Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГБОУ "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"

Факультет нефтегазохимии и полимерных материалов

Отчет по практической работе студента

Процесс производства углеродных тормозных дисков на АК "Рубин"

Выполнила: Гулькова А.

Москва, 2019

Введение

Эпоха научно-технической революции, предъявляющая не только исключительно высокие, но и быстро растущие требования к материалам для новой техники, характеризуется невиданными ранее темпами в области создания все новых и новых прогрессивных материалов с самыми разнообразными свойствами.

Особенно широкое применение получили углеродные волокна в качестве наполнителя в технологии композиционных материалов, имеющих весьма широкий диапазон использования - от космических спутников, ракет, корпусов глубоководных аппаратов, деталей самолетов, автомобилей, лопаток газовых турбин, винтов вертолетов до высококачественных скрипок, спортивного инвентаря и протезов. Углеродные волокна занимают первое место по масштабам производства среди жаростойких волокон. По механическим показателям и, особенно по их удельным значениям (отношение прочности и модуля Юнга к плотности) УВ превосходят все жаростойкие волокна.

История АК "Рубин"

История авиационной корпорации "Рубин" неразрывно связана с развитием отечественной авиации. Приказом народного комиссара авиационной промышленности М.В. Хруничева от 15 марта 1946 года №113с на базе ОКБ завода № 219 был создан опытный завод по авиаколесам с присвоением ему номера 279. Несколько позже для решения вопросов, связанных с обеспечением авиационной промышленности посадочными устройствами и гидравлическими агрегатами, приказом Министерства авиационной промышленности от 26 апреля 1946г. № 251с завод № 279 реорганизован в 279-й опытный завод посадочных устройств и гидропневматического оборудования самолетов.

Главным конструктором и директором завода этим же приказом назначен доктор технических наук, профессор Трифон Максимович Башта. Возглавив завод, еще не имеющий производственной программы, он предложил создать апробированные типовые конструкции различных видов гидравлического оборудования, что и стало стратегической задачей коллектива на ближайшие годы.

В 1954 году Главным конструктором завода, а впоследствии и руководителем, был назначен Иван Иванович Зверев. При его поддержке сотрудниками завода были подготовлены и изданы весьма актуальные и крайне необходимые для авиационной отрасли труды, основные положения которых легли в основу создания и отработки систем автоматического торможения и агрегатов антиюзовых систем.

Авторитет завода заметно укрепился после успешного завершения в конце 50-х годов двух новых работ - это создание гидравлических фильтров с бумажным фильтрующим элементом и аварийной тормозной установки. А 15 февраля 1967 года согласно приказу Министра промышленности от 30 апреля 1966 г. №175с завод преобразован в агрегатный завод "Рубин". В 1993 году "Агрегатный завод "Рубин" акционируется и уже во всех официальных документах фигурирует как открытое акционерное общество "Авиационная корпорация "Рубин". Все годы своего существования завод работал на российскую авиацию, оставаясь верным основной своей тематике - гидравлика и тормозные колеса.

Коллектив предприятия всегда отличали высочайший профессионализм и ответственность. Специалистами "Рубина" разработано, в общей сложности, более 1300 изделий и систем авиационного назначения, научные идеи и методики для многих из которых до сих пор являются уникальными.

Сегодня корпорацией сделана ставка на создание конкурентоспособного производства, способного как к серийному выпуску, так и к созданию уникальных изделий, дающих российской авиации уверенно держать марку лидера в авиамире. Поэтому предприятие активно занимается вопросами инновации, технического переоснащения и модернизации производства.

В корпорации сохранен основной костяк высококвалифицированных специалистов и рабочих, что позволяет предприятию обеспечивать высокий уровень исследовательских и испытательных работ, надежности разрабатываемых изделий.

Основы деятельности завода

1. Взлетно-посадочные устройства: авиационные колеса из алюминиевых и титановых сплавов; авиационные тормоза с применением углеродных, металлокерамических и пластмассовых тормозных дисков; испытательные стенды для тормозных систем; испытательные установки для тормозных материалов; передовые технологии тормозных устройств; агрегаты тормозных систем;

2. Гидравлические авиационные системы: привода-генераторы стабилизированной частоты; насосы гидравлические; насосные станции; гидромоторы; гидравлические распределители с электромагнитным управлением; агрегаты гидравлических систем;

3. Тормозные диски: углеродные; биметаллические; металлокерамические.

Также осуществляется ремонт широкой номенклатуры изделий и агрегатов.

ОАО "АК "Рубин" финансирует и выполняет большой объем ОКР и НИР в целях сохранения конкурентоспособности собственных разработок и производимой корпорацией продукции.

Требования к исходным волокнам

К первой группе относятся химические и природные волокна, ко второй - некоторые полимеры, смеси органических соединений, богатые углеродом (каменноугольные смолы, нефтяные пеки), а также лигнин и др. Вещества, отнесенные ко второй группе, независимо от их химической природы, вначале превращаются в волокна, а затем перерабатываются в волокнистые углеродные материалы. Исходные вещества должны быть высокомолекулярными соединениями или, по крайней мере, иметь достаточно большую молекулярную массу, что необходимо для их переработки в волокна. Низкомолекулярные соединения непригодны для этих целей, так как получить из них волокна и, соответственно, углерод в виде волокна не представляется возможным,

Волокна, предназначенные для переработки в углеродные материалы, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

· не плавиться в процессе карбонизации;

· давать высокий выход коксового остатка (углеродного волокна);

· перерабатываться в углеродное волокно с высокими физико-механическими показателями.

УВ изготовляются в основном из полнакрилонитрильных (ПАН) волокон, вискозных гидратцеллюлозных волокон (ГЦВ), нефтяных и каменноугольных пеков. ПАН-волокно служит для получения высокомодульных и высокопрочных УВ. Одним из преимуществ ПАН-волокна является большой выход углеродного остатка (примерно 40 %) от массы полимера (из ГЦВ - немногим более 20 %). Благодаря особенностям исходного полимера высокопрочные УВН удается получить сравнительно простым способом. углеродный тормозной диск

Углеродные тормозные диски АК "Рубин"

На практике были показаны основные переделы производства тормозных дисков. Фрикционные углерод-углеродные материалы получили широкое распространение в авиационных тормозных системах и практически не имеют конкурентов благодаря:

· высокой термостойкости;

· высокому коэффициенту трения;

· способность к быстрому поглощению выделяющейся при торможении самолета кинетической энергии;

· высокой механической прочности при статических и динамических нагрузках в широком диапазоне температур;

· высокой износостойкости;

· малому удельному весу;

· экологической безопасности.

· Благодаря сквозным системам проектирования разработаны новые материалы: Термар-ДФ-П, Термар-СТД-У, Термар-АДФ-ОС, Термар-ФММ-СФ.

· Эти материалы обладают повышенными плотностью, теплопроводностью, прочностью и износостойкостью, стабильными фрикционными свойствами по сравнению с ранее выпускавшимися материалами и по эксплуатационным характеристикам и ресурсу не уступают зарубежным аналогам.

В качестве углеродного волокна используется волокно из ПАН (полиакрилонитрила) марок УК и Panex® 35.

Также используется среднетемпературный каменноугольный пек со средней температурой размягчения 90-95 °С: электродный и пек Bx 95KS (electrod binder, granulated), необходимый для формования "зеленых" заготовок и высокотемпературный каменноугольный пек (температура размягчения 140-145 °С) для заливки и жидкофазного уплотнения изделий.

Основные стадии производства

Углеродное волокно поставляется заводу в виде катушек с бабиной, затем перематывается в пасму и отправляется на графитацию. После разрезается и укладывается в гильзы с коническим фальшдном, направляемые в цех аэроформования.

Среднетемпературный и высокотемпературный каменноугольный пек подвергается дроблению в молотковых дробилках до размера менее 1мм.

Аэроформование - технология изготовления нетканого полотна, основанная на перемешивании волокон с воздухом с последующем нанесением образовавшегося состава на паропроницаемую основу.

Гильзы с коническим фальшдном устанавливают вниз установки, сверху в установку аэроформования загружается среднетемпературный пек. Формование "зеленой" заготовки происходит под разряжением.

Углеродное волокно, попадая в аэродинамические потоки, смешивается с воздухом и подается снизу цилиндра, а среднетемпературный каменноугольный пек за счет ворошителей - сверху. Таким образом, происходит формование заготовок. Высота заготовок 450-500 мм вследствие увеличения объема волокна в потоках воздуха.

Полученная "зеленая" заготовка с помощью специального перегружателя помещается в пресс-форму и направляется в печь для подогрева, после которой происходит горячее прессование заготовки. Пройдя зону охлаждения, заготовка извлекается из пресс-формы и подчищается, а затем измеряется первичная плотность, которая должна быть примерно с ? 1,4 г/см 3. Высота заготовок уменьшается до 300 мм. Заготовки собираются в струбцины, закрепляются, тем самым предохраняясь от разрушения, и направляются в цех обжига.

Спрессованные изделия ("зеленые" заготовки) представляют собой блок, состоящий из углеродистого наполнителя, сцементированного между собой связующим. Связующее прочно прилипает к твердым поверхностям углеродистых материалов, затем при обжиге затвердевает, превращаясь в кокс.

Заготовки на струбцинах помещаются в контейнер и засыпаются песком для предохранения от деформации и окисления, так как "зеленые" заготовки при нагревании сильно размягчаются и легко деформируются под действием собственной нагрузки. В процессе обжига спрессованные заготовки постепенно нагревают до 900 °С в токе инерта (N2), а затем постепенно охлаждают.

После процесса обжига заготовки приобретают сероватый оттенок, а плотность изменяется до с ? 1-1,1 г/см 3. Также заготовки приобретают матрицу, поэтому больше нет необходимости в фиксации струбцинами. Далее заготовки направляются в цех вакуумной заливки.

Заготовки после процесса обжига помещают в стальную бочку, устанавливаемую в поддон, при этом каждую заготовку прокладывают бумажным раскроем, который препятствует слипанию и прилипанию заготовок. Затем заполненную стальную бочку помещают в печь для предварительного нагрева до 250-270 °С.

Параллельно с нагревом бочки нагревается высокотемпературный каменноугольный пек до 250-270 °С.

Далее нагретую стальную бочку заливают высокотемпературным пеком под разряжением и отправляют на охлаждение в стальном коробе. После охлаждения заготовки отправляют на карбонизацию.

Первичный процесс карбонизации под давлением осуществляется при температуре 900 °С и давлении (p ? 5 МПа).

Стальная бочка с заготовками, засыпанными песком, обворачивается стальными лентами и помещается в аппарат высокого давления. Сверху аппарат закрывается пуансоном.

Давление, подаваемое на пуансон, постепенно нагревает стальную бочку за счет стальных лент до требуемой температуры.

Термообработку проводят при температуре 1750 °С. Высокотемпературную обработку проводят с целью уплотнения углеродной матрицы. Данная температура не вызывает графитации матрицы из волокон. Требуемая плотность заготовки с ? 1,75 г/см 3.

Если качества полученного материала не удовлетворяет по контролируемым характеристикам, то процесс вакуумной заливки и процесс карбонизации под давлением повторяют; при этом условия процесса карбонизации под давлением следующие: t? 300 °С, p ? 5 МПа.

Окончательную термообработку проводят при температуре 2000 °С. Данный процесс необходим для графитации пироуглеродной матрицы. Самолетные тормозные диски, изготовленные из композиционного материала С/С, графитированного посредством заключительной высокотемпературной термообработки, имеют хорошую стойкость к окислению и обладают хорошими тормозными характеристиками. Окончательная требуемая плотность с ? 1,75 г/см 3.

Далее тормозные диски подвергают предварительной механической обработке и отправляют на процесс пироуплотнения.

Пиролитическое уплотнение материала осуществляется при температуре 980 °С в токе инерта - азота. Под действием заданной температуры происходит разложение органической части материала до более низкомолекулярных ненасыщенных углеводородов, которые затем оседают на поверхности дисков тонкой пленкой- пироуглеродом.

Далее диски отправляются на шлифовку, после которой покрываются антиокислительным покрытием и маркируются.

Изобретение касается защиты от окисления тормозных дисков из композиционных материалов, содержащих углерод. В основном антиокислительное покрытие изготавливается из смеси нитрида бора, бакелитового лака и порошка материалов (Термар). Слой имеет самозатягивающийся характер; самозатягивание обозначает свойство материала при переходе в вязкое состояние при температуре использования затягивать микротрещины или похожие дефекты, возникающие при эксплуатации.

В случае углерод-углеродных тормозных дисков известно образование внешнего слоя защиты путем применения покрытия поверхности нетрущихся частей диска. Тем не менее, нельзя применять защитный слой на трущихся плоскостях, иначе режим трения определялся бы материалом анти- окислительного слоя, а не углерод - углеродным композиционным материалом. Такое непредвиденное изменение недопустимо при эксплуатации тормозных дисков.

Данный процесс очень важен, так как при недостатке антиокислительной защиты исчезновение углерода в зоне дисков, выполняющей механические функции, ухудшает механические свойства, что может привести к поломке частей крепежа или восприятия усилий.

После готовые изделия маркируются и отгружаются на склад или потребителю.

Контроль качества

Целью входного контроля является не только отбраковка некондиционных материалов, но и установление конкретных значений параметров в пределах допуска для последующей корректировки технологического процесса. Для углеродного волокна определяют содержание влаги, разрывную нагрузку и удлинение при разрыве, а также плотность материала. Для пека определяют содержание влаги, температуру размягчения.

В ходе процесса изготовления тормозных дисков после каждого основного передела определяется плотность заготовок, при этом используется как визуальный, так и физический методы определения.

Визуальный метод подразумевает сравнение измеряемой плотности заготовки с табличными данными. Физический метод разделяется на механический, используемый для измерения плотности после процесса горячего прессования, и гидростатический, используемый после окончательной термической обработки и пиролитического уплотнения. Суть механического метода заключается в измерении внутреннего и внешнего диаметров тормозного диска и массы, далее вычисляется плотность.

Определение плотности методом гидростатического взвешивания осуществляют по результатам двух измерений массы исследуемого предмета. Сначала в воздушной среде, затем в жидкости, с известной собственной плотностью. Обычно в качестве жидкости используют воду, например, дистиллированную. Первое взвешивание позволяет определить массу, а второе, по разности обоих взвешиваний, позволяет вычислить объём. Далее рассчитывается плотность исследуемого диска. Метод гидростатического взвешивания является одним из стандартных способов определения плотности материалов.

Целью защиты партии является определение качества готовой продукции и ее работоспособности. Контроль качества проводится четырьмя испытаниями: испытание на фрикционные свойства, сжатие, изгиб, измерение теплопроводности. Испытание на изгиб осуществляется следующем образом: из тормозного диска вырезается брус с размерами 70x10x10, который укладывается на неподвижные опоры и нагружается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами. Определяется максимальная сила нагрузки (давление на образец), при которой происходит разрушение образца). Испытание на сжатие аналогично испытанию на изгиб, но сила прикладывается в продольном сечении. По диаграмме также находится максимальная сила деформации образца.

Экспериментальные методы определения теплопроводности основываются на наблюдении температурного поля в исследуемом теле при переносе внутри него потока теплоты в окружном направлении. При нагревании фиксируются показания датчиков, далее теплопроводность рассчитывается. При определении фрикционных свойств из дисков вырезаются два диска, один из которых будет подвижным, а другой- нет. Далее подвижный диск разгоняется до необходимых оборотов, а его торможение под действием сил трения считывает машинная установка. Обычно на каждый вид контроля берется по 20 дисков.

Заключение

Производство углеродных тормозных дисков - сложный многостадийный процесс, требующий внимательности, аккуратности и ответственности работников. Данный процесс является протяженным по времени, так как стадия формования и прессования длится сутки, стадия обжига - 5-6 дней, процесс заливки и ПКД в целом занимает 7 дней, после чего следует термостабилизация, длящаяся 10-12 дней, а стадия высокотемпературной обработки 14-15 дней, также на процесс пироуплотнения пироуглеродом требуется не менее 7 дней. Таким образом, на изготовление одной партии (155-157 дисков) уходит в среднем 2-2,5 месяца, поэтому ошибки в изготовлении недопустимы.

Данный метод изготовления имеет существенный недостаток - определение плотности заготовок и готового изделия после каждой стадии производства не дает полного представления о качестве производимой продукции, что в свою очередь очень важно в данном длительном процессе, тем не менее данный вариант контроля качества на сегодняшний день является действующим и, можно сказать, практически единственным.

Список использованной литературы

1. Комарова Т.В. Углеродные материалы [Текст] : учебное пособие / Т.В. Комарова, С.В. Вержичинская. - М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева,2012. -192 с;

2. Официальный сайт АК "Рубин" [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.acrubin.ru, свободный. - Загл. с экрана;

3. Бухаркина Т.В., Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г., Туманян Б.П. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов [Текст] : учебное пособие. - М.: Издательство "Техника". ТУМА ГРУПП., 2009. - 204 с.

Размещено на Allbest.ru