмою” м. Москва.

Мета роботи та завдання дослідження:

Мета дослідження - розробка технології потокового методу виготовлення ВС і механізація складання АК ВВКМ, що забезпечують реалізацію високих термомеханічних характеристик матеріалу в конструкціях ЛА.

Реалізація поставленої мети передбачає вирішення наступних завдань:

Проаналізувати вплив параметрів ВС і схем їх розташування на характеристики ВВКМ. Виробити технічні вимоги до складальних пристосувань і технології складання.

Проаналізувати умови роботи стержня при складанні АК і виробити вимоги, запропоновані до ВС при подальшій переробці у ВВКМ. Обгрунтувати технічні вимоги до ВС, які будуть критеріями вибору вихідних матеріалів і технології виготовлення ВС.

Розробити методи контролю основних характеристик стержня і контролюючі пристосування.

Дослідити технологічні особливості виготовлення ВС пултрузією для АК ВВКМ і вивчити залежність їх властивостей від параметрів проведення операцій технологічного процесу і методів їх реалізації.

Розробити технологію та устаткування безперервного методу виготовлення ВС для АК ВВКМ з продуктивністю 0,5...0,7 кггодина.

Провести аналіз ефективності розробленої технології виготовлення ВС, виробити рекомендації з проектування складальної оснастки й установки машинного складання АК ВВКМ типу 3D і 4D-л.

Об'ектом дослідження є технологічні процеси виготовлення ВС і АК ВВКМ.

Предметом дослідження є розробка технологічних процесів виготовлення ВС і АК ВВКМ 3D і 4D-л структур.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі методів механіки твердого тіла яке деформується, і механіки композиційних матеріалів. Експериментальні результати отримані при відпрацьовуванні технологічних процесів виготовлення вуглепластиковых стержнів і АК на їх основі.

Наукова новизна одержаних результатів:

вироблено вимоги до сполучного, яке використовуваеться для виготовлення ВС, виходячи з умов технологічності і подальшої переробки в ВВКМ;

на підставі розмірного аналізу ВВКМ з АК 3D, 4D і 4D-л, а також умов навантаження ВС у процесі складання АК, визначено технічні вимоги, яким повинні задовольняти ВС, використані для одержання АК ВВКМ;

визначено напружено-деформований стан (НДС) стержня при віджимі-формуванні у процесі його виготовлення і при протяжці м'якими роликами;

установлено закономірності протікання процесу сушіння напівфабрикату ВС;

отримано нові експериментальні дані з дослідження характеристик ВС у залежності від параметрів проведення технологічного процесу.

визначено вплив технологічних умов виготовлення ВС на згинання його осі;

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологічні процеси виготовлення ВС і АК 4D-л для ВВКМ - 4КМС-л. Одержані експериментальні і теоретичні результати забезпечують стабільно високі характеристики АК, а, отже, ВВКМ на їх основі. Тому, що процеси виготовлення АК 3D і 4D структур не мають принципових відмінностей у порівнянні з процесом складання 4D-л структури, отриманий результат використовується і для механізації складання АК 3D, 4D для ВВКМ - 3КМС, 4КМС.

Розроблене технологічне, випробувальне і контролююче устаткування дало можливість налагодити серійний випуск ВС і АК 4D-л на їх основі. Устаткування дозволяє виготовити ВС 1,170,04 мм, довжиною до 800 мм із продуктивністю до 2000 кг у рік і збирати АК із структурою 4D-л загальною масою до 600 кг у рік.

На основі статистичного аналізу процесу масового виготовлення ВС для АК ВВКМ розроблений метод розрахунку кількості вихідних матеріалів, необхідних для виготовлення заданої партії стержнів.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних і практичних результатів дисертації належать особисто автору. Опубліковано 8 наукових статей і тези до двох доповідей на міжнародних конференціях, 6 статей виконані в співавторстві. В усіх спільних роботах співавтори брали участь у визначенні задач й обговоренні отриманих результатів, а їхнє рішення дисертант одержав самостійно. Крім того, співавторами було подано консультації за методикою досліджень

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи доповідалися на науково-технічних конференціях у Східноукраїнському держуніверситеті 1996, 1997, 1998, 1999, 2000 р., на конференціях “Людина і космос” (м. Дніпропетровськ, квітень, 2000 р.) і “Композиційні матеріали у промисловості” (м. Ялта, червень, 2000 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 статей і тези до двох доповідей на науково-технічних конференціях, а також в співавторстві виконано два звіти по НДР.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складаеться з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи 179 сторінок машинописного тексту, у тому числі 66 рисунків, 7 таблиць, списку використаних джерел із 119 найменувань, 2 додатки на 7 сторінках.

2. Зміст роботи

термомеханічний вуглець механізація

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі роботи, відбито методику досліджень, наукова цінність і практична значимість роботи, а також основні висновки і положення, винесені на захист.

У першому розділі подано аналіз температурних меж використання конструкційних матеріалів показав, що найбільш перспективним матеріалом для термонавантажених елементів конструкцій є ВВКМ на основі просторових АК. Це обумовило його ефективне застосування для зовнішнього теплозахисту повітряно-космічних літаків (ПКЛ) і внутрішнього теплозахисту двигунів ПКЛ. Основою ВВКМ є АК. У даний час розроблено сім добре збалансованих схем армування АК і, крім того, дві модифіковані схеми, з яких викликають зацікавліність матеріали на основі АК схем 3D, 4D і 4D-л.

Літературний огляд і патентний пошук показали, що відомі технологічні процеси (ТП) й устаткування для виготовлення стержневих виробів із КМ не забезпечують вимог, запропонованих до стержнів - напівфабрикатам ВВКМ, а процес складання АК із ВС специфічний, тому без додаткових досліджень не може бути запозичений із якоїсь іншої галузі. При всьому різноманітті апаратурно-технологічного оформлення процесів виготовлення стержневих виробів із КМ, маршрутна технологія містить загальні операції, реалізація яких необхідна при виготовленні ВС для АК. З урахуванням цього були сформульовані задачі дослідження для досягнення поставленої мети.

Другий розділ присвячений дослідженню процесу складання АК із ВС, визначенню методів реалізації операцій складання, умов і розмірів його навантаженя при складанні, а також вивченню впливу параметрів ВС на характеристики одержуваного ВВКМ. Це подає можливість виробити технічні вимоги до ВС, вхідним компонентам і методам контролю.

Процес складання АК складаеться з установки вертикальних стержнів у плиту й укладки горизонтальних шарів (пластів) ВС із зміною кута армування. Встановлено, що найбільш перспективним способом установки вертикальних стержнів є метод вібропросівання їх крізь направляючу плиту і гребінку. Для виявлення раціональних технологічних параметрів процесу вібропросівання проведено експериментальні дослідження впливу діаметра отворів плити, коефіцієнта завантаження бункера і часу вібрації на відсоток заповнення отворів плити стержнями.

Експериментальні дослідження подали можливість визначити умови (схеми) навантаження ВС і рівень навантажень, прикладених до стержня при складанні, які він повинен витримувати з прийнятим коефіцієнтом запасу. Стержні вертикального напрямку навантажені подовжньою стискальною силою при опрессовці горизонтального шару ВС, за рахунок виникаючих сил тертя при осаді пласту, а стержні горизонтальних шарів навантажені подовжньою силою подачі стержня у зазор між вертикальними ВС АК. Теоретично досліджений напружено-деформований стан (НДС) стержня при обох схемах навантаження ВС у процесі складання. Встановлено, що найбільше навантаження виникає на ділянці стержня горизонтального пласту, який знаходиться між АК і захватом подаючого пристрою, цю ділянку ВС доцільно розмістити в трубчату направляючу, що обмежує поперечну деформацію при складанні. Теоретично проаналізовані форми втрати стійкості стержнем і визначені при цьому діапазони стискальної сили і максимальна напруга, що виникає у матеріалі стержня.

Теоретичні дослідження навантаження стержня у процесі складання АК і експериментально одержані значення силових параметрів процесу складання, дають можливість, із коефіцієнтом запасу 1,5, визначити міцнісні характеристики стержня, які відповідають умовам механізованого складання АК ВВКМ.

З аналізу умов виготовлення ВС і переробки стержневих АК в ВВКМ, визначено рекомендації про вибір сполучного, яка дає можливість вибрати сполучне для ВС - водяний розчин полівінілового спирту (ПВС). Він задовольняє вимогам технологічності виготовлення ВС: має велику життєздатність, дозволяє інтенсифікувати ТП виготовлення стержнів, не пред'являє підвищених вимог з техніки безпеки при його використанні. ПВС, що знаходяться у ВС, при переробці АК в ВВКМ дає коксовий залишок із відкритою пористістю, що не перешкоджає насиченню АК вуглецем матриці.

Важливою характеристикою ВВКМ, що визначає його абляційну стійкість, є ступінь наповнення об'єму ВВКМ вуглецевих волокон (ВВ), що залежить від структури АК, форми перетину ВС і ступеня наповнення стержня ВВ. Проведений розмірний аналіз АК 3D, 4D і 4D-л структур дозволив одержати залежності ступеня армування ВВКМ волокном від діаметра ВС.

Тому, що за технічними вимогами на ВВКМ, розкид об'ємної частини ВВ у КМ установлений 2% від номінального значення, граничні значення діаметра ВС, еліпсності можуть розрізнятися не більш ніж на 0,08 мм. Виходячи з найбільшого, стабільно одержуваного ступеня наповнення стержневих виробів із КМ волокном при виготовленні пултрузією - 57%, визначене номінальне значення діаметра стержня і допуск на його виготовлення: d=1,170,04 мм. Допустиме значення викривленості стержня подано на підставі аналізу її впливу на процес складання АК. Розмірний аналіз ВС дозволив визначити мінімально можливий вміст ПВС у стержні, що забезпечує взаємозв'язок ВВ, і ввести вимогу відносно ваги погонного метра виробу, що характеризує якість ВС.

З аналізу процесу складання АК визначені контрольні характеристики ВС і методи їх контролю. На підставі проведених досліджень вироблені технічні умови на ВС, що забезпечують стабільність процесу механізованого складання АК.

У третьому розділі досліджено основні етапи технологічного процесу виготовлення ВС: просочення, віджим, формування і розрізування. Проаналізировано НС стержня при протяжці гумовими роликами. Досліджено вплив технологічних параметрів на характеристики одержуваних ВС, визначено методи реалізації операцій ТП і діапазони раціонального варіювання параметрів техпроцесу виготовлення ВС. Вироблено рекомендації по проведенню кожної операції ТП.

Техпроцес виготовлення ВС для АК ВВКМ має дві основні особливості: по-перше, використані для одержання стержнів компоненти, які важко поєднати: легкопошкоджувані ВВ і високомодульне сполучне з досягненням високого ступеня наповнення ВС волокном; по-друге, тісний взаємозв'язок між операціями за часом їх проведення. Ці особливості визначають вибір методів переро бки жгутів ВВ у ВС. Так, наприклад, не допускаються перегини ВВ і контактна напруга, яка призводять до руйнації волокон при переробці. Час проведення операції визначається довжиною ділянки технологічної лінії, відведеної на виконання операції, віднесеної до швидкості протягання напівфабрикату ВС.

Для здійснення операції просочення обраний метод нанесення сполучного на жгути роликом, який занурюється, для віджиму-формування використовуються фільєри.

Якість просочення залежить від тиску створюваного у вхідному конусі фільєри, при видаленні надлишків сполучного з поверхні напівфабрикату ВС. Встановлено, що тиск прямо пропорційний в'язкості і швидкості протяжки й обернено пропорційно тангенсу половини кута вхідного конуса фільєри. Бо збільшити швидкість протяжки неможливо через тісний взаємозв'язок з іншими операціями ТП, тому віджимній фільері, виготовленій з вхідним і вихідним конусом, передається зворотно-поступальний рух уздовж жгутів.

Експериментально досліджено вплив параметрів сполучного - концентрації ПВС, в'язкості (температури), технологічних параметрів - натягнення жгутів, швидкостей протяжки і зворотно-поступального руху фільєри, а також кута вхідного конусу на масу нанесеного ПВС у ВС. Досліджена міцність ВС у залежності від утримання ПВС у стержні.

За результатами досліджень впливу параметрів процесу пропитки й віджиму на характеристики ВС установлений комплекс фізичних умов, що забезпечують якісне просочення жгутів ПВС-зв'язуючим (табл. 1):

Таблиця 1. Рекомендовані параметри проведення просочення й віджиму

Відсоткова частина ПВС у розчині, % по масі	16...18
Температура сполучного, 0С	35...45
Швидкість протяжки, м/хв	1,8...2,0
Зусилля натягу жгутів, Н/жгут	1,0...1,5
Швидкість зворотно-поступального руху фільєри, м/хв	30...35
Параметри віджимної фільєри: діаметр, мм кут вхідного конуса, градус	1,6...1,8 30...40

Досліджено механізм сушіння напівфабрикату ВС конвективним методом. Отримано графіки сушіння в залежності від температури в термокамері і від швидкості руху нагрітого повітря. З них, методом графічного диференціювання, побудовано графік швидкості сушіння, з якого видно, що процес має два періоди: постійний до критичної крапки і падаючої швидкості сушіння.

Встановлено, що з інтенсифікацією процесу сушіння якість ВС знижується без збільшення швидкості в другому періоді сушіння. Початкова вологість напівфабрикату, обумовлена діаметром віджимної фільєри, за інших однозначних умов, впливає тільки на тривалість першого періоду сушки. Інтенсифікувати процес сушіння на другому етапі можна, використовуючи термообробку, в основному, термовипромінюванням, при цьому більш ефективно прогрівається матеріал напівфабрикату ВС по всьому об'єму і, отже, швидше випарується вода, яка залишилася, із центральної області напівфабрикату. Тому необхідно процес сушіння проводити в два етапи і, відповідно, у двох термокамерах, що відрізняються між собою за функційним призначенням. Перша - здійснює перший період сушіння напівфабрикату ВС гарячим повітрям із переривчастим термовипромінюванням, друга - сушіння, в основному, термовипромінюванням. Між термокамерами для розриву плівки, що утворилася і закупорює в середині жмутка ВВ вологу, рекомендовано установити підформовуючу фільеру, площа прохідного отвору якої на 10...15% перевищує площу перетину ВС.

Тому що формуєтся ВС із напівфабрикату, що містить розчинник, процес формування доцільно проводити в декілька етапів, за час випаровування води з напівфабрикату. Перша фільєра Ф1 визначає кількість сполучного яке наносять на жгути, друга Ф2 - підформовує напівфабрикат після підсушування, третя Ф3 формує перетин ВС і Ф4 - калібрує перетин ВС на етапі охолодження.

Тому, що зусилля формування прикладаються до жгутів ВВ з боку фільєр, то необхідно визначити силові параметри формування ВС, що визначаються початковим натягненням і сумою зусиль опору протягання жгута з боку фільєр.

Експериментально визначено, що початкове натягнення N доцільно задавати в межах 1…1,5 Н/жгут з умови не затягування жгутів роликом, який занурюється у ванночку при просочуванні. Зусилля опору в калібруючій фільєрі знаходиться в діапазоні 5…7 Н. Одержано аналітичні вирази для визначення зусиль опору у фільєрах Ф1, Ф2 і Ф3:

,

.

З аналізу НС стержня при протяжці його гумовими роликами, за методикою С.Д. Пономарьова і В.Л. Бідермана, одержані аналітичні вирази напруг у найбільше навантаженій точці ВС - А:

Експериментальні дослідження процесу різання ВС дають можливість рекомендувати принципову схему відрізного пристрою і межі раціонального призначення параметрів різального інструменту.

Результати проведених досліджень основних етапів виготовлення ВС забезпечили можливість розробки ТП і визначення технічних умов на проектування устаткування й оснастки для виготовлення ВС АК ВВКМ методом пултрузії.

У четвертому розділі на підставі проведених досліджень окремих етапів процесу пултрузії ВС і з урахуванням особливостей переробки вихідних компонентів у ВС, розроблена технологічну схему установки.

Сформульовано вимоги, яким повинні відповідати конструкції окремих вузлів технологічної установки. Проаналізовано існуючі конструкції пристроїв, призначених для виконання операцій ТП, і з урахуванням вимог розроблено технологічне устаткування. Основна увага при розробці устаткування приділялась конструкціям пристосувань і пристроїв, що забезпечують стабільність і необхідні діапазони значень параметрів процесу. Розроблено методи визначення конструктивних параметрів пристроїв, що реалізують техпроцес.

Початкове натягнення задається жгуту шляхом підгальмовування обертання корпуса бобіноутримувача і залишається незмінним при заміні бобін.

Просочення здійснюється роликом, який занурюеться, виконаним у вигляді набору дисків, які відрізняються розміром (два типорозміри), від чого поверхня диску має кільцеві пази, у які при обертанні захоплюється сполучне. Для забезпечення достатньої подачі сполучного в зону просочення і нанесення його на джгут з усіх боків, проаналізовано процес і отримані вирази для визначення допустимої ширини паза і числа обертів ролика пропитки:

, .

З аналізу процесів, які відбуваються при віджиму-формуванні, рекомендовані дві форми осьового перетину фільєр: одна для віджиму, друга для формування та калібровки.

Камери сушіння і термообробки виконані як термокамери тонельного типу з прямокутним прохідним перетином. Нагрівання здійснюється знизу і зверху з розсіюванням температури. Сталість вологості підтримується слабким вентилюванням. Відмінності між термокамерами полягають у методі обігріву напівфабрикату ВС і в підтримуваній температурі в камері.

За умови виключення пластичних деформацій перетину стержня при протягуванні, на основі аналізу НС стержня при протягуванні його гумовими роликами, отриманий вираз для розрахунку мінімально припустимого діаметру тягнучих роликів:

.

Розроблено спеціальне контрольно-вимірювальне устаткування, для контролю міцносних геометричних характеристик стержня, що дає можливість об'єктивно оцінити характеристики ВС, визначити їх придатність для механізованого складання АК ВВКМ.

Одержані методи розрахунку і вибору параметрів техпроцесу й устаткування для виготовлення ВС, у комплексі з конструктивними рішеннями вузлів, які здійснюють операції ТП в оптимальних діапазонах варіювання технологічних режимів, дали можливість розробити промислову установку і техпроцесс масового виробництва ВС для АК ВВКМ.

У п'ятому розділі на підставі комплексних досліджень ТП виготовлення ВС подані результати відпрацювання режимів проведення операцій техпроцесу, дороблено вузли і механізми установки для масового виготовлення ВС.

Результати дослідження міцностних і геометричних характеристик ВС у залежності від формуючих фільєр (Ф3), встановлених у камері термообробки полказали, что із збільшенням кількості фільєр зменшується маса стержня, середній діаметр ВС і зростає несуча спроможність. Встановлено також, що із зменшенням кількості фільєр зростає опір у калібруючій фільєрі. Досліджено вплив параметрів техпроцесу на діаметр стержня.

При налагодженні установки проаналізовано і пояснено процеси, що призводять до появи браку або до порушення ТП. Наприклад, значення має своєчасність формування стержня, що визначається температурним режимом у камері термообробки, місцем установки формуючих фільєр, а також стабільністю вологості напівфабрикату ВС, що надходить у термокамеру. Формування повинне робитися в момент, коли воду з напівфабрикаті цілком виділено, а ПВС у ВС має температуру плавлення. При ранньому формуванні в напівфабрикаті залишається вода, що після формування, виходить із стержня, розпушуючи його, або залишається у ВС, і деформується перетин м'якого стержня пристроєм, що протягає. В обох випадках стержень не задовольняє запропонованим вимогам. При пізньому формуванні - ПВС у стержні частково або цілком вигоряє, одержуваний при цих умовах стержень має недостатньо сполучного і його міцність нижча за необхідні значення.

Теоретичні дослідження причин появи зігнутості осі ВС дали можливість одержати залежність параметра стержня, що характеризує зігнутість, - відхилення від прямолінійної осі як функцію фізико-механічних характеристик стержня, параметрів устаткування і технологічних режимів. Дано рекомендації по зниженню або повному усуненню зігнутості осі ВС.

На підставі статистичних досліджень при масовому виготовленні ВС проаналізована стабільність розробленого техпроцесу, під якою розуміється узагальнена характеристика процесу, що показує відношення ВС, придатних для складання АК, до ваги використаних для їх виготовлення матеріалів. Коефіцієнти поопераційної стабільності визначалися як співвідношення ваги переробленого у ВС матеріалу за відрахуванням ваги відбракованих матеріалів на даній операції до ваги матеріалів. В результаті досліджень запропонована методика розрахунку вихідних матеріалів для виготовлення заданої партії стержнів.

На підставі проведених досліджень процесу складання і накопиченого досвіду при складанні АК вручну, розроблено пристосування для установки вертикальних стержнів в АК і установка механізованого складання стержнів горизонтальних шарів АК матеріалу 4КМС-л. Порівняльні дані по виготовленню АК 4D-л структур 170 мм і висотою 200 мм наступні: при складанні вручну, час установки вертикальних стержнів - 12 годин, загальний час складання каркасу - 72 години; при механізованому складанні - 0,5 і 12 годин відповідно.

Висветлення перспектив використання розробки показала ефективність розширення сфер використання отриманих ВВКМ, а також при використанні ВС у розміростабільних елементах фермових конструкцій, для радіального армування товстостінних намотувальних виробів, для з'єднання окремих частин конструкцій ЛА.

Основні висновки

У дисертації наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розробку техпроцесів, виготовлення стержневих АК ВВКМ 3D і 4D-л структур. На основі проведених досльджень сформульовано наступні висновки:

Аналіз температурних меж використання конструкційних матеріалів показав, що найбільш перспективним матеріалом для термонавантажених елементів конструкцій ЛА є ВВКМ на основі просторових АК, отриманих складанням із напівфабрикатів - ВС. Основні проблеми у виготовленні АК технологічні, зв'язані з одержанням ВС і складанням із них АК.

Аналіз можливих схем навантаження ВС при механічному складанні АК і експериментально одержані дані дослідження процесу, дали можливість визначити міцнісні характеристики ВС, що забезпечують стабільність механізованого складання АК.

На підставі аналізу умов виготовлення ВС і переробки АК в ВВКМ вироблено рекомендації до сполучного, виходячи з яких обраний водяний розчин полівінілового спирту.

Розмірний аналіз ВС і АК на їх основі, дав можливість визначити мінімально можливе затримання ПВС у стержні, що забезпечує взаємозв'язок вуглецевих волокон і, виходячи з допуску на об'ємну долю ВВ в ВВКМ, визначити допустимі значення діаметру ВС. Встановлений комплекс вимог, запропонований до ВС, призначених для механізованого складання, дозволив розробити технічні умови на ВС і методи контролю їх характеристик.

На підставі експериментально-теоретичних досліджень основних операцій техпроцесу виготовлення ВС пултрузією, визначені раціональні варіанти їх реалізації, встановлені діапазони варіювання параметрів ТП і устаткування його реалізуючого, що дали можливість виробити технічні вимоги до вузлів технологічної установки.

Дослідження НС стержня при протяжці гумовими роликами дали можливість одержати залежності напруг у стержні від технологічного параметра їх виготовлення - зусилля протяжки, характеристик матеріалу і розмірів тягнучих роликів, що дало можливість розрахувати розміри гумових роликів, які забезпечують необхідне зусилля протяжки ВС без деформування його перетину.

Результати, отримані при дослідженні операцій процесу виготовлення ВС, дали можливість вибрати й обгрунтувати загальну схему установки виготовлення стержнів пултрузією, що дало можливість розробити конструкції вузлів і пристосувань, які задовольняють запропонованим вимогам і забезпечують технологічним режимам кожної операції ТП у раціональному діапазоні варіювання.

Розроблено контрольно-вимірювальне устаткування, що дає можливість об'єктивно оцінити якісні і міцнісні характеристики ВС, визначити їх придатність для механізованого складання каркасів ВВКМ.

Встановлення взаємозв'язку параметрів ТП і характеристик стержнів дало можливість розробити установку виготовлення ВС, що дозволяє робити до 2000 кг ВС у рік з характеристиками які відповідають технічним умовам на ВС і виробити рекомендації по усуненню причин появи браку ВС: зігнутості осі, еліпсності, низької міцністі, розкиду розміру діаметру ВС.

Проведено статистичні дослідження причин появи браку на різних етапах виготовлення стержнів, що дало можливість розробити методику розрахунку вихідних матеріалів для виробництва заданої партії ВС.

На підставі проведених досліджень процесу складання АК і накопиченого досвіду при складанні їх вручну, розроблене пристосування для установки вертикальних стержнів АК і установка механізованого складання стержнів горизонтальних шарів АК матеріалу 4КМС-л, які дало можливість освоїти випуск АК матеріалу 4КМС-л до 600 кг на рік.

Результати розробки використані в БЦ КТ “Ортер” при ННЦ ХФТІ м. Харків, НВФ “Т-фірма” при НДІГрафіт м. Москва.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Чесноков В.В., Фрегер Д.Г., Чесноков А.В., Анализ НДС углепластиковых стержней при сборке каркасов 3D, 4D-л и 4D пространственно армированных композитов // Вестник ВУГУ “Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении”. - Луганск: ВУГУ. - 1997. - С. 119-123.

2. Чесноков В.В., Фрегер Д.Г., Чесноков А.В. Исследование деформативности углепластиковых стержней в процессе пультрудирования // Вестник ВУГУ “Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении”. - Луганск: ВУГУ. - 1997. - С. 146-150.

3. Чесноков В.В., Чесноков А.В. Анализ НДС углепластиковых стержней осевого направления армирования при сборке каркасов пространственно армированных композитов. // Вісник СУДУ, - 1998. № 6. - С. 142-149.

4. Чесноков А.В., Чесноков В.В. Исследование влияния отклонений от прямолинейности углепластикового стержня на его несущую способность // Ресурсосберігаючі технології віробніцтва та обробки материіалів тіском машинобудуванні // Збірник наукових праць // Під ред. В.М. Лещінського - Луганск: Вид, - 1998.- С. 207-212.

5. Чесноков А.В. Анализ напряженного состояния стержня при протяжке его резиновыми роликами // Тематический сборник научных трудов. “Обработка материалов” - Луганск: ВУГУ. - 1999. - С. 66-71.

6. Фрегер Г.Е., Чесноков А.В. Исследование процесса механизации сборки стержневых армирующих каркасов УУКМ структуры 3D и 4D-Л // Вопросы атомной науки и техники. - 1999.- № 4, -С. 79-84.

7. Чесноков В.В., Чесноков А.В. Анализ работы углепластиковых стержней при сборке многонаправленных текстур // Вопросы атомной науки и техники - 1999.- № 4, -С. 84-90.

8. Чесноков А.В. Анализ процесса нанесения связующего на волокнистый материал методом “купающегося” ролика // Сборник научных трудов. “Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении”. - Луганск: ВУГУ. - 2000. - С. 225-228.

9. Чесноков А.В. Технология производства армирующих каркасов углерод_углеродных композиционных материалов // Труды Междунар. конф. “Композиционные материалы в промышленности” (СЛАВПОЛИКОМ - 2000). - К.: Алкон - 2000. - С. 120-121.

10. Чесноков А.В. Технология производства армирующих каркасов углерод_углеродных композиционных материалов // Тезисы докладов II Всеукраинской научно-практической конференции “Человек и космос”. - Днепропетровск - 2000.-С. 58.

Размещено на Allbest.ru

...