книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

методом литья, но они имеют короткий срок службы, хотя и более дешевы, чем стальные.

Стадия извлечения изделий из формы является самой кри­ тической в процессе формования. Для облегчения этой опера­ ции, во-первых, необходимо на этапе разработки конструкции учитывать технологию ее изготовления, а во-вторых, применять антиадгезионные смазки или разделительные материалы, кото­ рые препятствуют прилипанию изделия к поверхности формы.

Материалы, употребляемые в качестве антиадгезивов, можно подразделить на два типа:

пленочные материалы или растворы, образующие защитную пленку;

жидкие или твердые вещества, размягчающиеся при темпе­ ратуре прессования и не образующие непрерывной пленки.

К первой группе относятся растворы поливинилового спир­ та в воде, растворы альгината натрия, целлофан, лавсан, фто­ ропласт и другие материалы. Во всех случаях пленка оказывает влияние на образование дефектов поверхности отформованно­ го изделия.

Вторую группу составляют смазывающие пленки, более удобные для нанесения на оснастку: воск, парафин, кремнийорганические смазки (типа К-21), нефтяные остатки и т.п.

При выборе антиадгезивов необходимо учитывать темпера­ туру формования и воздействие их на связующее формуемого изделия.

Основными параметрами процессов прессования являются температура, давление, время.

Полуфабрикат в процессе формования необходимо нагре­ вать до определенной температуры, чтобы придать ему требуе­ мую пластичность, т.е. способность к формообразованию. Для термореактивных ПКМ нагревание необходимо также и для отверждения. Однако возможность повышения температуры формования всегда ограничена температурой деструкции и раз­ ложением связующих. Нагрев и охлаждение крупногабаритных изделий осуществляется нагревателями, расположенными в пресс-формах. В других случаях нагревательные устройства могут быть расположены как в самих пресс-формах, так и вне - в верхней и нижней плитах пресса. Время отверждения изделий

полости, заполняя ее. Полное закрытие формы (замыкание) происходит в момент окончательного оформления детали. Замыкание пресс-формы осуществляется с малой скоростью, чтобы воздушные включения были вытеснены из полости. Отформованное изделие выдерживают в пресс-форме под давлением в течение некоторого времени, необходимого для охлаждения термопластичного композита или нагрева термо­ реактивного материала, после чего пресс-форму открывают, и изделие извлекают с помощью выталкивателя с усилием рь.

При неправильном выборе режимов прессования или нека­ чественных материалах в изделиях могут появиться следующие дефекты: пузырьки воздуха вокруг выступающих участков на поверхности детали; места, содержащие недостаточное количест­ во связующего из-за избытка армирующего наполнителя; рас­ трескивание связующего и места, содержащие его избыток; ма­ товая поверхность и пятна на изделии.

Каждый дефект имеет свои причины возникновения; реко­ мендации по их устранению обычно отражают в таком доку­ менте, как технологический регламент.

Рассмотрим особенности прямого прессования.

а. При оформлении детали можно запрессовать в нее раз­ нообразную арматуру (винты, гайки, стержни и т.п.), которая будет прочно удерживаться в детали.

б. Прогревание материала происходит постепенно от сте­ нок нагретой пресс-формы вглубь, и, следовательно, в про­ цессе формования изделия различные слои материала могут иметь разную температуру.

в. Разность температуры по толщине изделия приводит к образованию внутренних напряжений и дефектов в результате неравномерного протекания процесса отверждения или вулка­ низации.

г. Имеется опасность повреждения тонких и малопроч­ ных оформляющих элементов пресс-формы или впрессо­ вываемой в деталь арматуры, так как материал под давле­ нием начинает заполнять оформляющую полость еще до того момента, когда он весь прогреется и приобретет до­ статочную пластичность. Для устранения этой опасности в большинстве случаев программируют режим давления и применяют несколько предварительных подпрессовок.

Кроме того, с помощью подпрессовки удаляют летучие и пары влаги за короткий промежуток времени начальной стадии от­ верждения материала.

д. На отформованных изделиях всегда образуются заусенцы (грат) в плоскости разъема пресс-формы.

Методом прямого прессования можно изготавливать изде­ лия из любых материалов, как термопластичных, так и термо­ реактивных. Практически этот метод применяют главным об­ разом для изготовления деталей из термореактивных КМ. Ис­ пользование его для формования деталей из термопластов не­ целесообразно, так как в этом случае необходимо попеременно нагревать и охлаждать пресс-форму в течение каждого цикла формования, а это в значительной степени увеличивает дли­ тельность процесса.

Примерные режимы прямого прессования деталей, на ко­ торые ориентируются при отработке процесса формования, приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Различные методы пропитки армирующего материала и ре­ жимы прессования позволяют получить содержание наполни­ теля в композите от 20 до 50 %.

Литьевое прессование

Литьевое прессование заключается в том, что прессуемый материал загружают в загрузочную камеру предварительно зам­ кнутой пресс-формы (рис, 2.25). Нагреваясь от стенок загру­ зочной камеры и приобретая при этом необходимую пластич­ ность, материал под давлением литьевого пуансона поступает через литниковый канал в оформляющую полость пресс-формы

и заполняет ее. После выдержки, необходимой для затвердева­ ния, пресс-форму раскрывают и извлекают готовое изделие вместе с литниковым остатком.

Рве. 2.25. Схема пресс-формы для литьевого прессования на прессах

содним рабочим цилиндром:

1- коническая обойма матрицы; 2 - клиновая матрица; 3 - загру­ зочная камера; 4 —литьевой пуансон; 5 —отформованное изделие; 6 — выталкиватель; 7 —литниковый канал

Особенности литьевого прессования состоят в следующем: а) можно изготавливать детали с малопрочной или сквозной арматурой и детали с глубокими отверстиями малого диаметра, так как материал поступает в оформляющую полость прессформы уже в пластичном состоянии и не в состоянии оказать на оформляющие элементы пресс-формы и впрессовываемую

арматуру значительных сил деформации; б) процесс формования материала протекает быстрее, чем

при обычном прессовании; в) в деталях, полученных литьевым прессованием, не воз­

никают большие внутренние напряжения вследствие меньшего перепада температур по толщине стенок детали;

г) на деталях, изготовленных литьевым прессованием, прак­ тически не остается грата, так как оформляющая полость пресс-формы, образуемая пуансоном и матрицей, плотно за­ мыкается еще до заполнения ее материалом. Точность соблю­ дения размеров деталей при этом методе высокая, а механи-

ческая доработка деталей сводится только к отрезке литников и зачистке мест сраза;

д) при литьевом прессовании расходуется больше материа­ ла, чем при прямом прессовании, так как материал заполняет литниковые каналы и в загрузочной камере запрессовывается его остаток;

е) пресс-формы для литьевого прессования сложнее и до­ роже пресс-форм для прямого прессования.

Методом литьевого прессования можно изготавливать из­ делия из резиновых смесей и порошкообразных пластических масс. Пластмассы с волокнистыми наполнителями теряют до 50 % своей прочности. Слоистые пластики перерабатывать ли­ тьевым методом нельзя, так как материал не в состоянии пройти из загрузочной камеры пресс-формы в ее оформляю­ щую полость через узкие литниковые каналы.

Пресс-формы для литьевого прессования отличаются от пресс-форм прямого прессования тем, что они имеют загру­ зочную камеру для прессуемого материала, отделенную от оформляющего гнезда и связанную с ним литниковыми кана­ лами. Оформляющее гнездо литьевой пресс-формы перед прес­ сованием закрывают, а материал в него поступает уже в плас­ тичном состоянии из загрузочной камеры по литникам.

Существует два принципиально различных конструктивных варианта литьевых пресс-форм — литьевые пресс-формы для прессования на специальных прессах с двумя рабочими цилинд­ рами (рис. 2.26) и литьевые пресс-формы для прессования на обычных прессах с одним рабочим цилиндром (см. рис. 2.25).

Для прессования детали в пресс-форме материал загружают в загрузочную камеру, затем верхнюю половину пресс-формы опускают на нижнюю и удерживают под давлением плунжера верхнего рабочего цилиндра пресса, чтобы пресс-форма не раскрылась при заполнении материалом. Под действием дав­ ления нижнего рабочего плунжера пресса поднимается литье­ вой пуансон и выдавливает материал из загрузочной камеры по литникам в оформляющую полость. После окончания прес­ сования пресс-форму открывают и изделия выталкивают до­ полнительным ходом литьевого пуансона.

Метод позволяет развивать давления прессования до 35... 150 МПа для деталей из термопластов и термореактоплас-

этим причинам большой интерес представляет термокомпрес­ сионный метод формования изделий из ТКМ.

Технологическая оснастка для осуществления этого метода (рис. 2.27) состоит из ограничительной части, изготавливаемой, например, из металлов и эластичного формующего элемента (ЭФЭ),

характеризуемого КЛТР в диапазоне (250...500) • КГ6 °С-1 Собра­ нный пакет формуется в ограничительной части оснастки за счет температурного расширения ЭФЭ при нагревании. Вслед­ ствие значительного различия КЛТР материалов ограничитель­ ной части оснастки (10...25) 10'6 °СГ1 и ЭФЭ возникает дав­ ление формования, под действием которого пакет из ТКМ уплотняется. Если ЭФЭ вставлен в ограничительную часть оснастки с некоторым начальным зазором 5, то нагревание оснастки до определенной температуры сопровождается нарас­ танием давления р, которое можно рассчитать, используя фор­ мулу

р = крАТ.

Здесь кр — коэффициент термокомпрессии материала ЭФЭ, характеризующий прирост давления внутри замкнутого объема, в котором находится ЭФЭ, при его нагреве на 1 °С, МПа/°С:

где а , Е , ц — КЛТР, модуль упругости и коэффициент Пуас­ сона материала ЭФЭ; АТ — разность между текущей темпера­ турой Т и температурой Тъ, при которой исчезает зазор между

ЭФЭ и ограничительной частью оснастки.

Если считать ограничительную часть оснастки абсолютно жесткой, то для резин кр = 0,5...0,7 МПа/°С. Поэтому при нагреве до температуры 300 °С и выше можно создать практи­ чески любое давление формования, необходимое для изготов­ ления изделий из ТКМ.

Метод термокомпрессионного прессования можно осуще­ ствить с использованием двух основных типов технологической оснастки: с постоянным (рис. 2.27, а) и переменным (рис. 2.27, б) объемами формования.

6

Рис. 2.27. Оснастка для термокомпрессионного формования с постоян­ ным (о) и переменным (6) объемом:

1—металлический пуансон; 2 —металлическая матрица; 3 —эластичный формующий элемент; 4 - уплотняемый пакет; 5 —опорные планки; 6 - фиксирующие элементы; 7 — датчик давления; 8 - направляющие колонки-фиксаторы; 9 —упругие тарированные элементы

Впервом случае объем оформляющей полости в течение всего цикла формования остается постоянным. Регулируя зазор между ЭФЭ и пакетом ТКМ, можно в широких пределах изменять температуру начала воздействия и конечного уров­ ня давления формования.

Воснастке с переменным объемом один из элементов ог­ раничительной части выполнен подвижным, но подкреплен упругими тарированными элементами. При повышении давле­ ния, заданного упругими тарированными элементами, проис­ ходит некоторое перемещение пуансона по колонкам, при этом давление формования сохраняется на заданном уровне.

Воснастке с ЭФЭ можно одновременно формовать и

собирать изделия интегральной конструкции, например па­ нели различной конфигурации с внутренним силовым набо­ ром. Вследствие эластичности материала ЭФЭ и высоких значений КЛТР извлечение ЭФЭ из различных поднутрений осуществляется без особых затруднений. Одновременно обес­ печивается качественное уплотнение всех поверхностей, включая поверхности с малым радиусом перехода.