/
Автор: Крысин В.Н. Крысин М.В.
Теги: отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства инженерия конструирование инженерное дело технология машиностроения издательство машиностроение
ISBN: 5-217-00533-5
Год: 1989
Текст
В.Н.КРЫСИН М.В.КРЫСИН
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
ФОРМОВАНИЯ,
НАМОТКИ
И СКЛЕИВАНИЯ
КОНСТРУКЦИЙ
Москва
•Машиностроение •
1989
ББК 34.6
К85
УДК (621.744 + 621.778.2+621.792]: 624.016
Рецензент д-р техн наук О.С. Сироткин
Крисни В.Н., Крисни М.В.
К85 Технологические процессы формования, намогки и склеива-
ния конструкции. — М.: Машиностроение, 1989. — 240 с.: ил.
ISBN 5-217-00533-5
Обобщен отечественный и зарубежный опыт по созданию конструк-
ций нз металлов и неметаллических материалов с использованием процессов
формования, намотки и склеивания. Приведены характеристики материалов,
используемых для создания различных конструкций. Рассмотрены способы
повышения качества изготовления деталей н конструкций, проведения
контрольных операций, ремонта конструкций, а также особенности органи-
зации технологической подготовки производства. Описаны средства оценки
качества.
Для инженеров, конструкторов и технологов, работающих и авиацион-
ной промышленности.
2103000000-019
К --------------- 19-89
038 (01) - 89
ББК 34.6
ISBN 5-217-00533-5
©Издательство ’’Машиностроение”, 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы в авиационной и космической технике наметилась
тенденция перехода от конструкций, собираемых из большого числа
деталей при помощи клепки, к конструкциям с меньшим числом дета
лей, изготавливаемых склеиванием, формованием и намоткой Появ-
ление нового класса материалов — полимерных композиционных ма-
териалов (ПКМ), существенно отличающихся по своей структуре и
физике-механическим свойствам от традиционных, потребовало пере-
смотра организации производственных процессов и, в частности, тех
нологическон подготовки производства.
Обобщение достижений отечественной и зарубежной технологии
которое авторы попытались сделать в этой книге позволит сформиро-
вать базу для создания системы автоматизации производства.
Приведенные в книге прочностные характеристики следует рассмат-
ривать как критерии оценки технологических процессов, а нс как данные
для расчета конструкций
Настоящая работа окажет помощь технологам н конструкторам
при использовании новых материалов и разработке новых технологи-
ческих процессов.
Авторы выражают глубокую благодарность канд.техн.наук Е.В. Мои-
сееву В П. Батизату, а также докторам техн наук Б.В Перову, В С. Бо
голюбову и О.С. Сироткину за ценные советы, данные ими при подго-
товке рукописи к печати
Все замечания читателей авторами будут приняты с благодарностью.
3
ВВЕДЕНИЕ
При создании любого самолета нельзя избежать противоречия, вы-
текающего из необходимости обеспечения,с одной стороны, меньших
аэродинамического сопротивления и массы, а с другой стороны, требуе-
мых прочности и жесткости.
Повышения ресурса и надежности планера, а также снижения его
массы добиваются следующими методами:
сокращением числа конструктивных и технологических разъемов
агрегатов;
упрочнением силовых элементов конструкции не только терми-
ческими, но и механическими методами (поверхностным упрочне-
нием) ;
применением новых высокопрочных и высокопластичных мате-
риалов;
применением клеевых соединений взамен сборно-клепаных;
применением многослойных конструкций с сотовым заполните-
лем из металлов и неметаллов взамен традиционных клепаных;
применением стеклопластиковых обтекателей, зализов, трубопро-
водов, коробов и деталей интерьера кабин самолетов взамен алюмини-
евых клепаных;
применением ПКМ на основе стекло-, угле- и боропластиков н т.п.
Склеивание, формование и намотка позволяют широко использо-
вать в конструкциях неметаллические материалы. Эти методы соеди-
нения материалов имеют ряд конструктивных, технологических и
эксплуатационных достоинств*.
позволяют соединять материалы, не опасаясь коррозии;
позволяют получать наиболее гладкие поверхности;
не приводят к возникновению концентрации напряжений в стыке
и позволяют получать прочность соединения, равную прочности основ-
ных элементов;
не вызывают структурных изменений в соединяемых материалах;
резко уменьшают число входящих в сборочный узел деталей и поз-
воляют стандартизировать способы изготовления сборочного узла;
обеспечивают снижение массы соединений до 20 % по сравнению с
массой клепаных соединений;
позволяют снизить стоимость изготовления узлов.
Процессы склеивания, формования и намотки повышают жесткость
конструктивных элементов и в ряде случаев дают возможность обойтись
без элементов, увеличивающих жесткость. На основе этого свойства
были созданы многослойные конструкции, состоящие из материалов
с различными свойствами. Внешний слой - обшивка является основным
рабочим элементом конструкции и изготовляется из высокопрочных
материалов, внутренний слой — заполнитель играет роль жссткостного
элемента и изготовляется обычно в виде ячеистой конструкции, напри-
4
мер сотового заполнителя Применение таких конструкций позволяет
выполнять обшивку агрегатов самолета без продольных элементов
жесткости, даже при увеличении расстояния между нервюрами или
шпангоутами
Высокая сопротивляемость многослойных конструкции сжатию
позволяет ограничиваться наружным слоем малой толщины, что при-
водит к уменьшению массы планера. Например, в сверхзвуковых самоле-
тах клепаной конструкции толщина обшивок крыла составляет 5.. 8 мм.
в то время как толщина наружного слоя многослойной конструкции
с сотовым заполнителем — не более I мм
Новый шаг в создании высокоэффективных конструкций был сде-
лан при появлении ПКМ, представляющих собой комбинацию основы
связующего и армирующего материала.
Волокнистые ПКМ при однонаправленной укладке имеют ярко
выраженные анизотропные свойства.
Наиболее распространенными ПКМ являются стеклопластики
Они имеют большое значение отношения предела прочности к плот-
ности в направлении волокон (в пять раз больше, чем у алюминиевых
сплавов), по малое значение отношения модуля упругости к плотности,
что ограничивает нх применение. Поиски волокон с высокими проч-
ностными характеристиками н модулем упругости привели к раз
работке углеродных и борных волокон с однонаправленной укладкой
и разными углами между направлениями их укладки. При этом обеспе-
чивается лучшее сочетание характеристик
Изменение направления укладки в различных слоях ПКМ вызывает
изменение конструкции под нагрузкой. Например, в крыле появляются
деформации кручения, которые во время полета увеличивают эффектив
ность управления. Это позволяет уменьшить требуемые размеры управ-
ляющих поверхностей и тем самым — массу и аэродинамическое сопро-
тивление самолета
Конструкции из ПКМ склонны к усталостным разрушениям под
влиянием циклических изменений температуры и влажности, а также
к случайным ударным повреждениям — местным расслоению и рас-
трескиванию
Проектирование конструкций из ПКМ с заданным ресурсом в усло-
виях воздействия переменных нагрузок является очень сложным процес-
сом из-за большого *шсла факторов, влияющих на прочность конструк
ций. К таким факторам относятся: появление напряжении; растрески-
вание и расслоение основы ПМК в процессе нагружения; влияние окру-
жающей среды; наличие несплошности в ПКМ
Особое место в обеспечении качества изделий из ПКМ от-
водится технологии их изготовления Соблюдение технологичес-
ких режимов при изготовлении полуфабрикатов (леню, жгута)
обеспечивает необходимый состав основы, а также ее сплош-
ность
5
Например, методом прямого прессования при изготовлении неко-
торых деталей — обшивок, панелей, накладок — из заготовок, получен-
ных из ПКМ с однонаправленной укладкой или тканого ПКМ, обеспечи-
вается равномерность армирующего материала в основе.
Использование метода литья основы под давлением обеспечивает
высокое качество изготовления заготовок из IIKM с однонаправленной
укладкой, при этом устранение пористости основы достигается регули-
рованием условий прессования.
Для оценки объема пустот в основе используется ультразвук Оцен-
ка объема пустот выполняется на плоских образцах, имеющих сужение,
причем более значительное но толщине, чем ио ширине.
Первое поколение конструкций из ПКМ проектировалось но прин-
ципу непосредственной замены металлических деталей деталями из стек-
лопластиков. При таком подходе, естественно, нс удается полностью
реализовать все преимущества, которые можно получить от применения
ПКМ. Типовым примером может служить управляемый стабилизатор
американского палубного истребителя F-14, изготовленный набороплас-
тиковой основе. Масса этого стабилизатора оказалась на 19 % меньше,
чем масса аналогичного металлического устройства. При создании моди-
фикации этого стабилизатора но с учетом оптимальных условий для
ПКМ удалось снизить массу на 27 %. При создании второго поколения
конструкций из IIKM для самолетов В 1 F-18, TAV-8B масса агрегатов
была снижена па 35 %.
Рационально применение ПКМ в интегральных контрукциях — при
сочетании металлических деталей с деталями из ПКМ При этом удается
наиболее эффективно реализовать механические характеристики ПКМ
6
без изменения конструкции и технологии изготовления летательных
аппаратов, а также получить оптимальные массовые показатели Инте-
гральные конструкции, которые могут обеспечить существенное сниже-
ние массы и одновременно с этим повышение жесткости и прочности
разнообразны. Это — панели крыла и фюзеляжа, работающие на сжатие
и растяжение, балки стрингеры, лонжероны, воспринимающие изгибаю-
щие нагрузки При использовании I КМ для подк|юпления основных
силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20%, .масса
крыла — на 15. .20 %, масса оперения — на 10...15 %. На рис. В ! при
ведены масса и стоимость различных вариантов конструкции планера
На рис. В.2 приведены варианты интегральных конструкций. Наличие
прошивки или титановых шпилек в силовой вставке в месте перехода
от стенки к обшивке обеспечивает равномерную нагрузку клеевого сое-
динения и одновременно является средством фиксации нервюр, лон-
жеронов и обшивки при их совместной полимеризации
Одной из центральных проблем при проработке интегральной конст-
рукции является обеспечение прочности клеевых соединений деталей
из металла с накладками из ПКМ Так, при изготовлении интегральных
конструкций, приведенных на рис. В.2, б, выявлено, что склеивание
вставки из ПКМ и основной конструкции не обеспечивает требуемой
прочности Разрушение начиналось в зоне перехода от стенки к обшивке.
Введение прошивок и шпилек в зоне перехода от стенке к обшивке
позволило значительно увеличить прочность клеевого соединения (на
25. 30 %). Наиболее рациональным оказалось соединение титановыми
шпильками. Соединения металлов и неметаллов с помощью клея обес-
Рнс В. 2. Интегральные конструкции-
а — упрочненные протягиванием ПКМ; б - склеенные смолами; в - склеенные
клеями, I - с прошивкой; II - с титановыми шпильками 1 — металл; 2 - стен-
ка. образованная двумя профилями; 3 - вставка силовая из ПКМ 4 - стенка
лонжерона; 5 - прошивка грофитоэноксидная; 6 - обшивка нижняя; 7 - шпиль-
ка титановая ;8 - накладка силовая из ПКМ
7
печивает неразъемную связь всех элементов в агрегате Одновременное
склеивание всех соединений конструкции требует применения материа-
лов, допускающих нагрев до температуры полимеризации — отвержде-
ния клея. Нагрев сборочных деталей из различных материалов, имеющих
различные коэффициенты объемного расширения, может вызвать ко-
робление и остаточные внутренние напряжения. При склеивании детали
конструкции должны быть расположены так, чтобы условия их работы
были наиболее благоприятными Недопустимо механически переносить
установившиеся принципы проектирования обычных клепаных или
сварных конструкций на клеевые
Клеевые соединения имеют ряд преимуществ перед другими видами
неподвижных соединений, но в то же время они имеют и недостатки
сравнительно невысокую тешюстойкость,
уменьшение с течением времени прочности;
сравнительно невысокую прочность при неравномерном отрыве,
сложность технологии изготовления (необходимость разогрева
всей конструкции при выполнении операций сборки, высокую трудо-
емкость подгонки контактируемых поверхностей, так как допустимые
зазоры не должны превышать 0,15 мм);
токсичность некоторых компонентов клеевых композиций.
Для получения оптимальных данных создаваемых конструкций
с использованием клеевых соединений необходимы испытания их образ-
цов.
8
1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТ.КЛЕЙ
1.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Появление новых конструкторских идей всегда сопровождается
постановкой новых проблем в области материаловедения. Наиболее
обоснованные рекомендации по применению новых материалов могут
быть выданы при условии анализа их свойств и технологических возмож-
ностей, а также конструктивных особенностей изделий, в которых они
применяются. Возрастающие темпы увеличения грузооборота на воз-
душных линиях требуют использования широкофюзеляжных грузовых
и пассажирских самолетов с числами Маха М = 0,9...0.95. Уровень шума
и расход топлива у широкофюзеляжных самолетов меньше, чем у само-
летов предыдущих поколений. Совершенствование широкофюзеляжных
самолетов в основном идет но пути повышения экономичности, эффек
тн в пости. надежности, ресурса, маневренности, снижения шума в салоне
и на взлетной полосе аэродрома и уменьшения загрязненности окружаю-
щей среды.
Сравнительный анализ последних технических достижений в области
аэродинамики и электроники показывает, что наиболее перспективным
с точки зрения повышении эффективности ЛА является снижение массы
конструкции путем использования ПКМ. порошковых (гранулирован-
ных) алюминиевых сплавов и алю.минисво-лигиевых сплавов. Лия оцен-
ки эффективности применения новых материалов необходимо знать,
как отразится замена ими ранее применявшегося материала па харак-
теристиках агрегата и изделия в целом.
Применяемые в конструкциях ЛА материалы можно разделить
на три группы.
Первая группа включает металлические славы па основе
алюминия и титана Из материалов этой группы изготовляются фюзеляж,
крыло, оперение, агрегаты механизации крыла, а также посадочные
устройства.
В зависимости от назначения ЛА и его летно-технических данных
состав этих материалов и их масса в конструкции ЛА могут изменяться
в довольно широких пределах. Так в широкофюзеляжных самолетах
с М = 0,9 ..0,95 в качестве основного конструкционного материала
используются алюминиевые сплавы, а в самолетах с М <2 - тепло-
стойкие стали и титановые сплавы. К этой группе конструкционных
материалов также относятся металлические композиционные материа-
лы. В последние годы с развитием металлургической техноло1ии их
создание пошло по пути включения н основной конструкционный ма-
териал материалов других марок в виде отдельных слоев или утолщен-
ных плакировок.
Ко второй группе относятся ПКМ. Эти материалы по срав-
9
нению с материалами первой группы, имеют ряд преимуществ, позво-
ляющих значительно повысить эффективность конструкций. Наиболее
перспективные с точки зрения снижения массы конструкции и стои-
мости являются ПКМ на основе полимерных органических и углеро-
дистых волокон, т.е. органопластики и углепластики. Внедрение в кон-
струкцию модификации вертолета SH-53D ПКМ позволило на 507 кг
(на 18,5 %) снизить массу планера по сравнению с массой планера пер-
воначального варианта этого вертолета, на 80 % выполненного из алю-
миниевых сплавов. На вертолете SH-47 этой же фирмы использование
ПКМ обеспечило снижение массы планера на 10%, что позволило повы-
сить его грузоподъемность на 30% и на 40 % увеличить дальность полета.
Снижение массы позволило использовать полученный резерв для
совершенствования характеристик ЯЛ, для увеличения дальности по-
лета при сохранении начальной взлетной массы, для увеличения полез-
ной нагрузки при сохранении той же дальности полета, для уменьшения
линейных размеров, материалоемкости, отношения массы конструкции
к полезной массе и мощности (тяге) и т.д.
Применение в конструкции самолета 40...50 % ПКМ позволяют
снизить массу пустого самолета на 30 % и добиться наибольшей эконо-
мии при минимальных эксплуатационных расходах. Например, замена
в конструкциях планера пассажирского самолета массой 160 т 20 %
массы материалов первой группы на ПКМ позволяет снизить массу
самолета на 17 % и повысить полезную нагрузку на 20 %.
Для получения экономического эффекта от использования ПКМ
следует учитывать нс только их стоимость, но и преимущества, которые
можно получить при их рациональном применении. Использование ПКМ
позволяет снизить расход энергии, трудоемкость изготовления ПА,
повысить его комфортабельность, надежность и долговечность.
На рис. 1.1 приведена масса ai-регатов тяжелого транспортного са-
молета, изготовленных из алюминиевых сплавов и ПКМ. Использование
ПКМ позволяет уменьшить число деталей. Так. элерон клепаной кон-
струкции, изготовленный из алюминиевого сплава, для самолета Локхид
L-I011 состоит из 227 деталей, а элерон из ПКМ состоит из 45 детаЯй
Рис. 1.1. Масса агрегатов тяжелого транс-
портного самолета:
а - фюзеляж; б — крыло; в оперение;
г гондола двигателя; <) - шасси; | |
конструкция из алюминиевых силанов,
g/J конструкция из ПКМ
10
4
Рис. 1.2. Варианты элеронов-
а — клепаная конструкция с сотовым заполни гелем нз алюминиевого сплава;
б конструкция из ПКМ, 1 обшивка нз ПКМ; 2 соты из номекса- 3 лон-
жерон из ПКМ; 4 - нервюра нз ПКМ
(рис. 1.2) Замена элерона из алюминиевого сплава на элерон из ПКМ
позволила получить экономию в массе в пределах 28 %.
Киль самолета Локхид L-1011 изготовленный из ПКМ, имеет массу
на 27 % меньше массы киля, изготовленного из алюминиевых сплавов.
Эффективность элементов из ПКМ зависит от методов проектирования.
Исследование, проведенное фирмой "Грумман” показывает, что при
прямой замене металла в конструкциях самолета на ПКМ снижение
массы составляет 13 %, при этом максимальная взлетная масса умень-
шается всего на 6 %. При замене металла на ПКМ удается уменьшить
также размеры изделий.
К третьей группе материалов можно отнести различные
неметаллические конструктивно-декоративные материалы полиамиды,
пенопласты, пресс-материалы. полистиролы, резины и др. Состав ма-
териала третьей группы определяется типом самолета, вертолета.
Масса детален из неметаллических материалов второй и третьей
групп в зависимости от типа самолета может быть в пределах 13...20 %
от массы самолета. Основа ПКМ входящих во вторую группу вследст
вие своей химической активности в процессе термообработки или без
нее отверждается под действием активаторов. В результате склеивания
(химическою соединения основы и армирующего материала) линейные
молекулы приобретают пространственно-сетчатую структуру и необхо-
димое термостабилыюе состояние. Используемые эпоксидные основы
обычно полимеризуются при 127... 179 °C, и их характеристики во мно-
гом зависят от температуры полимеризации и вводимых для iviacrn
фикации, улучшения реологических характеристик и контроля текучес-
ти в процессе формообразования добавок.
Механические свойства материалов второй группы определяются,
прежде всего исходной прочностью основы, а также маркой армирую
11
utero материала и степенью армирования основы. При нагружениях
внешние нагрузки на основу передаются через касательные напряжения
сдвига. Основа нагружается постепенно.
Максимальное напряжение ттах зависит от прочности связи между
армирующими элементами - адгезионной и когезионной прочности.
Механизм разрушения (после разрыва одного или нескольких воло-
кон) будет заключаться либо в разрушении адгезионной связи (если
основа хрупкая). либо в пластическом деформировании (если основа
пластичная). Для каждого тина основы следует выделять комплекс
свойств, которыми она должна обладать для обеспечения максимальной
прочности ПКМ В качестве армирующих материалов используются
(рис. 1.3)
I. Стеклово.чокннты — это материалы с хаотически расположен-
ными штапельными волокнами длиной 50...500 мм и Ж1 утами длиной
50.... 100 мм Стскловолокниты изотропны, но их механические свойства
недостаточно хороши, и поэтому с применением этих материалов изго-
тавливаются в основном малонагруженные детали.
2 Стеклопластики — это материалы, в которые входят стеклянные
нити, волокна, ленты, а также ткани полотняного или сатинового пере-
плетения. ПКМ с основой из стеклопластиков обладают высокой меха-
нической прочностью, а поэтому из них изготавливаются детали, воспри-
нимающие аэродинамические нагрузки (обтекатели, зализы крышки
люков и др.).
3. Органопластики — это материалы с органическими волокнами,
лептами, нитями, жгутами и тканями. Органопластики относятся к лег-
ким материалам, их плотность равна 0,95...1,4 кг/см3. Одним из основ-
ных показателей работоспособности органопластиков является ползу-
честь. По удельной жесткости органопластики в 2 раза превосходят
стеклопластики. по при этом в 1,5. .2,0 раза уступают угле- и боронлас-
12
тикам. В зарубежных конструкциях широко используется органоплас-
тик кевлар различных модификаций Волокна кевлара часто называют
арамидными. К арамидным волокнам относятся фениленизофталамиды
номскс, конскс, фенидон; амидпщразиды. кевлар, а также аренка.
Характеристики арамидных волокон приведены в табл. 1
1 а б я и ц а 1.1
Марка Объем полимера, входящего в во- локна. % Плотность, кг/м’ Предел проч- ности на раз- рыв. МПа Модуль упругости МПа
Кевлар 2.3...2.4 0.0143...0.145 27.5 30 1240... 1340
X 500 3.4 0.147 2O...22 860...1060
Аренка 2 0.143 23 1260
Помехе 20—25 0.173 6.5 90... 120
При сжатии характеристики органопластикой меняются, в результате
чего создаются новые материалы.
Органопластики обладают хорошими теплоизоляционными свойст
вами — их тепло- и температуропроводности в два раза ниже, а удельная
теплоемкость на 50...70 % выше чем у стеклопластиков Механические
характеристики органопластиков приведены в табл. 1.2.
Органопластики легкие и характеризуются высокой удельной проч
ностью, хорошими показателями прочности при сжатии, изгибе и сдвиге.
Они являются хорошими диэлектриками Эти материалы устойчивы
к действию ударных и знакопеременных нагрузок, они плохо воспламе-
няются и их характеристики достаточно стабильны при высокой влаж
ности. Органопластики технологичны и легко перерабатываются
Органопластики благодаря своим физико-механичеким показате-
лям рекомендуются как армирующие элементы в ПКМ, применяемых:
в конструкциях, испытывающих предельные растягивающие напря-
жения, например в сосудах высокого давления;
Таблица 1.2
Объем волокон, % Предел прочности при сжатии Модуль упругости ю- ’
углеродных органических MIki
100 10.5 1.87
76 23 9.8 1 75
68 32 8.2 1.65
— 100 10.3 0.53
13
в деталях и узлах монолитных и слоистых панелей с легкими запол-
нителями различных типов, испытывающих умеренные нагрузки, напри-
мер в зализах, обтекателях. панелях;
в деталях и узлах декоративных элементов интерьеров самолетов,
вертолетов судов и т.п.;
в деталях и узлах электро- и радиотехнического назначения, напри-
мер в обтекателях для укрытия антенн и т н.
Применение органопластикой вместо стеклопластиков позволяет-
на 20...50 % снизить массу элементов конструкций;
в 5... 10 раз увеличить ресурс и повысить надежность работы конст-
рукций, испытывающих воздействие значительных знакопеременных
и ударных нагрузок;
в 1 5—2 раза повысить тепло-, звуке- и электроизоляционные свой-
ства конструкций;
в 3 ..5 раз снизить трудоемкость изготовления деталей.
4. Углепластики — это материалы с углеродными нитями, волок-
нами, лентами, тканями. Волокна изготавливаются из поли-акри.тонит-
ратных заготовок либо из смолы - остатка, образующегося при высоко-
температурном расщеплении в процессе переработки нефти.
К основным преимуществам угле плести ков следует отнести сравни-
тельно малую плотность, высокие сгатичсскос сопротивление усталости,
жесткость, сопротивляемость коррозии, износе- и абразивостойкость,
малые коэффициент линейного расширения и электрическую проводи-
мость. Наиболее широко применяются волокна из полиакрилонитрил ь-
ного сырья, имеющего модуль упругости 2,45-103 МПа и предел проч-
ности от 32,0 до 39,0 МПа ПКМ получается путем связывания углерод-
ных волокон с основой состоящей из некоторых эпоксидных феноль-
ных, полиэфирных, полисульфонпых смол или полифениленового суль-
фида.
Углеродные волокна можно разделять па три основных класса: вы-
сокомодульные, высокопрочные и средней прочности (табл. 1.3).
Прочность волокна определяется делением разрушающей нагрузки
на площадь его поперечного сечения. Углеродные волокна обеспечивают
высокую жесткость контрукнии. которая является мерой сонротивляе-
Параметр
0 ы оо к омо дул ьнос
угольное стеклянное
Плотность, кг/м3 1.9 3.6
Предел прочности 1.8—2.0 2,4... 3.1
при растяжении. МПа
•Модуль упругости. МПа 390.. 500 100 . 120
14
мости материала. Использование углеродных волокон и лепт позволяет
создавать ПКМ для определенных условий работы.
На характеристики проектируемого ПКМ влияют:
соотношение объемов основы и армирующего материала;
число слоев армирующего материала, его марка и его вид (волокно
или лента);
направление укладки волокон и лент армирующего материала
относительно главных действующих нагрузок;
технология пропитки армирующего материала основой;
технологические процессы изготовления деталей, узлов и агрегатов
(формование, намотка и др.)
Углепластики используются с эпоксидной основой. Фенольные
смолы не используются для изготовления конструкционных ПКМ, а
используются главным образом для получения ПКМ для изготовления
деталей оборудования и интерьера пассажирских кабин из-за негорю-
чести Наибольший интерес в настоящее время представляют бисталеи
миды и полиамиды. Бисталси.миды и их различные модификации но
стоимости ниже других основ, а посравнению с эпоксидными полимера
ми имеют более высокие тснлоскойкость и вязкость. Они легко пере-
рабатываются и представляются весьма перспективными при получе-
нии ПКМ для изготовления силовых конструкции.
Большая работа по исследованию полиамидов проводится в ПАСА по
программе, цель которой — разработка нового поколения полиамидных
углепластиков. Рабочая температура углепластиков при полиамидной ос-
нове зависит от продолжительности ее воздействия и равна 480. 535 °C
при кратковременном воздействии, 260...315 °C при воздействии в
течение 100... 1000 ч и 230. 260 °C при воздействий в течение
50000...70000 ч. ПКМ с углепластиковым армирующим материалом
планируется для замены углезпоксидных ПКМ в изделиях, длительно
работающих при температурах 120 175 °C в условиях повышенной
влажности [ 19].
Стойкость к окислению углеродного волокна увеличивается с уве-
личением модуля упругости, значение которого зависит от температуры
графитизации н соответственно содержания углерода.
Таблица 13
Волокно
высокопрочное средней прочности
угольное стеклянное угольное стеклянное
1.7 2.4.. 5.4 2.5 4.9 5.4 1.5 0.2...0.4 2.5 2,3...2.7
190...290 85...95 30 ..50 65 ..75
1$
Влияние теплового старения на воздухе на характеристики угле-
пластика сел ион при использовании в качестве армирующего материала
углеродного волокна показано в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Характеристика При температу- ре 23 *С При температуре 315 еСн выдержке
200 ч 500 ч 1000 ч
Масса испаряющегося вещества, % - 0.33 0.57 1.08
Предел прочности при изгибе. МПа 22.0 16,3 21.2 21.1
Модуль упругости при изгибе 103. МПа 1.4 1.43 1.42 1.44
Предел прочности при 1.13 0.56 0.63 0.70
межслойном сдвиге. МПа
5. Боропластики - это материалы с борными волокнами (волокна-
ми из поликристалличсского бора, осажденного на вольфрамовую про-
волоку) и борными стеклонитями, состоящими из параллельно распо-
ложенных борных волокон.
В зависимости от предела прочности при растяжении ав выпуска-
ются борные волокна трех сортов: к 1-му сорту относятся волокна
с ов > 32,5 МПа, ко 2-му сорту — с он = 27,5—32,4 МПа и к 3-му сорту -
с ов = 22,5-27,4 МПа.
На рис. 1.4 приведена схема укладки слоев борных волокон в об-
шивке стабилизатора самолета F-14A фирмы “Грумман”. Применение
ПКМ с боропластиковым армирующим материалом взамен алюминие-
вых сплавов в сочетании с титановыми сплавами обеспечило снижение
массы конструкции на 25 %. Этот стабилизатор представляет собой се-
рийный агрегат, изготовленный с использованием ПКМ с боропластико-
вым армирующим материалом
На рис. 1.4, а (сечение /-/) показано шестислойное клеевое соеди-
нение боропластика с титаном, выполненное внахлестку. Это соединение
характерно для зоны крепления шарнира узла поворота. Соединение
рассчитано на нагрузку 267,5 МПа. Максимальное число боропластико-
вых слоев в этой зоне равно 56.
При статических испытаниях клеевое соединение нагружали при
t = 150 °C до разрушения. Разрушение начиналось в сотовом заполни-
теле, а затем приводило к локальному разрыву обшивки. Агрегат, под-
вергнутый испытаниям на усталость при типовых для самолета F—14А
условиях нагружения, разрушился после 17000 летных часов Разруше-
ние произошло при нагрузках, увеличенных на 25 % против эксплуа-
тационных.
16
a
Рис 1.4. Схемы укладки борных волокон в обшивке стабилизатора самолета
F -14 А (с) и конструктивный элемент обшивки (б)
I - ось поворота стальная 2 кромка передняя со стеклопластиковой обшивкой
н сотовым заполнителем; 3 - обшивка со схемой укладкн борных волокон
О (60%)/ t 45° (30 %)/90’ (10%); 4 ззкопновкз стеклопластиковая; 5- нак-
адка электропроводящая. соединенная с металлической осью для защиты от гро-
зовых разрядов; 6.8 - сплав титановый- 7 - соты; 9 - стекловолокно
11а самолете F-111F в шарнирной опоре крыла применены усили-
вающие накладки из ПКМ с боронластиковым армирующим материа-
лом (рис. 1.5). Такое конструктивное решение уменьшило габаритные
размеры и массу шарнирного узла
Фирма "Рокуэлл" применила ПКМ с боропластиковым армирующим
материалом в конструкции агрегатов самолета В-1 для изготовления
силовых лонжеронов фюзеляжа (рис 1.6).
Рис. 1.5. Шарнирная опора крыла самолета
Fill F:
1 - накладка из ПКМ с боронластиковым
армирующим материалом
17
Hie. 1.6. Места расположения деталей нэ ИМ К, с боропластиковым армирующим
материалом в конструкции фюзеляжа самолета В-1:
а сечение фюзеляжа; б сечение лонжеронов; А лонжерон верхний; В
лонжерон нижний С - лонжерон внешний; 1 сталь; 2 титан; 3 ПКМ с бо-
ропластиковым армирующим материалом
ПКМ с боронластиковым армирующим материалом применяется
для изготовления направляющих и рабочих лопаток турбин, оболочек
компрессора ТТД, подкрепляющих элементов металлического силового
набора планера, емкостей, рассчитанных для хранения газа нод высоким
давлением при температуре 200 °C в течение 1000 ч, а также деталей
разового действия. Необходимо иметь в виду, что длительный контакт
с ббропластиками при температуре нагрева 60...200 °C не вызывает кор-
розии титанового сплава, но вызывает коррозию стали ЗОХГСЛ. Проч-
ностные храктеристики боропластиков очень чувствительны к измене-
нию технологических режимов изготовления деталей, изменению давле-
ния (рис. 1.7) температуры и времени прессования (рис. 1.8).
Число деталей из НКМ с армирующим боропластиковым материалом
в конструкциях самолетов быстро увеличивается со времени выпуска
первых серийных стабилизаторов самолета F-14, масса которых соста-
Рис. 1.7. Зависимость предела прочности при изгибе ои (-------) и пористос-
ти П (-----) боропластика от давления р
Рис. 1.8. Зависимость предела прочности си боропластика от времени прессова-
ния Т:
------ I = 160’ С,------Г = 130’ С; ------ - ----- Г = 180’ С;-----------Г «
= 120’ С
18
T j 6 ii и ц a 1.5
Самолет Фирма Изготовляемые части самолета. Полученный эффект
F-14 Макдонслл-Дуглас” Обшивка кессона стабилизатора
I 15 Обшивки киля, руля направления и ста- билизатора Снижение массы самолета 25%
С-1 ЗОЕ Накладка кессона центроплана самолета (рис. 1-9) Снижение массы самолета 25%.
С-5Л "Локхид" Секции предкрылков Уменьшение числа деталей в 10 раз. Снижение мзссы самолета на 21 %
Fill Стабилизатор. Снижение массы самолета
на 25 %-
------------"Джепсрал Дайнэмикс” -----------------------------------------
F-5---------Створки пиши шасси Снижение массы
самолета из 29 %
Рис 1.9. Схема упрочне ия кес-
сона центроплана самолета
С МОЕ накладками из ПКМ
с боро астнковым армирую
щим материалом:
1 - отсек топливный - кес-
сон; 2 - узлы крепления
пилонов двигателей; 3-разъем
технологический; 4 - узел
крепления рельсов закрылков:
5 - накладка верхняя 6 -
накладка нижняя; 7 - детали
из ПКМ
вила всего 0.8 % массы самолета. Масса изделий из ПКМ с армирующим
боропластиковым мат ^риалом в самолете AV-8B доспи ла 26 % мас-
сы самолета. В табл 1.5 приведены части самолетов, изготовленные из
ПКМ с боропластиковым армирующим материалом
Производство агрегатов из ПКМ с боропластиковым армирующим
материалом требует больших капиталовложений. Разработана моднфи-
19
кация борного волокна — волокно борсик с покрытием нз карбида
кремния, нанесенным для повышения рабочей температуры.
Борное волокно используется также в ПКМ с алюминиевой осно-
вой, объемное содержание борного волокна в этих ПКМ 46...50 %. Бо-
роалюмнниевый ПКМ применяется для изготовления трубчатых стоек
средней части фюзеляжа транспортного космического корабля "Спенс
шаттл”. Такой материал применяется для изготовления панелей обшив
ки пилона на хвостовой части фюзеляжа самолета DC-I0, что обеспечи-
вает длительную работу при температуре до 177 С. Бороалюминисвыс
ПКМ применены для изготовления лопаток вентилятора двигателя
реактивного самолета F 104. Этот материал обеспечивает поглощение
энергии удара посторонними предметами.
Фирма ’’Рокуэлл” разработала бороалюминиевый ПК.М, который
применяется в конструкции крыла самолета В-1 для снижения его
массы. Этот ПКМ имеет металлическую основу и армирующий мате-
риал из борных волокон с покрытием карбидом бора в сочетании с ти-
таном. Это обеспечивает рабочую температуру волокон 540 °C без сни-
жения их прочности.
Следует отмстить недостатки ПКМ. Основным из них является кор-
розия. возникающая при контакте ПКМ с металлическими деталями
например при контакте углепластиков с алюминиевыми сплавами и
обычной углеродистой сталью
К другим недостаткам следует отнести необходимость экраниро-
вания радиоэлектронною оборудования и защиты от грозовых электро
разрядов из-за низких электрической проводимости и теплопроводности
ПКМ Как одно из средств защиты от грозовых элсктроразрядов фирма
"1 румман” предлагает на поверхность изделий путем полимеризации
наносить полосы из медной фольги Недостатком ПКМ на углепласти-
ковой основе является малая устойчивость конструкции к ударным
нагрузкам, а отсюда необходимость разработки технологии ремонта
конструкций из ПКМ в условиях эксплуатации Специалисты фирмы,
выпускающей вертолеты Сикорский SH-53D, при создании балок вер-
толетов применяют волоконную оптику волноводы, занолимеризо-
ванпые в конструкцию балок. Указанные волноводы позволяют полу-
чить информацию о возможных повреждениях, возникающих в процес-
се эксплуатации Световые сигналы, поступающие по волоконным вол-
новодам. обрабатываются с помощью бортовых микропроцессоров
и воспроизводятся либо на дисплее, либо с помощью речевого синте-
затора.
Другой метод обнаружения повреждений основан на принципе аку-
стической эмиссии. При этом методе акустические первичные преобра-
зователи также путем полимеризации устанавливаются непосредствен-
но в конструкцию изделия. Эти преобразователи изготовляются из по-
ливинилиденфторидных полиметров в которых при изменении дав-
лений генерируются небольшие электрические заряды. Система нреоб-
20
разователсй позволяет зарегистрировать трещину и определить ее место-
положение либо методом триангуляции, либо но временной разнице
между возбуждениями различных преобразователей. Частоту и ампли-
туду возбуждающих акустических волн сравнивают с типовыми значе-
ниями, заложенными в памяти микропроцессоров. Полученную инфор-
мацию можно выводить на дисплей либо воспроизводить речевым син-
тезатором
Для изучения структуры ПКМ обычно используются различные
методы. С помощью микроскопов определяются объемное содержа-
ние фаз (основы и армирующего материала), диаметр волокон, их нап-
равление и распределение, пористость ПКМ (размер и форму пор),
а также параметры процесса увеличения и возникновения новых дефек-
тов при воздействии различных факторов (колебании температур,
влажности, ультрафиолетовой радиации и др.).
Исследования показывают что структура ПКМ неоднородна име-
ются области. ненанолненные основой, разнотолщинность прослоек
основы между слоями армирующего материала, неравномерное распре-
деление волокон и др.
ПКМ присуши две категории микродсфсктов: первичные, возни-
кающие в процессе изготовления ПКМ и присутствующие в исходной
структуре в виде пор, трешин. включении отслоений и вторичные,
образующиеся в условиях эксплуатации под воздействием внеиншх
факторов (влаги, нагрева, механических нагрузок, облучения и др.).
В зависимости от места образования дефекты можно разделить на внеш-
ние и внутренние. Внешние появляются на поверхности ПКМ, а внут-
ренние — внутри основы армирующего материала и в пограничном
слое между ними
Наиболее типичные дефекты поры, размер и форма которых,
в первую очередь, определяются природой и свойствами основы и арми-
рующего материала, а также технологией изготовления ПКМ. Основная
причина образования пор выделение газообразных продуктов при
отверждении основы. Пористость углепластиков 1 ..3 % (диаметр пор
до 200 мкм) а пористость стекло- и боропластиков колеблется в более
широких пределах Так, пористость ПКМ с армирующим материалом
типа стеклопластика и эпоксидны-
ми основами составляет 3...7 %
(диаметр пор до 400 мкм).
Рис. 1 10. Графики изменения предела
прочности при изгибе стеклотексто-
лита и его гигроскопичности при из- —
меяснии его пористости:
------ пористость II; — - - гигрос- ,
комичность В П
21
Большое значение имеет пространственное расположение слоев ар-
мирующего материала, которое определяет диаметр нор. Мелкие поры
находятся внутри слоев, крупные - между слоями.
При изменении структуры ткани и тем более при переходе к не-
тканым основам характер пористости изменяется Изменение по-
ристости оказывает существенное влияние на механическую прочность
ПКМ и их способность к водопоглощеиию. С ее увеличением прочность
при изгибе уменьшается, а способность к водопоглощеиию возрастает.
Согласно зависимостям, приведенным на рис. 1 10, предел прочности
при изгибе он и гигроскопичность В зависят от пористости П.
С помощью микроскопа можно исследовать строение границ между
основой и армирующим материалом, а также поверхность армирующих
волокон. Поверхности стеклянного, полимерного, углеродного и борно-
го волокон имеют различные структуры. Если стеклянные волокна
имеют ровную поверхность с микронеоднородной структурой, то по-
лимерные волокна па поверхности имеют углубления вдоль оси ши-
риной 0,2...0,3 мкм и длиной несколько микрометров.
Граница раздела между основой и армирующим материалом в ряде
случаев монолитна и обеспечивает высокую прочность ПКМ. Однако
встречаются участки неплотного прилегания армирующего материала
к основе, которые уменьшают прочность сцепления слоев и ухудшают
механические свойства ПКМ. Это явление характерно для ПКМ со стек-
лопластиковым армирующим материалом и с фенолоформальдегидной
и кремнийорганической основами Оргапостсклопластики обладают хо-
рошими контактами с олигомерной основой и граница между ними
выражена нерезко Это связано с диффузией олигомерной основы в
органостеклопластики.
Появление дефектов, ообенно микрополостсй, на границе стекла
и полимера ухудшает механические и диэлектрические свойства стекло-
пластиков. Обработка волокна адгезионно-активными замасливатсля-
ми и аппретами, а также введение активных добавок в основу значитель-
но повышает стабильность структуры и свойств стеклопластиков при
увлажнении
При сжатии стекло-, угле- и боропластиков в направлении арми-
рования наблюдается сдвиг. Особенность разрушения органостекяо-
пластиков в отличие от названных материалов состоит в том что при
растяжении и сдвиге они расщепляются вдоль оси органических волокон
из-за высокой степени ориентации макромолекул и сравнительно слабой
связи между фибриллами волокон. Вследствие низкой прочности opia
ностеклопластиков при поперечном растяжении и продольном сдвиге
они в отличие от других армирующих материалов практически не раз-
рушаются по границе армирующий материал — основа.
При сжатии органостеклопластики в зоне разрушения нс срезаются,
как стеклопластики, а только изгибаются Одним из путей повышения
прочности является сочетание органических волокон со стеклянными,
углеродными и бориымн, которое предотвращает хрупкое разрушение.
22
1.2. КЛЕИ
Клеи представляют собой вещества, соединяющие различные ма-
териалы путем образования адгезионной клеевой пленки с поверхнос-
тями склеиваемых материалов.
В технике для скрепления контактирующих поверхностей приме-
няются специально разработанные клеи на основе полусинтетических
или синтетических веществ: эпоксидные клеи, флсксоны. фенольные
клеи, полиуретановые, нластизольные и др. Выбор клея осуществляется
исходя из конструктивных, технологических н экономических сооб-
ражений.
Синтетические клеи получают полимеризацией, поликонденсацией
и нолинрисоединением.
Наиболее широкое раснростра iciinc получили эпоксидные клеи.
Они обеспечивают чрезвычайно высокую прочноть при сдвиге, удов-
летворительную прочность при отдирс и стойкость к воздействию раз-
личных сред. Сейчас быстро развивается область производства высоко-
прочных пленочных .модифицированных клеев. Одним из модифика-
торов, повышающих термостойкость эпоксидных клеев, является но-
лидиоктаримициклотрифосфазсм (ПАФ). Недостатком разработанных
на основе ПАФ составов является необходимость иснользов ния раст-
ворителя при совмещении компонентов, обусловленная высокой тем-
пературой плавления ПАФ.
Когда требуется сочетание высокой прочности в широком темпе-
ратурном диапазоне (180—200 °C) со стойкостью к действию ударных
и вибрационных нагрузок, температурных перепадов и высокой влаж-
ности, применяются разработанные в последние годы конструкцион-
ные высокотехнологичные клеи на основе эпоксидных олигомеров,
модифицированные низкомолекулярными каучуками с комплексом
хороших адгезионных и когезионных свойств. Двухкомпонентные
клеи мо!ут отверждаться без нагревания и с нагреванием. Особенность
этих клеев — высокая скорость отверждения (надо учитывать, что
наибольшая прочность достигается через месяц после начала отверж-
дения) .
Разработаны также высокопрочные и долговечные эпоксидные
клеи, позволяющие на 30—40 % снизить термические напряжения крио-
генных систем и повысить их стойкость к действию термоударов. Это
позволяет в ряде случаев заменять механическое крепление элементов
конструкций из алюминиевых сплавов в изделиях р кетно-космичсс-
кой техники склеиванием.
Перспективно повышение термостойкости и прочности склеивае-
мых изделий путем введения в структуру эпоксидных клесв-нанол-
питслсй в виде нитевидных кристаллов и усов.
Перспективность такого направления обусловлена рядом особен-
ностей. Вследствие малого диаметра кристаллы практически лишены
23
дефектов, их прочность близка к теоретической, определяемой проч-
ностью межатомных связей. Высокая поверхностная прочность усов
способствует быстрому отверждению клеев, а химический состав
высокой их термостойкости
Больше всего увеличивают прочность адгезионного сцеплении у •. i
SiC. При введении 2 % SiC предел прочности клеевых соединений при от
рыве увеличивается в три раза и составляет 39 45 МПа л после терм >
старения в течение 4 ч при температуре 200 °C он составляет 49...51 МПа.
Предел прочности при сдвиге увеличивается в 1,5 раза.
С точки зрения термостабилыюсти наиболее эффективно введение
нитевидных кристаллов ZnO
Одним из направлений в модифицировании эпоксидных термо-
стойких клеев является синтез полимеров с азотосодсржашими мак-
рогстерогенами в цепи полигексоазоциклонов.
Весьма интересным является использование в качестве основы
клеев карбораисодержаших феиолоформальдегицных смол, шузво
ляюшее получать композиции, способные работать длительное врс
мя при 350...500 сС практически без изменения прочности
Флексоны представляют собой клей на основе акрилатных смол
Механизм их отверждения различен. Главной их особенностью является
способность противостоять значительным кратковременным на1руэкам
и воздействиям окружающей среды.
Фенольные клеи основаны на фенолоформальдегидных смолах
Фенольные клеи существуют во множестве видов, их недостатком явля-
ется то, что они часто выделяют большое количество воды при отверж-
дении. По этой причине при их использовании применяют прессы с
подогревом или автоклавы
Полиуретановые клеи могут быть различною состава. При их исполь-
зовании почти всегда требуется два компонента и специальное обору-
дование для смешения В США полиуретановые клеи широко примени
ются в важнейших узлах ЛА. Соединения пластин из плакированною
алюминия с помощью двухкомнонентпого жидкого клея, нс содержаще-
го растворитель, имеют весьма хорошие прочностные характеристики
при комнатной температуре. По свойствам эти клеи превосходят луч-
шие из эпоксидных клеев
Разработана серия технологических однокомпоиентпых полиуре-
тановых клеев, обладающих эластичностью и высокой адгезией с боль-
шинством материалов. Клеи этом серии отверждаются даже при мину
совых температурах. Продолжительность их отверждения при темпера-
туре 30...90 °C составляет 0,5 сут. Интервал рабочих температур состав-
ляет — 60...+ 120 °C
Предел прочности при равномерном отрыве сразу после склеива-
ния составляет 0,02.. 0,1 МПи, а через 10 сут — не менее 1 МПа
Кроме того, разработай конструкционный клей для различных
сочетаний материалов, отверждающийся при температурах —15...+ 60 С
как на воздухе, так и под водой
24
При работе с полиуретановыми клеями не требуется специальной
подготовки поверхности, поэтому их можно использовать для ремонт-
ных работ в полевых условиях.
11ластизольные клеи основаны на дисперсиях поливинилхлорида,
переходящих при нагревании из жидких в твердые. Изменение сос-
тояния обусловлено тем, что частицы поливинилхлорида адсорбируют
жидкость, в которой они диспергированы. При охлаждении происходит
сгущение и образование прочного твердого вещества. Пластизольные
клеи удобно применять в тех случаях, когда можно использовать ис-
точник тепла. Соединения, полученные с помощью пластизольных клеев,
не разрушаются при значительных нагрузках. Эти клеи нельзя использо-
вать для создания силовых сборок. Их можно широко применять для
приклеивания панелей кабин
Каучуковые клеи используются при температурах -60...+60 °C.
Клеи на основе нолифосфазеиов отличаются высокой термостой-
костью. Пи один из полимеров, кроме нолифосфазеиов, не обладает
сочетанием низкой стоимости, химической инертности и термостабиль-
ности. Клеи на основе нолифосфазеиов благодаря простоте получения,
доступности исходных компонентов, высоким стойкости к термоокис-
л и тельной диструкции и прочности мозут конкурировать с эпоксид-
ными клеями. Клен готовятся в виде суспензий в растворе ПАФ и ацето-
на и износятся на слегка подогретые поверхности.
Основой большого числа клеев, обладающих высокой термостой-
костью. адгезией с различными материалами и рядом других ценных
свойств, являются гетерогенные полимеры, к которым относятся по-
либензимидазолы, политриазолы, иолиимиды.
Клеи на основе гетероциклических полимеров в основном исполь-
зуются для склеивания металлов и ПКМ (боро- и углепластиков).
Склеенные изделия пригодны для длительной эксплуатации при темпе-
ратуре 216...3I5 °C и при кратковременной эксплуатации при темпе-
ратуре 540 °C.
Помимо высокой термостойкости участки соединения клеями
на основе гетерогенных полимеров характеризуются стойкостью к воз-
действию агрессивных сред, низких температур, радиации и влажного
воздуха.
При температуре 196 °C разрушающее напряжение при сдвиге
равно 34 МПа. при 253 °C оно составляет 40 МПа.
Существенным недостатком этих клеев является высокая темпе-
ратура отверждения (260...300 °C) и выделение при отверждении ле-
тучих веществ.
Хпзэробные, ниакрнлатные и акриловые клеи имеют такие преиму-
щества перед эпоксидными клеями, как отверждение при комнатной
температуре, высокая скорость отверждения, отсутствие операции
перемешивания при изготовлении. Клеи этой группы способны обеспе-
чить высокую прочность и долговечность соединения.
25
Их недостаток высокая стоимость, однако при использовании
специального оборудования для автоматизированного нанесения клеев
их применение становится экономически выгодным.
Из выпускаемых в. СССР анаэробных клеев большинство имеют
предельную рабочую температуру при длительных режимах 150 Си
при кратковременных режимах 300 С.
Циакрилатныс клеи относится к числу самых дорогих в современ-
ном производстве, тем не менее они признаны высокозкономичными
Использование этих клеев позволяет авоматизировать и механизиро-
вать процессы сборки. Объем входного контроля клеев меньше объема
выходного контроля эпоксидных клеев. При этом численность рабочих,
выполняющих операции склеивания, и производственные площади,
на которых выполняются эти операции, сокращаются более чем в два
раза.
Выпускаются разнообразные клейкие ленты на клее, чувствительном
к давлению, пригодные для склеивания небольших деталей. Изделия,
склеенные этими лентами, можно длительно эксплуатировать на откры-
том воздухе при очень незначительном нагружении.
В качестве клеевых композиций часто используются горячие рас-
плавы, основанные на термопластичных смесях Твердая фаза этих раенла
вов может изменяться от жесткой до эластичной в зависимости от их
состава Расплавы но мерс охлаждения быстро образуют клеевой шов.
Это создает большие удобства при работе. Расплавы не выделяют вред-
ных веществ при отверждении, безопасны для работающих из-за отсут-
ствия непосредственного контакта с клеевой массой.
Полуфабрикат расплава в виде гранул или порошка засыпается
в специальное приемное устройство, в котором доводится до необхо-
димой консистенции. Лальиейшие операции — подача расплава к месту
склеивания и нанесение на склеиваемые поверхности — производятся
автоматически. Основной функцией рабочего при этом является наблю-
дение за протеканием процессов, регулирование и контроль качества
подаваемого расплава.
Исключение таких операций, как перемешивание, взвешивание
частей клея (koiда клей жидкий), раскрой и прикатка (когда исполь-
зуются клейкие ленты), позволило улучшить качество изделия и умень-
шить время их изготовления.
В последнее время интерес к расплавам заметно возрос в связи с
возможностью использования их при изготовлении трехслойных кон-
струкций с сотовым заполнителем.
В настоящее время у пас в стране и за рубежом в качестве клеевого
компонента при изютовлепии трсхслонных конструкций с сотовым
заполнителем в основном применяются клеевые пленки. Они прикаты-
ваются к торцам сотового заполнителя, при этом пространство внутри
каждой сотовой ячейки полностью заполняется клеем.
Анализ процесса образования клеевого слоя, расчет напряженно-
деформированного состояния клеевого шва в трсхслойных конструк-
76
циях с сотовым заполнителем показали. что часть клеевого слоя, лежа-
щая внутри сотовой ячейки, является нерабочей, а следовательно, при-
водит лишь к утяжелению всей конструкции. В связи с этим более
прогрессивным с точки зрения снижения массы конструкции и се стои-
мости является метод склеивания, при котором клей наносится только
на торцы сот заполнителя (рис. 1.11).
Форма и параметры клеевою шва. образующегося при изготовлении
многослойных конструкций с сотовым заполнителем, во многом опре-
деляются методом нанесения клея на соединяемые поверхности
В лбирасмый метод склеивания должен обеспечить минимальный
расход клея, бе зопасность, высокое к честно получаемою клеевого слоя
и т.н. При этом каждый тин применяемою клея накладывает свои огра-
ничения. связанные, прежде всего с его физико-химическим состояни-
ем, температурным режимом
Раашав наносится окунанием, кистью, распылением, валиком и
т.д.
При использовании клеевой пленки уже на стадии ее прикатки
Рис. 1.11. Схема установки для и несения расплава иа торцы сотовых ячеек запол-
нителя.
1 валик обогреваемый; 2 ванна е электронагревателем 3 — обогреватель
валика; 4 устройство шнековое для подачи клея;. 5 - ракель для рсгу Шровкн
расхода клея; 6 насадка для обогрева сотового заполнителя горячим воздухом;
7 - стол направляющий; 8 - валик прижимной; 9 - зонт вытяжной; 10 - крышка
съемная; 11 заполнитель сотовый; 12 стол для съема сотового заполнителя;
13 слой клеевой
27
к обшивкам применяются специальные обогреваемые валики. При
повышенной температуре клеевая пленка размягчается, разглаживается
ее поверхность, увеличивается ее ciiciuiciuic с поверхностями обшивок.
Нанесение клея только на торцы сот позволило освободить внут-
реннее пространство сотовой ячейки от к.чея, а клеевой слой клеевые
галтели формировать непосредственно у стенок сот.
Нримененне расплава значительно уменьшает площадь клеевого
контакта сотового заполнителя с обшивками Поэтому при этом методе
склеивания необходимо тщательно контролировать такие технологи-
ческие параметры, как температура клеевой массы, се вязкость, ско-
рость нанесения массы на соты, число слоев.
После завершения процесса образования клеевого слоя на стенках
сот образуются кз1ши Условно каплю можно определить следу юн и< ми
параметрами (рис. 112) ЛК1 — высота верхней части капли, которая
Рис. 1 12. Схема формообразования клеевой галтели при разном числе слоев рас-
плава:
а один слой, б два слоя, в три слоя; 1 заполнитель; 2 - галтель клеевая;
3 обшивка
особенно влияет на высоту поднятия клея — //; hKi — высота нижней
части капли; 6К - толщина капли; Кг — ширина основания галтели
Изменение параметров расплава а особенно <шсла наносимых слоев,
оказывает существенное влияние на эти параметры.
Увеличение числа слоев расплава влияет в основном на параметры
11 ^'к1- т.е. накопление клея происходит у торцов сотового запол-
нителя. При подводе обшивки и подаче давления, необходимого для
склеивания часть клеевой капли деформируется и ее масса перераспре-
деляется таким образом, что образуются клеевые галтели. Ирм этом
становится очевидным, что при увеличении числа наносимых слоев
расплава может произойти столь значительное увеличение параметров
бк и /|к:, а следовательно и параметра Л',., что основания клеевых |ал-
тслей внутри сотовых ячеек сомкнутся.
28
Использование расплава для склеивания трехслойных конструкций
с сотовым заполнителем повлекло за собой необходимость решения
целого ряда задач: проектирование оборудования, создание специаль-
ной технологии, изучение условий, при которых можно наносить рас-
плав и при которых он образует высококачественный клеевой шов.
Необходимо определить также и оптимальный режим: температуру
и давление, вязкость, от которой в основном зависят силы поверхнос-
тного натяжения, а следовательно, и процесс образования клеевых
галтелей.
Измерение вязкости расплава традиционными методами (мето-
дом истечения, методом капилляра и т.д.) осуществить невозможно,
так как он застывает сразу же при подаче в измерительную аппаратуру
независимо от его первоначальной температуры. Наиболее подходящим
для данного случая является метод ядерного магнитного резонанса,
который основан на измерении времени спиновой релаксации. Это
время определяется распределением избыточной энергии внутри спино-
вой системы и ее переходом от резонирующих к нерезонируюншм
снипам. Характеристическое время ядерной релаксации Т определя-
ется химическим составом и интенсивностью броуновского движения
в расплаве. По значению Т определяется изменение вязкости расплава,
обусловленное, в частности, процессами полимеризации, поликонден-
сации. На рис. 1.13 приведена зависимость времени релаксации Т от
температуры расплава. Характерно наличие явно выраженного макси-
мума в интервале температур t = 115...130 °C- Можно выделить несколь-
ко этанов изменения расплава.
1. В начальной стадии происходит постепенное размяпюнис и разо-
гревание клеевой массы при температуры 60...80 °C.
2. В интервале температур 80... 100 °C происходит интенсивный
разогрев всей массы. При этом вязкость практически не меняется в
течение 30 мин.
3. Интервал температур ПО...120 вС характеризуется интенсив-
ным плавлением клеевой массы. Это оптималь-
ный период для использования расплава. Через lfT
15 мин после этого периода вязкость повыша-
ется. | \
4. При температуре свыше 130 °C проис- I \
ходит интенсивное структурообразование. I \
5. При температуре свыше 140 °C про- / \
исходит отверждение расплава. • - / \
Рис. 1.13. Зависимость времени релаксации от темпе- I ,
рэтурь W W Ш NJ гм f.V
29
Таблица 1.6
Тип клея Токсич- ность Стоимость компонентов клея Сложность процесса изготовления Температура отверждения Стойкость к раство рителям Теплостой- кость Ресурс Область приме нения
Анаэробный Малая Средняя Малая Высокая Высокая Средняя Большой Используется при механизированной сборке
Ниакрилатный 11 Высокая Низкая Средняя Малая Малый Используется при сборке небольших пластмассовых, ме- таллических и кау- чуковых изделий
Эпоксидный Средняя Средняя Средняя Высокая Высокая Средняя Высокий Используется при сборке металличе- ских изделий
Флексон Малая «1 *1 11 *1 Высокая •1 Используется для изготовления кон- струкций, работаю- щих при больших напряжениях в эк- стремальных внеш- них условиях
Продолжение табл 1 6
Тип клея Токсич- ность Стоимость компонентов клея Сложность процесса изготовления Температура отверждения Стойкость к раство- рителям Теплостой- кость Ресурс Область применения
Фенольные Малая Средняя Высокая Высокая Высокая Высокая Большой Используется для
изготовления кон-
струкций работаю- щих при больших
напряжениях в эк- стремальных усло-
11лэ сти зольные Высокая » Средняя •• Низкая Средняя Средний виях Используется для изготовления изде-
Полиуретановые лий работающих в обычных условиях
Высокая Низкая Высокая Высокая Используется для быстрого изготов- ления крупногаба-
Каучуковые Низкая Низкая Низкая 1* Низкая Низкая Малый ритных изделий Используется для
изготовления изде-
лий, работающих в
обычных условиях
Примечание. При оценке характеристик клеев за исходные приняты характеристики каучуковых клеев
В табл 1 6 приведены характеристики клеев и области их приме-
нения. Для выбора типа клея необходимо определить основные харак-
теристики соединения, зиать функции этого соединения и условия его
работы
Последовательность и длительность процессов обработки оказы-
вают большое влияние на выбор типа клея. Время образования адге-
зионной связи должно быть минимальным.
Циакрилатным клеям требуется для образования соединение дета-
лей всего несколько секунд, а для достижения максимальной проч-
ности — минуты Анаэробные клеи образуют соединение обычно через
15...20 мин, а максимально возможная прочность появляется через
несколько часов. Однако следует отметить что специальная обработка
склеиваемых поверхностей может привести к снижению этого показа-
теля до 30 с. Для сравнения можно отметить, что эпоксидные клеи
образуют соединения через несколько часов, хотя нагрев и изменение
рецептуры могут уменьшить это время до минут Таким образом, если
необходимо достигнуть желаемой прочности соединения в течение корот-
кого времени, конструктор или технолог могут использовать целый
комплекс мероприятий.
В последнее время во всех траслях, использующих клеи для соз-
дания элементов конструкций, ведутся активные работы по интенси-
фикации процесса получения клеевых соединений Методы интенсифи-
кации процессов склеивания можно разбить на три группы: физико-хи
мическис, химические, механохимические.
Физико-химические методы интенсификации процессов получения
клеевых соединений основаны на физико-химических взаимодействиях
компонентов К этим методам относятся шив ка” исходных молекул
под действием теплоты; различных видов излучений, например ультра-
фиолетового, рентгеновского и гамма; потоков электронов и нейтро-
нов
Наибольшее распространение на практике получил метод сшивки
молекул под действием теплоты При использовании этого метода при-
меняются обдув горячим воздухом, выдержка склеиваемых деталей
под горячим прессом, сушка инфракрасными лампами и т.п. Перечис-
ленные способы обогрева относятся к наружным способам, при этих
способах имеет место теплопередача конвекция и лучеиспускание
Следует отметить, что при низкой теплопроводности склеиваемых
деталей (дерево, резина и т.д.) для передачи теплоты во внутреннем
слое клеевого шва требуется значительно больше времени
Для уменьшения времени нагрева используется высокая частота
и ультразвук.
При высокочастотном нагреве поверхностный слой нс нагревается
Нагрев полимеров происходит в результате преобразования внутри
них электрической энергии в тепловую. При внесении полимера в пере-
менное электрическое поле лицеродины ориентируются в его направ-
32
пении. При смеие знака заряда изменяется направление участков мо-
лекул Изменению этого направления препятствует ориентация сосед-
них звеньев той же молекулы и соседних молекул. При повороте участ-
ков молекул выделяется теплота. Высокочастотный нагрев использу-
ется в основном для склеивания сравнительно небо (ьших детален не-
сложной конфигурации.
Место соединения, находящееся в поле ультразвукового излучения,
нагревается во всех точках одинаково и одновременно, что способст-
вует ускорению начала реакции отверждения. Образование при этом
сетчатой структуры идет равномерно по всему объему полимера. Следст-
вием этого является улучшение практически всех физико-химических
и эксплуатационных свойств клеевою шва
Исследования показали практическую ценность этого способа обо
грева при склеивании различных материалов.
Ультразвуковое нагревание при склеивании используется срав-
нительно недавно. Применение акустической энер!ии позволяет в зна-
чительной степени интенсифицировать процесс отверждения клеев и
улучшить качество соединений
Первые работы по ультразвуковому обогреву при склеивании
показали его перспективность. Известны три метода склеивания с при-
менением ультразвукового обогрева.
По первому методу клей обрабатывается ультразвуком а затем
наносится на субстраты грационными способами.
По второму методу жидкий клей обрабатывается ультразвуком
во время его нанесения на субстрат с помощью специальной установ-
ки Этот метод способствует лучшему растеканию субстракта и дегаза-
ции клеевого слоя.
Третий метод применяется для обработки клеевой прослойки между
склеиваемыми поверхностями Характерной особенностью этого метода
является кратковременное повышение температуры клея до 180 °C
Методы склеивания с обогревом позволяют повысить произво-
дительность труда (благодаря ускорению процесса отверждения), а
также добиться повышения прочности и надежности клеевых конструк-
ций
Основным недостатком этих методов является необходимость
специального оборудования.
1.3. ПРЕПРЕГИ
Качество деталей из ПКМ связано с технологическими процес-
сами получения полуфабрикатов — препрегов и формированием иэ них
изделий. В зависимости от технологических процессов изготовления
деталей и узлов препреги можно приготовлять на основе фенольных,
эпоксифснольных эпоксидных и кремнийорганических смол Основы
обычно имеют вид жидких суспензий. Для улучшения технологических
2. Крысяи
33
и физико-механических свойств препрегов смолы часто применяются
в модифицированном виде — с добавкой других полимеров
Повышение теплостойкости ПКМ может осуществляться путем
применения новых полимеров: бисмалеимидов и малеимидно-эноксид-
ных смесей, фенолов, полиамидов, полихиноксолинов попифенил-
хиноксолинов, полибензимидаэолов
Препреги па фенольной основе обладают высокой технологичностью,
негорючи, а потому нашли широкое применение при изготовлении
изделии для интерьера пассажирских самолетов
Работы с полихииоксолинами полифенияхиноксолииами как
наиболее перспективными в связи с высокими теплостойкостью и окис-
ляемостью носят за рубежом чисто экспериментальный характер, пос-
кольку они очень трудоемки при обработке. Детали из упомянутых
полимеров изготовляются при очень высоких температуре и давлении.
Время их термообработки велико
Гораздо больший интерес представляют полибепзимидазолы, кото-
рые при использовании в качестве основы в ПКМ изготовляются из
олигомерных компонентов и обладают высокой теплостойкостью.
Изделия, изготовленные из ПКМ с основой из полибензимидазола,
способны выдерживать температуру 650 С в течение 1 мин Их исполь-
зуют в конструкциях, подвергающихся кратковременному воздейст-
вию высоких температур
Бисмалеимиды и полиамиды имеют, по сравнению с эпоксидными
полимерами, высокую теплостойкость и большую вязкость. Их при-
меняют в силовых конструкциях В табл I 7 приведены сравнительные
механические характеристики препрегов на эпоксидных, м дифициро-
ванных бисмалеимидных и полиэфиркетоппых основах
Зарубежные фирмы проявляют интерес к таким термопластическим
полимерам как полиамидеимиды , нолифсниленсульфиды пояисуль-
Таблица 1.7
Основа Температура и ус- ловия испытаний Предел прочности при сжатии. МПа Модуль упругости при изгибе МПа
Эпоксидная 22 °C. сухо 1,14 38 4 93 ° С. сухо 0.88 33 4 93 ° С. влажно 0,68 2 9 5
Модифицирован- ная бисмалсимид пая 22'С. сухо 1.48 35,0 93‘С. сухо 1,17 32,6 93 ®С. влажно 1.17 31,1
Полнэфиркстоп- НЭЯ 22‘С. сухо ЮЛ. 14 0 122 2 93‘С сухо 93 еС. влажно - 122,2
34
фоны, полиэфирсульфоны, нолиэфирамиды и жидкокристаллические
полимеры. Они имеют ряд нрсимуще тв по сравнению с эпоксидными
ПКМ более технологичны, могут быть использованы для повторной
обработки имеют большую вязкость, более стоики к воздействию
влаги и имеют практически неограниченный срок хранения в препре-
гах. Основные недостатки термопластических нолиметров, за исключе-
нием жидкокристаллических, — низкие стойкость к растворителям и
теплостойкость.
Силовые конструкции из ПКМ с еловой из эпоксидных смол не из-
готовляются из-за их малой ударной вязкости.
В связи с увеличением ударной вязкости углепластиков фирма
"Боинг” па самолетах Боинг 757 и Боинг 767 планирует повышение
объема применения ПКМ в силовых конструкциях планера.
Ударная вязкость ПКМ зависит от характеристик основы, св» йств
армирующего материала, связи на грашще раздела основы и армирую-
щего материала, микромеханизма разрушения и др., поэтому проблема
улучшения качества является весьма сложной Применительно к угле-
пластикам задача решается, в первую очередь, путем использования
в качестве связующего модифицированных эпоксидных смол и неэпок-
сидных полимеров термопластичных и термореактивпых Наиболее
перспективными с тон точки зрения являются неэпоксидные модифи-
цированные бисмалсимнды и ряд новых термопластических полимеров
Углепластики с модифицированными бисмалеимидными основами
или углеродными волокнами с увеличенными упругими деформациями
имеют не только повышенную ударную вязкость но и повышенную
прочность при температуре 130... 150 С, продолжительную жизнеспособ-
ность в препрегах выделяют мало летучих веществ при полимериза-
ции и стойки к воздействию влаги, растворителей и ударных нагрузок
Эксплуатационные свойства изделий, получаемых из ПК.М, зависят
от качества пропитки основой, т.е. толщины и равномерности слоя
основы, нанесенной на стеклозаготовки, углеродные волокна или ленту;
глубины проникновения се между волокнами; содержания летучих
веществ; степени полимеризации смолы в подсушенных заготовках;
содержания смолы в заготовках и других характеристик, регулируемых
концентрацией растворов, скоростью и температурой пропитки. Поэтому
технология изготовления основы определяет качество ПКМ.
Технопо! ическии процесс пропитки лепты с однонаправленой уклад-
кой волокон состоит из следующих операций:
проверки исправности узлов пропиточной машины с бесступенча-
тым регулированием (рис. 114);
установки необходимого числа шпулей;
натяжения специальным механизмом лент;
протяжки лент и их подсушки в сушильной камере на двух режи-
мах - предварительном и окончательном (табл. 1.8);
заливки основы в пропиточную ванну, поднятую для полною погру-
жения лент;
35
Лобача йоуЗуха
Рис. 1 14. Схема пропиточной машины с бесступенчатым регулированием
1 - шиулярннк; 2 - устройство натяжное; 3 - ванна пропиточная; 4 устрой-
ство отжимное; 5 - пента углеродная; 6 - камера сушильная; 7 - механизм
протяжки; 8 ролик прижимной; 9 - механизм намотки; 10 - подложка
фторопластовая I II - зоны прогрева
установки приемных катушек механизм* намотки с фторопласто-
выми подложками 10 и закрепление их,
включения нагревательных устройств сушильных камер и получе-
ния заданного режима;
установки скорости протяжки ленты 5 в соответствии с данными
табл. 1.8;
протяжки ленты через пропиточную ванну и закрепления ее не
приемных катушках механизма намотки.
Технологический процесс пропитки лент из борных волокон состоит
из следующих технологических операций:
проверки узлов и механизмов пропиточной машины;
Таблица 1.8
Основа Температура сушки t5’C Скорость про- тягниании ленты, м/мин
Предварительный режим Окончательный режим
Эпоксидная 190 190 бтО.5
Фенольная 70 50 5 s 0.5
36
установки необходимого числа шпулей на шпулярпике;
установки необходимого натяжения борных волокон;
протяжки через направляющие ролики волокон и присоенипсиия
их с помощью циакрилатного клея к тканой стеклолеше, протянутой
через сушильную камеру;
получения необходимой температуры в сушильной камере;
заливки основы в ванночку выше уровня пропитываемого ролика;
установки необходимых зазоров в отжимном устройстве;
установки и закрепления приемной катушки и катушки с фто-
ропластовой или полиэтиленовой пленкой на ось приемною устрой-
ства;
установки необходимого температурного режима сушки;
включения механизма протяжки и установки необходимой ско-
рости протяжки;
закрепления конца пропитанной лепты, вышедшей из суншлыюи
камеры па приемной катушке;
включения механизма протяжки.
Качество пропитки зависит от состояния волокон, температуры
сушки, уровня основы в ванне, равномерности натяга волокон ленты
по ширине, зазора в отжимном устройстве, скорости 11ротя1ивання.
длины ленты, измеряемой счетчиком
Важным фактором, определяющим качество ленты ПКМ, является
содержание в пей смолы. Смола наносится па ленту путем экструзии,
с помощью обогреваемого ролика и путем опускания ленты в раствор
При экструзии смолы волокна, собранные в прядь, пропускаю гея
через калиброванное отверстие формы,в которую заливается смола и
в которой разогревается для понижения вязкости При этом способе
содержание смолы в лепте точно контролируется, однако трудно до-
биться равномерною распределения смолы но длине ленты (при оста-
новках оно резко повышается па отдельных участках)
Нанесение смолы с помощью обогреваемого ролика позволяет
производить перезаправку оборванных волокон без остановки пропи-
точной машины, однако достигнуть равномерною распределения смолы
по длине и сечению ленты при этом методе также не удается.
Рис. 1.15 Схемы вакуумирования при пропитке высокопрочных волокон
а пропитка и намотка в вакууме; б пропитка в вакууме; в вакуумирование
поите пропитки; I. 4 шпули с nporinraiinoh ровницей; 2 ванна с основой;
3 камера вакуумная
37
Опускание леиты в раствор устраняет указанный недостаток, но
сильно затрудняет операцию по перезаправке волокон. Для улучшения
смачивания поверхности, уменьшения пористости волокна перед основ-
ной пропиткой пропитываются сильно разбавленными растворами с
2-процентным содержанием (по массе) смоль
Улучшить качество волокна (стеклянного п углеродного) можно
путем вакуумирования при пропитке (рис. 1.15).
Из графиков, приведенных па рис. 1.16, видно, что при глубоком
вакууме наибольший эффект достигается при пропитке волокна но
Рис. 1.16. Графики изменении отно-
сительной массы гп летучих веществ
при изменении давления р:
--- см. схему на рис. 1.15. а; - - -
см. схему на рис. 1.15. б; —•- •
см. схему на рис. 1.15. в
схеме, приведенной па рис. 1.15, а Прессование углепластиков и изде-
лий из них производится в обогреваемых пресс-формах, закрытых или
полузакрытых на гидравлических прессах, в которых обеспечивается
температура 250 °C при давлении прессования 2,0—2,5 МПа.
Пренрег раскраивается на заготовки требуемых размеров, которые
укладываются в пакет, число заготовок определяется толщиной изде-
лия, направлением укладки в нем волокна и устанавливается с по-
мощью расчетов.
Перед прессованием па рабочие поверхности пресс-формы не менее
двух раз наносится нротивоащ езиопное покрытие. Покрытие выдержи-
вается при температуре 200 °C в течение 2 ч. В зависимости от конст-
рукции пресс-формы и сложности прессуемой детали противоадгезион-
пое покрытие должно возобновляться через 3.5 прессовок. Собранный
пакет загружается в холодную пресс -форму и прессуется по следующему
режиму:
смыкание плит пресса;
нагрев пресс-формы до 100 °C со скоростью 2 °/мин;
выдержка при 100 С в течение 0,5...1.0 ч (в зависимости от толщины
пакета);
увеличение температуры до 120 °C и выдержка в течение 10 мин;
выдержка под давлением 2,0...2.5 МПа;
38
увеличение температуры до 160 °C и выдержка в течение 2 ч;
увеличение температуры до 200 ' С и выдержка в течение 6 ч;
охлаждение на воздухе до температуры 40 С при давлении 0.5 МПа.
Для повышения прочности углепластиков, работающих длительно
при повышенной температуре рекомендуется выдерживать их при тем-
пературе 200 ‘ С в течение 24 ч. Углепластики не должны содержать
видимых дефектов (раковин, трещин, расслоений и др )
При изготовлении многослойных панелей с сотовым заполнителем
для интерьера в качестве обшивок применяется препрег, который в
момент формирования панелей представляет собой предварительно
пропитанные слои стеклоткани, обладающие достаточной липкостью
Процесс получения препрега состоит из пропитки стеклоткани и час-
тичной ее просушки Препрег на эпоксидной основе может сохранять
свои технологические свойства при температуре 25 ‘ С в течение 10 сут
и при температуре 5...8 °C в течение 30 сут. Стеклоткань пропитыва-
ется основой на пропиточной машине. На этой машине устанавливается
взрывобезопасный вариант электрооборудования, а подсушка осущест-
вляется горячим воздухом.
Препрег па эпоксидной основе должен удовлетворять следующим
требованиям
масса основы 46...55 %;
масса летучих веществ не более 6%;
масса растворимой смолы не менее 80 %.
На качество пропитки влияют следующие технологические факторы
концентрация основы,
скорость пропитки;
температура основы.
Для того чтобы сократить число факторов, влияющих на качество
пропитки, можно поддерживать в течение всего процесса пропитки:
уровень основы в пропиточной ванее на 20 30 мм выше уровня
препрега;
температуру основы 20.. 24 ° С,
температуру в канале подсушки стеклоткани 180 ..200 С;
температуру воздуха в камере сушки препрега 75 95 с С
1.4. МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАККУМНЫХ МЕШКОВ
В зависимости от особенностей и назначения технологические ма-
териалы можно разделить па следующие группы:
1 Различные пористые материалы Материалы этой группы служат
для создания равномерного давления при вакуумировании мешка,
а также для обеспечения благоприятных условии работы пленок ва-
куумных мешков. Пористые ленты и маты обработанные противо
адгезионными составами могут выполнять роль адсорбционных
39
слоев, предупреждающих растекание и образование натеков клея на
поверхности клеевых швов.
2. Герметизирующие материалы, из которых изготовляются жгуты,
ленты с двусторонним нанесением липкого слоя для создания кон-
такта между пленкой вакуумного мешка и основанием приспособле-
ния для получения равномерного давления в эонах радиусных пере-
ходов.
3. Пленки для создания вакуумных мешков.
4. Разделительные пленки и смазочный материал, обладающие проти-
воадгезиониыми свойствами Материалы этой группы применяются
для разделения отдельных элементов, деталей сборочного узла, а также
для обеспечения легкого демонтажа деталей и узлов после полимери-
зации основы.
5. Противоадгезионные .материалы, используемые для фиксации
сборочных элементов узла в ipouecce сборки, а также для оформле-
ния поверхности в процессе полимеризации сборочного узла.
Изготовление вакуумного мешка (рис. 1.17) и обеспечение его
герметичности позволяют получить склеиваемые узлы высокого ка-
чества. Пленки вакуумных мешков повреждаются переходными кром-
ками и открытыми переплетениями тканых материалов, подобных
стеклотканям и мешочной ткани, применяемым для выполнения плав-
ных переходов.
Для из1 отопления вакуумных мешков используется ткань, про-
питанная смолами для температур 20... 180 °C, а также полиамидная
пленка выполненная па основе синтетических материалов для рабочих
температур 20...200 °C.
Эксплуатация показала что указанные материалы имеют ряд прин-
ципиальных недостатков
не стабильно из-за пористости в процессе полимеризации узла,
детали поддерживают вакуум;
одноразовое использование при относительно высокой стоимости;
при длительном процессе полимеризации в автоклаве они охрупчи-
ваются, что вызывает образование трещин;
Рис. 1.17. Схема вакуумирования узла.
1 - штуцер для подключения к вакуумной системе; 2 - мешок вакуумный; 3
материал пористый; 4 - улой дренажный; 5 - прокладка барьерная в иидс По-
ристой пленки 6 - материал адсорбционный; 7 элемент фиксирующий; 8
жгут герметизирующий; 9 плита, 10 утсл сборочный
40
нс обеспечивают герметичности при увеличении ширины мешка;
ис обеспечивают герметичности при перегибах
Эти материалы используются при изготовлении обтекателей, залн
зов, люков, которые ие входят в силовую схему самолета. Но их нельзя
использовать при изготовлении изделий из дорогих материалов напри-
мер углепластиков и боропластиков, входящих в силовую схему само-
лета
Для повышения качества изделий вакуумный метод изготовления
агрегатов заменен на автоклавный метод с высокими давлениями темпе
ратурамн полимеризации и продолжительным циклом производственно-
го процесса. Перечисленные материалы не обеспечивают стабильности
технологического процесса автоклавного формования.
Поэтому были разработаны термостойкие пленки, уплотнительные
жгуты, противоадгезнонные пленки, смазочные материалы для созда-
ния равномерного давления при автоклавном склеивании.
Пленки поставляются в виде рукавов. В развернутом виде ширина
рукава достигает 1500 мм, толщина — 80 мкм. При необходимости
ширина пленки может быть увеличена до любого размера путем свари
вания отдельных развернутых рукавов тсрмонмпульсным методом
Зарубежными фирмами применяются для автоклавного изготов-
ления деталей и узлов пленки фирмы ’’Ричмонд” или фирмы "Аиртск”.
Эти пленки легко формуются, принимают необходимую форму, ста-
бильно поддерживают герметичность вакуумного мешка в течение
всего цикла автоклавного изготовления, диапазон их рабочих темпе-
ратур 300., 400 °C
Принципиальным недостатком пленки HS-6262 фирмы "Ричмонд”
является способность накапливать статическое электричество, что приво-
дит при некоторых сочетаниях режима автоклавного изготовления
деталей к возникновению разрядов и даже к пожару в процессе поли-
меризации.
Пленки, выпускаемые фирмой "Аиртск”. не имеют этих недостат-
ков, так как в них вводятся антистатические добавки, анх поверхность
обрабатывается коронным разрядом.
Фирма ’’Аиртск" поставляет в качестве технологических материа-
лов для изготовления вакуумных мешков следующие пленки:
шлейку WRIGHTLOI1-7400 изготовленную из наклона 6-6, полу-
чаемую экструзией с раздувом, толщиной 50...125 мкм, шириной до
4000 мм, зеленого цвета Рабочая температура пленки до 204 С предел
прочности при растяжении примерно 49 МПа, рабочее давление 0.35...
0,7 МПа и изменяется в зависимости от толщины;
пленку 1PPLON-900, изготовленную из полиамнда-6 для автоклавно-
го технологического процесса, протекающего при повышенных давле
ниях. Ширина пленки до 4000 мм толщина 5O...7O мкм, рабочее давле-
ние свыше 1,1 МПа, рабочая температура свыше 200 С;
пленку IPPLONWN-1500, изготовленную из полиамидв-6.6. голу-
41
бого цвета, максимальная рабочая температура 230 сС, рабочее давле-
ние 0,7 МПа
В тнбл. 1.9 приведены усадки пленок при различных температу-
рах, которые необходимо учитывать при раскрое материала для ва-
куумного мешка
Пленки для вакуумных мешков подвергаются испытаниям:
на растяжение на образцах с рабочей площадью 50X10 мм на маят
никовой разрывной машине. Образцы для испытаний вырезаются из
различных участков рулона. Пленки, имеющие перфорацию,на растя-
жение нс испытываются'
на горючесть на вертикальных образцах. Образцы должны находиться
в пламени не более 12 с;
на элсктризусмость. Заряд на пленку наносится трением скольже
пия Наименьшая плотность заряда (2 7-10 8 Кл/м3) возникает на
пленке 1PPLONWN-1500, наибольшая (25,1 10 8 Кл/м3) — па пленке
1PPLON-900
С поверхности пленки 1PPLON-900 заряды стекают практически
с одинаковой скоростью (время стекания Та = 20 .40 с); пленка
1PPLONWN-1500 дольше удерживает заряд (Т„ = 4 мин). Пленка
Таблица 19
Типы IL’ICH НИ Усадка при 170°С н течение 6 ч. % Усадка при 250 ° ( и течение 5 ч.%
WRIGHT1.011-7400 1.0 0.9
1PPLON-900 1.9 2.1
IPPLONWN-1500 0.2 0,25
IPPLONWN 1500 по механичес-
ким свойствам в состоянии
поставки и после тсрмоста
тироваиия при Г = 200 °C
в течение 5 ч находится на
уровне пленки HS-6262 фирмы
’’Ричмонд". Она превосходит
остальные пленки фирмы
"Аиртск”, данные которых
приведены в табл. 1.9, по
термостабильности. После ста-
рения при 230 сС в течение
4 ч пленка 1PPLOWN-1500 со-
храняет 80 % прозрачности
и 50 ..60 % эластичности. По этим показателям она находится на уровне
пленки HS6262 Указанные пленки плохо воспламеняются
Газовая проницаемость пленок - один из наиболее важных пока-
зателей, так как он обусловливает постоянство давления при формо-
вании и в конечном счете качество изделия. Газовая проницаемость
пленок дчя вакуумных мешков может определяться двумя метода-
ми
1 Но наличию пузырьков в жидкости при максимальных рабочих
температурах и давлениях пленок (рис 1.18).
2 С помощью хромографа при комнатной температуре Результаты
испытаний пленок на проницаемость гелием при комнатной температу-
ре представлены в табл. 1.10.
42
Рис. 1.18. Схема испытаний пленок, используемых для изготовления вакуумных
мешков, на газовую проницаемость:
1 — баллом со сжатым воздухом; 2 вентиль; 3 клапан аварийного сброса дав-
ления; 4 — манометр; $ - емкость; 6 — прокладка герметизирующая; 7 ем-
кость с водой; 8 - емкость мерная; 9 ткань испытываемая вакуумного мешка
Таблица 110
Тип пленки Толщина образца, мм Проннцас* мость пленки гелием мэ/сут Tllll IU1CHKH Гол типа образца, мм Проницае- мость пленки гелием, м’/сут
WRIG11TLON-7400 57.4 0.598 58.6 0 680
68.6 0.516 —
1PPLONWN-1500 55.2 0.398
70.4 0.495 58.2 0.396
1PPI.ON-900 53.0 0.792 64.4 0.296
57.2 0.738
Результаты испытания пленок показывают, что их газовая прони-
цаемость чрезвычайно мала.
Ткань, пропитанная смолами, имеет газовую проницаемость, на по-
рядок большую, чем пленки, поэтому при ее использовании при ваку-
умировании вакуумного мешка необходим насос с большой подачей.
Отечественная полиамидная пленка, а также пленки фирм "Ричмонд"
н "Анртек” обеспечивают:
стабильность параметров вакуумного мешка при формировании
угле- и стеклопластиков;
надежную герметичность мешка при автоклавном формовании;
целостность вакуумного мешка;
достаточно высокую технолш ичность при демонтаже вакуумного
мешка после автоклавного формования;
43
высокую техноло! ичность при изютовлении вакуумного мешка.
При изготовлении вакуумного мешка требуется обеспечить рав-
мерное распределение давления при вакуумировании Пленки имеют
относительно малую толщину и высокую эластичность, поэтому они мо-
гут затягиваться при вакуумировании в поры грубой ткани (рис. 1 19)
Рис. 1 19. Схема вакуумирования вакуумного мешка*
а - с грубой дренажной тканью; б- с пористым материалом, 1 ниенка; 2 стек
лоткзнь; 3 - изделие; 4 - материал пористый
- давление в автоклаве и вакуум
В местах затягивания образуются резкие изгибы, что приводит к обра-
зованию пор и трешин.
Для предупреждения этого явления и обеспечения стабильности
параметров вакуумного мешка необходимо применять пористые ма-
териалы, не имеющие значительных неровностей. Фирма "Анртек”
рекомендует для равномерного распределения давлений код вакуум-
ным мешком применять пористые дегазационно-поглотительные ма-
териалы в виде матов, равномерно укладываемых на рабочую поверх-
ность формованных узлов и агршатов, а также пленки AIRWEAVANFR
и A1RWEAVENIOFR
Применение матов и пленки обеспечивает не только максимальный
отток воздуха из застойных зон, но также отсос и сбор излишков ос-
новы.
Благодаря волокнистой поверхности пленки AIRWEAVANFR и
AIRWEAVENIOFR адсорбируют основу, уменьшают загрязненность
поверхности детали и оснастки и предупреждают образование натеков
основы и клея. На участках с большим содержанием основы уклады-
ваются несколько слоев пленки. Эти материалы имеют высокую ста-
бильность размеров при t = 120... 170 ° С и хорошие адсорбционные
свойства при давлении до 0,31 МПа (рис. 1 20) . Пленки AIRWEAVANFR
и A1RWEAVENIORF выпускаются шириной 1520.. 3050 мм, толщиной
9,0. .10,0 мкм Масса I м2 этих пленок 130 г.
44
Рис, 1.20. Схема расположения адсорбционного материала при формовании клее-
вого шва:
1 - элемент склеиваемый; 2 - клей; 3 материал адсорбирующий; 4 - шов
отформованный клеевой; 5 мешок вакуумный
Для автоклавов, не имеющих инертную среду, при г = 202 °C и дав-
лении до 0,7 МПа рекомендуется пленка A1RWEAVENIOFR Она легко
растягивается по контуру формуемой детали, заполняя свободные зоны.
К недостаткам этой пленки можно отнести отсутствие противоадгезион-
ных свойств а поэтому она применяется совместно с разделительной
противоадгезнонной пленкой. В качестве примера применения этих
пленок может быть приведена схема вывода термопары через сборный
пакет автоклавного формования (рис. 1.21). В этом случае пористый
адсорбирующий материал укладывается в несколько слоев в месте
установки герметизирующего жгута.
Для герметизации стыков пленок вакуумного мешка при авто-
клавном склеивании применяются герметизирующие ж!уты и ленты
с двусторонней липкой основой В отечественной технологии для гер-
метизации вакуумных мешков при их изготовлении применяется жгут,
устойчиво работающий при t = 120 170 °C в течение 80-часового цикла.
Этот жгут выпускается с двусторонней защитной изоляционной бума-
гой шириной 12.15 мм. толщиной 2...3 мм в виде рулонов-бабин темно-
серого цвета. Части жгута хорошо стыкуются между собой и хорошо
склеиваются с тканью ТК500, пленкой ППН-Г и пленками фирмы ”Рич-
монд” и ’’Аиртск”. В процессе автоклавного формования жгут устой-
чиво поддерживает вакуум и нс теряет своей формы под действием
45
температуры и давления. Зарубежными фирмами для поддержания
вакуума используется герметизирующая лсита-жгут GS-213-3 фирмы
’’Аиртек”, которая выдерживает температуру 176 °C в течение 12 ч
Рис. 1.21. Схема вывода тер-
мопары через сборный пакет
автоклавного формования-
1 - термопара; 2 - Ж1ут гер-
метизирующий; 3 — плита;
4 материал пористый ад-
сорбирующий; 5 мешок
вакуумный
Рис. 1.22. Схема вариантов понклеиваяия вакуумного мешка с помощью герме-
тизирующего жгута
а - герметизация однобарьерная; б - герметизация двухбарьерная; I - мешок
вакуумный; 2 - материал пористый; 3 - ткань разделительная; 4 изделие
формуемое; 5.7 - плиты; 6 жгут герметизирующий
Рис 1.23. Схема расположения дополнительного формующего матернала-
1 - профиль формуемый; 2 - материал внутренний дополнительный формуемый;
3 - материал наружный формуемый; 4 - зона,подлежащая обжатию; 5 - компо-
зиция вспенивающаяся
46
и хорошо соединяется с оснасткой. По окончании формования лента-
жгут легко удаляется с поверхности оснастки (металлической или
неметаллической) как в горячем, так и в холодном состоянии вместе
с пленкой вакуумного мешка. При этом следов иа соприкасаемых
поверхностях не остается. Интервал рабочих температур этой ленты-жгу-
та 106...202 °C.
Схема приклеивания вакуумного мешка посредством герметизи-
рующего жгута показана на рис. 1.22.
В схеме, приведенной на рис. 1 22, а, постоянство давления обеспе-
чивается качеством прикатки пленки к герметизирующему жгуту. В
схеме, приведенной на рис. 1.22, б, герметизирующий жгут проклады-
вается но периметру формы с наружной и внутренней стороны В этом
случае длина Н шва вакуумного мешка определяется формулой Н —
= Л, + h2 + Л3 = 75.. 100 мм где hlt hi, h3 — длина пленки вакуум-
ного мешка на приклейку сверху, на приклейку снизу и припуск на
перекрытие толщины плиты
Схема, приведенная на рис. 1.22, а, применяется, когда склеива-
ние производится на рабочей плите, те при формовании плоских де-
талей. Схема, приведенная на рис. 1.22, б, применяется при автоклав-
ном склеивании деталей и узлов на форме, имеющей сложную двойную
кривизну.
В качестве формующего материала, создающего равномерное давле-
ние в узлах и агрегатах в зонах переходов, применяется неотверждаю
щийся синтетический каучук, близкий по теплостойкости к селиконо-
вому каучуку, но менее износоустойчивый. Особенностью синтетичес-
кого каучука AIRPAD фирмы ’ Аиртек” является то, что он, если арми-
рован стекло-, угле-, органоволокнами, нс подвержен действию эпок-
сидных смол, выдерживает до 200 циклов автоклавного формования
при температурах до 176 °C без растрескивания и разрывов Технологи-
ческой особенностью является то что он нс обладает противоадгезион
ними свойствами. Для придания ему противоадгезиоиных свойств
используются противоадгезиоииые материалы
При формовании Z-образного профиля с помощью синтетического
каучука AIRPAD (рис. 1.23) использование дополнительного формируе-
мого материала обеспечивает выравнивание давления в вакуумном
мешке при автоклавном процессе. Этот материал исключает появление
изгибающего момента, наличие которого может привести к искажению
сечения Z-образного профиля.
Роль уплотнителя в углах Z-образиого профиля выполняет вспени-
вающаяся при температуре автоклавного формования композиция.
В отечественной промышленности применяются различные пленки,
в частности полипропиленовая пленка, представляющая собой сополи-
мер тетрафторозтилеиа и гексафторпропилена, имеющая толщину 50 мкм
и ширину до 500 мм. При необходимости ширина пленки может быть
увеличена сваркой термонмпульсным методом.
В производстве для изготовления дренажных систем используются
47
стеклоткани, пропитанные смазочным материалом. В качестве раздели-
тельной ткани можно применять специально обработанную ткань на лов-
сановой основе. В зарубежной технологии применяются разделительные
пленки серии A-4000-R, A-4000-R3 толщиной 25 и 60 мкм фирмы ”Аир-
тек”. Пленка A-4000-R окрашена в красный цвет для облегчения ее
оиаружения на поверхности после окончания процесса автоклавного
формования. Пленка A-4000-R3 имеет отверстия диаметром 1,14 мм
с расстояниями между центрами около 15 мм, облегчающие выравни-
вание давления под вакуумным мешком, а также прохождение избытка
смол и газов. Максимальная рабочая температура этих пленок до 280 °C.
Механические свойства указанных пленок находятся на уровне
свойств отечественных пленок:
в продольном направлении ов = 30 МПа при удлинении прибли-
зительно 270%;
в поперечном направлении ов = 17,5 МПа при удлинении прибли-
зительно 335 %;
усадка в продольном направлении при t = 175 °C за 10 мин от-
сутствует, при t = 200 °C за 10 мни усадка равна 4 %;
усадка в поперечном направлении при t = 175 °C за 10 мни отсутст-
вует, при t = 200 v за 10 мин усадка равна 4 %.
Разделительные пленки серии A-4000-R при формовании угле- и
стеклопластиков технологичны, хорошо отстают от отформованного
узла или детали, нс растрескиваются.
Среди разделительных пленок, выпускаемых фирмой ’’Анртск”,
можно выделить пленку RELEASEPLVC, изготовленную на основе
синтетических материалов. Эта пленка обработана коронным разрядом,
который тепловым воздействием очищает поверхность, что обеспечи-
вает полное отделение пленки от отвержденного ПКМ. Таким образом,
разделительные свойства пленки обеспечиваются без применения проти-
воадгезионных смазочных материалов и не влияют на качество поверх-
ности ПКМ при последующем склеивании или окраске. Кроме того,
применение этой пленки обеспечивает при склеивании полученных
из ПКМ заготовок большую сдвиговую прочность по сравнению со
сдвиговыми прочностями поверхностей, обработанных пескоструй-
ной обдувкой, толщина пленки 100 мкм при ширине 1100...1500 мм,
рабочая температура приблизительно 176 °C, максимальное давление
при автоклавном формовании 0,73 МПа.
Разделительные пленки могут не только выполнять роль противо-
адгезионной прослойки, но и создавать глубокие впадины на поверх-
ности.
Кроме разделительных пленок, в качестве нротивоадгезионных
материалов применяются разделительные смазочные материалы, кото-
рые наносятся на металлическую и пластиковую оснастку при формо-
вании ПКМ с эпоксидными, фенольными, полиамидными и полиэфир-
ными основами, с термопластами и эластомерами. Разделительные
смазочные материалы не должны оставлять следов на отформованном
материале после термостатироваиия. Эти смазочные материалы не долж-
48
ны содержать селикоиовых масел, карбонатов и фторуглеродов н долж-
ны быть устойчивы к возгоранию до Г = 260 °C При формовании дета-
лей на формах следует применять смазочные материалы многоразового
использования.
Противоадгезионные смазочные материалы на поверхность формы
можно наносить кистью или распылителем Как в первом, так и во
втором случаях покрытия необходимо наносить не менее трех раз в каж-
дом из двух взаимоперпендикулярных направлении. Перед нанесением
смазочного материала па вновь изготовленную оснастку ее поверхность
подогревается. Первый и промежуточные слои смазочного материала
просушиваются иа воздухе 10... 15 мин. После нанесения последнего
слоя покрытия форма просушивается при г = 120 .150 Св течение
45 мин и соприкасающиеся поверхности полируются до блеска
Противоадгезионные смазочные материалы не проникают в поверх-
ностный слой формованных окрашенных деталей без дополнительных
обработок.
Разделительный смазочный материал фирмы ’’Аиртек” RELEASE-
ALL50 огнеопасен и токсичен. Наслоения или отверждения RELEASE-
ALL50 с пластиковой оснастки могут быть удалены с помощью салфе-
ток, смоченных в метилхлориде, а также пескоструйной обдувкой.
Опробование разделительного смазочного материала RELEASE-
ALLN30, неоднократно нанесенного иа металлические плиты из кор-
розионно-стойкой стали, при прессовании стеклопластиков с кремний-
органическими основами иа многослойной кремнеземной ткани при
температуре 70 С в течение 1,5 ч и при температуре 180 °C в течение
3 ч показало их хорошие адгезионные качества. Опрессовка углеплас-
тика на основе углеродной ленты при давлении 0,7 МПа и температу-
ре 170 ' С в течение 6 ч, а также углепластика и стеклопластиков на
кремнинорганичсской основе при температуре 18O...25O °C показали,
что смазочный материал RELAASEALLN30 обладает высокими техно-
логическими свойствами.
Фирма ’’Аиртек” выпускает липкую противоадгезиоииую высоко-
температурную высокопрочную полиэфирную пленку FLASBRAKEP-1
с полностью отвержденным клеевым селиконовым слоем, не остав-
ляющим загрязнений на формуемых поверхностях деталей Эта пленка
рекомендуется для покрытий металлических поверхностей, подвергну-
тых фосфорнокислому анодированию перед склеиванием. Ее толщина
50 мкм, ширина 25 мм рабочая температура — 50. + 200 °C.
Проверка липких пленок на алюминиевом сплаве показала, что
после их удаления с поверхности адгезия этих поверхностей при склеи-
вании не уменьшается.
Одной нз основных особенностей липких пленок па тефлоновой
основе является их способность принимать любую форму благодаря
способности удлиняться более чем на 300 %. Это позволяет им прида-
вать при нагреве нужную форму, даже в труднодоступных местах Такн-
49
ми качествами обладает липкая пленка TOOL-TECSS фирмы ’’Аиртск".
Максимальная рабочая температура этой пленки 285 °C, толщина
0,127 мм.
Для защиты поверхности от подтеков клея при вакуумном склеи-
вании японские фирмы рекомендуют ленту, которая получается нане-
сением слоя клея на пленку из полнолефоиовой смолы, образуемой
из смеси полипропиленовой смолы, сополимера этилена и винилаце-
тата. Разработана клейкая лента с двумя слоями клея на основе акри-
лового сополимера Верхний слон этой ленты имеет более низкую темпе
ратуру стеклования, чем нижний В США разработаны липкие ленты
с противоадгезноиными покрытиями.
Для нанесения на иелипкую поверхность липких лент противоадге-
зиоииых покрытии используются водные композиции, содержащие
корбоксилироваинын акриловый полимер Созданы специальные устрой-
ства для нанесения липких лент
Цулагн изготовляются из сплавов алюминия, из неметаллических
материалов, а также из невулканизируюшихся каучуков с применением
металлических форм.
Эластичные цулаги изготовляются с соблюдением эквидистант-
ного контура на толщину формуемых деталей. Они тщательно устанав-
ливаются по фиксаторам относительно формуемых деталей (рис. 1 24)
Типовые формы деталей, изготавливаемых с помощью цулаг, при-
ведены на рис. 1.25. Особое внимание при использовании цулаг уделя-
ется образованию угловых переходов деталей из ПКМ Для образова
ния угловых переходов используются две цулаги (рис. 1.26), которые
усиливаются вспенивающейся композицией (обычно пенопластом).
В процессе автоклавного формования, вспениваясь, пенопласт создаст
дополнительное давление что способствует образованию угловых пере
Рис 1.24. Схема формования с помощью эластичных цулаг:
I - подушка воздушная; 2 - препрс! усиливающий; 3 - композиция вспениваю-
щаяся; 4 - ПКМ, 5 - вкладыш; 6 - штуцер; 7 - вкладыш жесткий; 8 - плита;
9 - цулага
50
Рис. 1.25. Типовые формы деталей, изготовляемых с помощью цулаг
Рис. 1.26. Схема формования с помощью жестких цулаг:
1 г- мешок вакуумный; 2 - ткань дренажная; 3 - профиль прессуемый; 4 -
цулага упорная жесткая; 5 - композиция вспенивающаяся; Ь цулага формую-
щая; 7 - жгут герметизирующий; 8 - фиксатор цулаги; 9 - плита; 10 препрег
ходов, например у Z-образного профиля. В качестве подкрепляющего
элемента верхней полки Z-образпого профиля используются препреги
с прокладкой между ними дренажной ткани. Это позволяет обеспечить
постоянную высоту Л цулаги при температуре автоклавного формо-
вания.
Жесткие цулаги изготавливаются из материалов, легко принимаю-
щих контуры формуемых деталей. Для увеличения жесткости внут-
ренних элементов оснастки используются дополнительные пустотелые
оправки, в которые подается воздух нод давлением (рис. 1.27). Цула-
га 4 (см. рис. 1.26) изготавливается из препрега, принимающего форму
изготавливаемой детали. В углах и резких переходах в препрег вво-
дится вспенивающая композиция 5 на эпоксидной основе.
При жестких и эластичных цулагах используются вакуумные мешки,
кроме того, необходима фиксация цулаг.
Рис. 1.27. Оправка
51
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
2.1 ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ,
ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ
Технологические процессы склеивания формования и намотки
имеют много общих типовых технологических операции Исходя из
зтого в промышленности процессы изготовления деталей и сборочных
узлов выполняемых с помощью склеивания формования и намотки,
закрепляются за специализированным цехом или цехами (в зависимости
от объема неметаллического производства). В этом случае легче обеспе-
чить технологическую подготовку производства.
К типовым технологическим операциям можно отнести:
подготовку поверхностей деталей под склеивание и формование;
сборку пакетов под термостатирование, т.е изготовление вакуумных
мешков и их герметизацию,
термостатирование сборочного узла в электропечах или автоклавах;
прессование изделий;
обработку изделий по контуру и подготовку их к выполнению
контрольных операций;
контрольные операции;
изготовление бразцов для механических испытаний;
изготовление технологической оснастки;
подготовку поверхностей изготовленных деталей под герметиза-
цию и окраску;
окраску деталей
Увеличение объема изготовления клеевых металлических и неме-
таллических деталей и их габаритных размеров привело к созданию
новых технологических процессов с использованием специального
оборудования.
Выполнение клеевых соединений связано с необходимостью точной
подгонки сборочных элементов, подготовки поверхностей, обеспечи-
вающих высокие адгезионные прочностные показатели изделий. При
изготовлении клеевых конструкций часто используются типовые техно-
логические операции разработанные для клепаио-сборочиых конст-
рукций.
Сотовый заполнитель изготавливается методом растяжения пакетов
из заранее склеенных заготовок, на склеиваемые поверхности которых
клей нанесен методом истечения. Толщина клеевой полосы при методе
истечения колеблется в пределах 0,13.. 0 18 мм. Из-за неравномерности
толщины клеевых полос клей растекается неравномерно. Неравномер-
ность толщины и ширины клеевой полосы приводит к нарушению
процесса формообразования сотовой ячейки особенно малого размера.
52
и к значительному разбросу показателей прочности при испытаниях на
неравномерный отрыв полос сотового пакета.
Анализ взаимосвязи толщины клеевой полосы в элементах сотового
заполнителя с прочностью при неравномерном отрыве показывает,
что методом истечения получить более высокие показатели прочности
Рис. 2.1. Зависимость относительной
силы неравномерного отрыва от
относительной толщины клеевой
полосы (с) н схемы отрыва (б) -
х - результаты, полученные рас-
четом; • результаты испытаний
образцов, изготовленных методом
последовательного наращивания
(блочным методом); о - резуль-
таты испытаний образцов, изготов
пенных методом истечения; о - ре
зультаты испытания образцов из-
готовиенных фирмой "Хсксель";
б - результаты испытаний образ-
цов. изготовленных фирмой "’Аэро-
веб"
путем уменьшения толщины клеевых полос не представляется возмож-
ным (рис. 2.1) Толщина клеевых полос 6 равна сумме удлинений со
стороны верхней Дб^ц и нижней обшивок-
6=Д5КП| + Д^клт-
Лия повышения прочности при неравномерном отрыве полос пакетов
сотового заполнителя клей наносится методом глубокой печати. Суть
этого метода состоит в том, что клен наносится не сплошным слоем,
а растровыми микроячейками. Клеевая полоса при этом представляет
собой площадь, покрытую отдельными клеевыми точками. Площадь,
покрытая клеем, составляет 47...50 % площади клеевой полосы.
Точки на полосе могут образовывать линии, сетку и смещенные
квадратики (рис. 2.2)
Рис. 2.2. Рисуики, образуемые точками на клеевой полосе
53
d. МПа
О г 4 6 66/8кл ,нкн
а
Рис 2 3 Зависимость предела прочности при нерав-
номерном отрыве от относительной толщины клее-
вой полосы (с) и схема отрыва (б) *
1 - фольга- 2 - клей
Зависимость предела прочности о при неравномерном отрыве от
относительной толщины клеевой полосы приведена па рис 23.
Технологический процесс изготовления пакета сотового заполни-
теля по методу мубокой печати состоит из ряда последовательно вы-
полняемых технологических операции.
Схема нанесения клея на фольгу показана на рис 2.4. Сложность
этого метода состоит в технологии изготовления печатной формы. В
начале изготовляется рисунок. На подготовленную поверхность цилин-
дра наносится светочувствите >ьный слой, освещается, проявляется,
травится и полируется После этого па поверхность цилиндра наносится
.медная рубашка и слой хрома.
В отечественной промышленности создана автоматизированная ли-
ния изготовления пакетов методом глубокой печати.
Замена метода истечения методом глубокой печати позволяет
увеличить производительность сборки пакетов в 5 .8 раз;
сократить расходы клея на 25 %;
использовать фольгу шириной 460 мм вместо 1000 мм;
сократить производственные площади для размещения оборудо-
вания на 200 %;
сократить отходы фольги на 30 %.
Рис 2.4. Схема нанесения клея на фольгу методом
глубокой печати
1 цилиндр печатный 2 - фольга 3 форма пе-
чатная; 4 сосуд с клеем
54
Кроме того, этот метод позволяет изготовлять многослойные круп
негабаритные агрегаты с сотовым заполнителем из алюминиевых сила
вов с малым числом стыков сотового заполнителя.
Изготовление пакетов сотового заполнителя из неметаллических
материалов — полиамидной бумаги производится по технологическому
процессу, схема которого приведена на рис. 2.5. Склеивание пакета
Рис. 2.5. Схема технологического процесса изготовления пакетон сотового запол-
нителя из полиамидной смолы
производится с применением сверхвысокочастотных нагревателей.
Замена обычных нагревателей свсрхвысокочастотными нагревателями
позволяет:
интенсифицировать процесс полимеризации клея и, как следствие,
обеспечить равномерность прогрева диэлектрика;
обеспечить высокие скорости нарастания температуры полимери-
зации пакета и благодаря этому высокую производительность труда;
увеличить число листов полиамидной бумаги в пакете до 1000 и
благодаря этому увеличить размер блока сотового заполнителя;
повысить прочность при неравномерном отрыве.
При изготовлении пакетов сотового заполнителя важное место
занимает технология растяжения склеенных пакетов в блоки и после-
дующее их фиксирование специализированной оснасткой в растянутом
состоянии Сила растяжения пакетов определяется рзмсрами сотовых
55
ячеек, числом листов полиамидной бумаги, а также скоростью растя-
жения По результатам эксперимента установлено, что максимальные
удельные силы растяжения при формировании пакетов нз листов шести-
гранной формы приближаются к удельным силам растяжения при ис-
пользовании в качестве материала для изготовления пакетов сотовых
заполнителей алюминиевых сплавов Пакеты при растяжении имеют не-
значительную остаточную деформацию. Относительное сокращение
пакета по ншринс составляет около 70 % исходной ширины при всех
типоразмерах ячеек и толщинах бумаги. Для получения ячеек прямо-
угольной формы требуется сила растяжения в два раза большая, чем
для получения ячеек шетнгранной формы.
Обобщенные зависимости сил F растяжения пакета сотового за-
полнителя для получения ячеек шестигранной и прямоугольной форм
и разрушения пакета от степени растяжения S показаны нз рис. 2.6
Все компоненты для приготовления клеев, адгезионных грунтов,
герметиков, подслоев подлежат контролю на следующих этапах-
при поступлении на предприятие;
при замене партии одного из компонентов;
по истечении гарантийного срока хранения компонентов и пленок.
Для автоклавного склеивания используются автоклавы — герме-
тические сосуды большого объема, в которых можно создавать давление
на 0,10...0,20 МПа превышающее атмосферное. Преимущество автоклав-
ного склеивания перед другими процессами склеивания (с использова-
нием прессов и обогреваемых плит) состоит в том, что в автоклавах
благодаря значительным объемам нагревательной камеры обеспечи-
ваются:
заданные равномерные температура и давление независимо от фор-
мы изделия;
вакуум в течение всего процесса склеивания включая и охлажде
кие клеевого сборочного узла;
Рис. 2.6. Обобщенные зависимости силы растяжения
пакета сотового заполнителя для получения ячеек
шестигранной н прямоугольной форм от степени
растяжения S:
----- сторона ячейки 2,5 мм, тозщдаа бумаги
0,075 мм;------- сторона ячейки 2,5 мм, толщин»
бумаги 0,05 мм; —• — сторона ячейки 3,5 мм. тол-
щина бумаги 0,075 мм, ---- • • — сторона ячейки
4.2 мм, толщина бумаги 0,025 мм —•• • — сторона
ячейки 4,2 мм, толщина бумаги 0.05 мм
56
полимеризация партий деталей и агрегатов по одному режиму,
зафиксированному на термограмме;
возможность механизации и автоматизации при загрузке и выгруз-
ке клеевых узлов
В автоклав входят системы регулирования рабочего давления
аварийного сброса давления управления процессами разогрева, охлаж-
дения и поляризации клеевых соединений, а также записи парамет-
ров.
В автоклаве процесс склеивания после загрузки сборочных узлов
производится по автоматизированному режиму. В промышленности
для автоклавного склеивания деталей и конструкций, а также фор-
мования изделии из ПКМ используются автоклавы как отечественного
производства, так и зарубежные (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Модель автоклава фирмы "Шольц” Диаметр изде- лия. загружае- мого в авто- клав. мм Длина изделия загружаемого в автоклав мм Рабочее давление. МПа Максимальная рабочая тем- пература. °C
Л25.576 800 1000 3.0 450
A2S.578 2000 6000 1.6 380
A2S.580 3000 8000 1.6 380
Л25.582 3000 16000 1.6 380
Л25.584 4500 26000 1.6 250
Каждая операция склеивания агрегатов, работающих в интервале
температур -60 + 80 °C на применяемых в настоящее время пленоч-
ных клеях, требует прогрева конструкции при температуре (175±5) °C
в течение 1,5—3 ч, а весь технологический цикл склеивания в автоклаве
составляет 12...18 ч. Это очень длительный и энергоемкий технологи-
ческий процесс. Для сокращения энергоемкости технологического
процесса и цикла склеивания создают клеевые композиции, полимери-
зация которых проходит при меньших температурах. В настоящее вре
мя для склеивания многослойных конструкций с сотовым заполните-
лем используется пленочный клей, для полимеризации которого тре-
буется температура (125±5) °C. Клеевые композиции характеризуются
технологическими свойствами, к которым относятся зазорозапол-
ияемость, сплошность клеевого слоя, влияние повторного нагрева
на прочность клеевого соединения, влияние срока храпения клея на
растекаемость, трешиностойкость при выполнении технолотческих
операций сверления, клепки и т.н.;
физико-механическими свойствами, к которым относятся прочность
при испытании на сдвиг, растяжение, сжатие, отдир. влияние толщины
клеевого слоя на прочность клеевых соединений
57
Текучесть клеевых пленок оценивается по степени растекания
клея между двумя пластинами из алюминиевого сплава, анодирован-
ными в хромовой кислоте и термиобработанными по режимам склеи-
вания
Для проверки способности клея к зазорозаполняемости вырезается
заготовка из клея определенного диаметра и укладывается между
двумя пластинами Повышается температура, создается давление на
пластины. Температура и давление должны соответствовать заданному
режиму склеивания После чего измеряется площадь клеевой заготовки
Определение площади клеевой заготовки после полимеризации
производится полярным планиметром и методом подобия площадей-
(J^a р “ Ж >
где Do - исходный диаметр заготовки; Dn р - диаметр заготовки после
растекания клея. В качестве примера в табл 2.2 приведены результаты
измерений площадей заготовок из клея ВК-51 и ВК-31У при различном
времени хранения и температуре 5 С.
Способность клея заполнять зазоры исследуется на специальных
образцах Оценка степени заполнения зазоров осуществляется по ре-
зультатам испытаний клеевого шва на диффузию топлива. При испыта-
ниях одна поверхность клеевого соединения покрывается меловым
раствором, а другая погружается в топливо с добавкой красителя.
Критерием сплошноти клеевого слоя считается отсутствие следов
топлива на той поверхности соединения, на которой нанесен меловой
раствор.
Влияние толщины клеевого слоя на прочность клеевого соедине-
ния проверяется на образцах с толщиной клеевого слоя заданной в
пределах 0,1...0,5 мм, при испытаниях на сдвиг.
Исследование трешиностойкости клеевого соединения произво-
дится из плоских образцах, клеевые соединения которых подвергаются
воздействию постоянной расклинивающей силы F. Результаты испы-
таний образца, приведенного на рис. 2.7, даны в табл 2.3.
Таблица 2.2
Марка клея Площадь заготовки. % от
площади пластины
Время хра- Время хра-
нения 3 ме- нения 6 ме
сяца сяцсв
Рис. 2.7. Образец, испытанный на тре-
щииостойкость
1 - образец; 2 - клин
ВК 51 39 37
ВК-31У 49 57
58
Таблица 2.3
Марка клея л/ Марка клея А/
ВК-51 56.3 65.0 8,7 ВК-31У 56.7 84 3 27.6
55,2 66 8 11.6 56 7 86.0 29.3
53.3 58.2 4.9 54.7 83.6 28.9
51.1 55.2 4 1 56 1 82 9 269
50.6 71.0 20.4 53.8 60.4 6.6
48 6 68 0 19.2 55.7 59 6 3.9
Качество клеевого соединения зависит от точности подгонки склей
ваемых элементов, которая и определяет толщину и равнонрочностъ
клеевого слоя Особую сложность представляет согласование сопряже
ний контуров сотового заполнителя с элементами каркаса.
Придание требуемой формы и высоты сотовому заполнителю произ
водится фрезерованием на специальных копировально-фрезерных стан-
ках с 411У управляемых ЭВМ по программе В условиях серийного
производства для обработки сотового заполнителя используются раз-
личные приспособления и механизированные устройства.
В качестве инструмента при обработке сотового заполнителя ис-
пользуются ножевые, а также фасонные фрезы для создания снсциаль
ных контуров (рис. 2.8).
Типовой технологической операцией, выполняемой на деталях,
изготовленных формованием, намоткой и склеиванием, является свер-
ление.
Сверление смешанных пакетов, изготовленных из металла и ПКМ, —
многооперациопный и малопроизводительный процесс. При сверлении
смешанного пакета со стороны 11КМ металлическая стружка выкраши-
вает и "разбивает’ отверстие в ПКМ на глубину 0,2 0,8 мм. При свер-
лении со стороны металла на входе сверла в ПКМ происходит разруше-
ние его заусенцами металла. На выходе под действием сия резания
при неблагоприятных режимах происходит рассслоение и скалывание
ПКМ.
Рис. 2.8. Фреза, используемая для
обработки сотового заполнителя
а - ножевая; б - фасонная
59
Чаще всего последнее наблюдается при работе дрелями и объяс-
няется разницей осевых сил при сверлении металла и ПКМ. При оди-
наковой частоте вращения и подаче дрели осевая сила при сверлении
алюминиевого сплава в 2...4 раза, а титанового сплава в 7...10 раз боль-
ше чем при сверлении углепластика Сверловщику трудно уловить
момент перехода из металла в ПКМ. и сила, прикладываемая им к
дрели, не меняется что и порождает разрушение ПКМ При выходе
конусной части сверла, образованной главными режущими кромками,
осевая сила при сверлении дрелью гораздо выше, чем при сверлении
на станке.
Осевая сила при выходе конусной части сверла при обработке на
стайке с постоянной подачей уменьшается от максимального значения
до нуля почти по линейному закону. При работе дрелью постоянная
сила, прикладываемая сверловщиком, приводит к увеличению подачи
на выходе сверла из металла и перенапряжению нижних слоев ПКМ.
Чтобы исключить расслоение и сколы при выходе сверла из ПКМ.
необходимо оптимизировать напряженно-деформированное состояние
иижних слоев ПКМ.
Оптимизировать напряженно-деформированное состояние ПКМ можно
различными способами. Можно снизить осевую силу по всей толщине
обрабатываемого пакета использованием высокочастотного сверления,
можно уменьшить осевую силу в зоне перехода из металла в ПКМ
Выход сверла из ПКМ можно осуществить с помощью демпфирующей
Таблица 24
Сверлильная мз ши и а Обрабатываемый материал Характеристика сверла Частота вращения шпинделя. с"1 Снижение частоты вра- щения шпин- деля. %
Углепластик па Из сплава НК-8. энжсмдноА основе Ф 4 1 мм 1900..1980 8.0-11.9
Низкочастот 5.5- 6.5
ная Алюминиевый сплав
Из сплава ВК-8 Ф 4.1 мм 5.5.6.0
Углепластик на Алмазное, эпоксидной основе ф 4 мм 12800... 13200 2.5—3.3
Высокочас- Комбинированное алмазное ф 4 мм 6.9 ..8.5
тотная Алюминиевый СШИВ Из силана ВК-8. 04,1 мм 12800-.13200 17.6-21.1
60
насадки, через которую отсасывается ныасвидная стружка. Металли-
ческая стружка при этом получас гея тонкой, мягкой и практически
не выкрашивает отверстие в ПКМ.
Для образования отверстий под болты и заклепки используются
преимущественно пневматические сверлильные машины
Как известно, пневматические сверлильные машины иод действием
нагрузки снижают частоту вращения шпинделя. В табл. 2.4 приведены
данные снижения чветоты вращения п шпинделя пневматических машин
при иодаче s = 50 мм/мин. обеспечивающей высокую производительность
машин. Графики изменения осевой силы А'ос при изменении иодачи s
при сверлении машинами различных материалов приведены на рис. 2 9
Рис. 2 9 Зависимость осевой сипы от
подачи и частоты вращении шпиндели:
1 - s = 125,5 мь^мии; 2-3=25 мм/мин;
3 s = 50 мм/мян; ------ - Д16Т;
ПКМ
При обработке пакета, состоящего из двух слоев ПКМ высокое
качество отверстий получается при сверлении алмазным инструментом
что объясняется многократным уменьшением силовых параметров ре-
зания по сравнению с силовыми параметрами при сверлении лезвий-
ным инструментом.
Для обработки с высокой частотой врзшения сверла обычной конст-
рукции нс пригодны. При сверлении лезвийным инструментом врезание
неустойчиво и приводит к большому разбиению отверстий При сверле-
нии алмазным инструментом имеется керн, который надо выдувать
или выбивать. При использовании алмазного сверла в дрелях трудно
точно просверлить отверстие Эти недостатки сверления можно устра-
нить разработкой комбинированного сверча Точно просверлит > отвер
стис можно также алмазными сверлами малого диаметра.
Дчя повышения точности сверления отверстий лезвийным инстру
ментом проведены исследования но выявлению его оптимальной гео
метрии. Известно, что силовые параметры резания при сверлении с
высокой частотой от угла заточки 2<р практически нс зависят, а точ-
ность получения отверстий зависит от этого параметра.
Лучшие результаты получаются при углах 2</> = 50.„55°
61
При таком угле разбиение отверстий с УО-нроцснтной вероятностью
составляет всею 0.01. 0,08 мм. Только развертывание и сверление
по кондуктору позволяют более точно выполнять отверстия
При сверлении с высокой частотой большое значение имеет изно-
состойкость инструмента. Установлено, что при сверлении с высокой
частотой сплава Д161 и ПКМ сверла сплава ВК-8 изнашиваются прак-
тически с той же скоростью, что и при сверлеиии с низкой частотой.
Как отмечалось рапсе, способ улучшения качества отверстии в
ПКМ путем управления подачей режущего инструмента широко исполь-
зуется в агрегатно-сборочном производстве. За рубежом применяются
в основном два |ипа механизмов подачи: иневмоцилиндр и винтовой
механизм. Сверлильные машины с пневмоцилиндром подачи для обра-
ботки отверстий диаметром от 6 до 18 мм выпускаются фирмами Англии.
Японии и ФРГ. Для создания плавных и малых подач некоторые свер-
лильные машины снабжаются гидравлическим демпфером. В некоторых
отечественных сверлильных машинах предусмотрено уменьшение по
дачи в конце хода (демпфирование в конце хода). В США выпускаются
для авиационной промышленности машины с винтовым механизмом
подачи. Ряд моделей машин этой фирмы обеспечивают сверление, зеи-
кероваиис и развертывание отверстий.
Па рис. 2.10 приведены результаты прочностных испытаний зак-
лепочных соединений углеродной ленты и алюминиевого сплава, про-
веденных О С Сироткиным Как видно. технология получения отвер-
стий существенно влияет на прочность соединений. По сравнению со
сверлением за три перехода (поз. 4) при сверлении за один переход
(ноз. 1. 2) приблизительно на 10 % снижается предел прочности сое-
6
Рис. 2 10. Результаты (с) испытаний
на прочность заклепочных соеди-
нений (6):
I - сверление низкочастотной маши-
ной; 11 - сверление высокочастотной
машиной; 1, 7 - сверление без демп-
фера со стороны ПКМ; 2, 5 — свер-
ление без демпфера со стороны метал-
ла; 3 6 - сверление с демпфером со
стороны металла; 4 - сверление
рассверливание и развертывание
/раз - разрушающая сила
62
дииений иа сдвиг. При сверлении за три перехода углеродная лента
разрушается металлической стружкой, а при сверлении за один переход
появляются расслоения и сколы на выходе сверла из ПКМ Если на низ-
кочастотную машину поставить демпфер, то частично решается проблема
получения качественного отверстия за один переход (см. поз. 2 и 3).
Хороший результат соизмеримый с результатом обработки за три
перехода (поз. 4), дает сверление с высокой частотой за один переход
(поз. 5...7).
При соединении двух слоев ПКМ технология получения отверстий
в меньшей степени влияет на прочностные характеристики соединений,
так как число дефектов в ПКМ из-за отсутствия металла существенно
уменьшается.
В качестве режущего инструмента при обработке деталей из ПКМ
рекомендуется применять:
алмазные Отрезные круги диаметрами 75 и 125 мм;
сверла спиральные цельные твердосплавные (ГОСТ 17273 71
ГОСТ 17274-71) из сплавов ВК-8, ВК 10;
концевые фрезы (ГОСТ 20537-75), оснащенные пластинами из
твердых сплавов ВК 6, ВК-8, ВК-10.
Высокая абразивность основы в ПКМ снижает стойкость режуще-
го инструмента. Сверлом диаметром 4,1 мм из ВК I можно выполнить
110 130 отверстии в пакете, содержащем титановый сплав толщиной
1...2 мм и углепластик толщиной 3 мм. Концевые фрезы могут фрезе-
ровать углепластик в течение 30...40 мин при износе по задней поверх-
ности до 0,3 мм.
К типовым технологическим операциям обрабс тки ПКМ можно
отнести механическую обработку как с использованием средств малой
механизации, так и с использованием металлорежущего оборудования:
фрезерных токарных, расточных станков При механической обработ-
ке материал в зоне разрезания разлохмачивается. Для исключения
разлохмачивания кромок деталей и агрегатов из ПКМ механическую
обработку целесообразно производить в пакете, т.е. с накладкой и
подложкой из фанеры, древесины твердых пород, надежно прикреп-
ленными к детали.
Возможно применение прижимов с кондукторскими втулками.
Сила, развиваемая прижимом, должна быть падежной, но не вызываю-
щей растрескивание материала Для подготовки инструмента к работе
производится снятие защитного покрытия с режущей поверхности
абразивными брусками при рабочей скорости инструмента или трав-
лением в 42-процентном растворе азотной кислоты.
Разрезание заготовки по пересекающимся прямым линиям произ-
водится после предварительного сверления отверстий в месте выхода
алмазного отрезного круга или ножовочного полотна.
При сверлении тонколистового (до 1,5 мм) комбинированного
ПКМ с чередующимися слоями органопластика и углепластика целе-
63
Таблиц* 25
Наименование
операций
Эскиз
Обрабатываемый
материал
Оборудование
Инструмент
Подача при
резании
Примечание
Резание препрега и обшивок Углепластик, органо / пластик QQtXXX.s Дисковые ножницы Диеновый нож ф 52 мм s < 5 м/мин Работа на сто- лах с бортовым отсосом
Углепластик органо-
пластик
Оргэиопластик
Сверло из твердо- s < 0.02 мм/мин Обработка сцен-
го сплава тровыталкива-
Сверлильная ма- (ГОСТ 17273-71........... -.....телем
шина со спсциаль- ГОСТ 17274-71), г и 0.05
ним демпфером перфорированное 0.06 мм/мин
сверло,
сверло (ГОСТ
17274-71) с за-
точкой
Сверление
Сверлильный
станок
Алмазное перфо-
рированное свер-
ло
$ = 0.02... Диаметр сверла
0.05 мм/мин должен быть на
0.2 мм больше
заданного диа-
метра отверстия
3 Kpucini
Обработка центре-
бором
Сверлильный
станок
Сверло с заточ- s = 0,05 мм/мин
кой через зуб
Зенкеровзние
отверстий
Го же
Зенковка е s = 0,05 ,
пластиной из 0.06 мм/мнп
твердою сплава
Углепластик
s = 0.06..
0.12 мм/мнн
Фрезерование и
резание ПКМ
Оргапонластик
Уипвергально-фре-Концевая фреза т — 0.1 мм/мин
зерный станок из твердого еннзвз
Продолжение табл. 2.5
сообразно применять специальный
подпружиненный центр— выталки-
ватель кернов и режим обработки
с подачей s = 0,02...0,06 мм/ мин.
В процессе фрезерования дета-
лей из ПКМ целесообразно при-
менять попутное фрезерование.
Дополнительную фрезу во избежа-
ние ее неравномерного износа не-
обходимо переметать вдоль оси
основной фрезы.
Контроль геометрических раз-
меров деталей при операциях
разрезания, фрезерования, обра-
ботки подсечек, выемок, фасок
производится универсальными и
измерительными инструментами.
Контроль отверстий выполняется
гладкими калибрами. Сводные
данные по механической обработ-
ке ПКМ приведены в табл. 2.5.
Для разрезания углепласти-
ков, органопластиков, стеклоплас-
тиков можно использовать струю
жидкости, подаваемой с высоким
давлением. С целью повышения
жесткости деталей перед разреза-
нием заготовку можно подверг-
нуть обработке газом, состоящим
из жидкого азота, кислорода, ге-
лия, углекислого газа. После та-
кой обработки температура по-
верхности заготовки понижается
до -70 °C.
В отечественной промышлен-
ности для разрезания деталей
из неметаллов нашли применение
установки с использованием во-
дяной струи (рис. 2.11)
Эти установки представля-
ют собой агрегат, подающий
на заготовки струю под высо-
ким давлением. Они могут
быть использованы в ком-
66
плсксе с одиокоординатиым или многокоординатным столом, управляе-
мым ЭВМ. Размеры стола выбираются в зависимости от габаритных
размеров заготовок и от их формы. Настройка установки осуществля-
ется в зависимости от необходимых точности обработки, нроизводи-
Рнс. 2.11. Схема установки для разрезания деталей из неметаллов:
1 гидромультиплнкзтор; 2 прерыватель струи; 3 - пулы управления; 4 -
шкаф электропитания, 5 — станция насосная масляная; 6 станция насосная во-
дяная; 7 - насос; 8 - ансктродвигагсль; 9, 10 фильтры; II - письмен илро-
аккумуяятор; 12 манометр
3
67
тельности, а также от степени механизации и автоматизации производ-
ства.
Техническая характеристика установки с
использованием водяной струн
Максимальный диаметр водяной струи. 0.15 мм
Максимальное давление рабочей жидкости 39.3 МПа
Максимальный расход рабочей жидкости 1 л/мин
Ширина разреза ....................... . 0.5 мм
Скорость резания листовых материалов является функцией техно-
логических параметров.
У=ЛР.<1С. /,«. n.s. В).
где р — давление нстече>п<я струи воды через сопло, МПа; dc — диаметр
отверстия сопла, мм; I — расстояние от сопла до обрабатываемого ма-
териала, мм; 6 — толщина разрезаемого материала, мм; п — число
проходов при разрезании водяной струей, м/мин; В - ширина разреза.
Основанием установки для разрезания деталей из неметаллов слу-
жит каркас, на котором закреплены масляная насосная станция с ба-
ком, гидромультипликатор, прерыватель струи, трубопроводы и пульт
Рис. 2.12. Схема резания водяной
струен (с) и зависимости ско-
рости резания v от толщины за-
готовки при давлении истечения
струн р = 250 МПа (б) и толщи
ны заготовки от давления исте-
чения (в):
1 - резина: 2 — фторопласт;
3 — стеклотекстоянт;4 заготов-
ка; 5 - сопло
6 в
68
управления. Насосная водяная станция смонтирована на отдельном кар-
касе. Преимущества резания с помощью струи воды (рис. 2.12) но
сравнению с существующими механическими способами следующие:
возможность резания деталей любых форм,
исключение из технологического процесса режущего инструмента
и освобождение обслуживающего персонала и оборудования, связан-
ных с его изготовлением и переточками:
увеличение производительности труда и качества разреза;
снижение шума и исключение загазованности рабочего места;
снижение отходов материалов в стружку;
увеличение точности размеров вырезаемых детален.
Режимы разрезания различных материалов приведены в табл..2.6.
Перед пуском установки в эксплуатацию необходимо заполнить
бак станции 5 (см. рис. 2.11) турбинным маслом. Смена масла произво-
дится 1 раз в 6 месяцев. В бак станции 6 забивается 16 л воды. Наладка
на заданное давление производится путем настройки предохранитель-
но-разгрузочного клапана (на рис. 2. II не показан) с контролем но
манометру 12. Расстояние от сопла 5 (см. рис. 2.12) до заготовки 4
должно быть в пределах 1.0...1,5 мм.
При работе на установке необходимо выполнять требования по
технике безопасности. К работе допускаются лица, прошедшие инструк-
таж. При работе необходимо исключить попадание рук работающего
под водяную струю, так как скорость истечения составляет приблизитель-
но 1000 м/с. Ремонт труб заварка трещин, подгиб - в процессе работы
не допускается. Установка должна быть заземлена. Температура масла
должна быть не выше 50 °C.
Аналогичные установки эксплуатируются и зарубежными авиа-
ционными фирмами. Гак, фирма "Бритиш Аэроспейс” для разрезания
заготовок из ПКМ использует установку, работающую с применением
водяной струи высокого явления по программе. Эта установка обеспе-
чивает вырезку фитурных контуров заготовок из 32 слоев углеродных
лент за один проход с высокой производительностью.
Таблица 2.6
Пара- метры Губча- тая рС JHIkl Гсхни- ческая резина (Чекло- IV К СЮ- лит Перо- нит Вини- пласт Фторо- пласт Тексто- лит Орга- ничес- кое стекло
Толщи- 10 8.5 э 1.2 5.5 X 2 3
на. мм Давле- 200 300 300 300 300 300 300 300
ние. МПа ('ко- 40 4 16 16 16 16 2.4 0.8
рость.
м/мнн
69
Для ил отопления деталей из ПКМ и выполнения различных техно-
логических процессов требуется специальное оборудование.
Фирма "Бритиш Чэроснейс” дня автоматизированной укладки
лепт из углеродного волокна при изготовлении различных заготовок
панелей применяет специальные машины. Число слоев, уюадываемых
па форму, изменяется по заданной программе. При намотке изделий,
как правило, укладка ленты или жгута на оправку производится также
но программе
Рис. 2.13. Схема (а) намотки конических изделий (б) типа гондолы:
I - оправка; 2 - лснта^У, - точка контакта 1ситы; У,р - точка схода ленты
Программа намотки поверхности гондолы (рис. 2.13) следующая:
задать угол геодезии а;
определить начальный радиус детали г0 и начальный диаметр техно-
логической оправки </им:
ro = f’minSina*
, г<>
а11т = arc sin-------;
|ГП13Х
разбить чертеж изделия на равномерные участки;
определить угол охвата геодезической линией каждою участка:
1 гс
Of »-------arc cos--,
ЯЛ0 Г,
где/) конусность юндолы;
рассчитать уюл охвата днища гондолы:
гшах
5/2 = r0 f G'(r)</r/r,Vr? - .
''min
70
где (7'(r) = l/sin/3;
определить по чертежу Х,- и рассчитать г,- для каждой точки разбие-
ния
г,- = г0 + A',- <£j3;
свести координаты расчетных точек в таблицу;
определить суммарный угол 0 охвата геодезической линией всех
участков за один виток ленты;
опрсдслиь длину участка Z, на котором наматывается лента;
произвести корректировку па точках вблизи сечения с г0 измене-
нием угла О охвата геодезической линией определяемого формулой
О = 2itrofZ
Обычно выбирают Z < 4;
задаться шириной ленты Ь,
определить yiповое смешение
Д= ______Ь-_______;
( Зэт/щздСОЭД - Z )
ввести корректировку на смещение витка.
2.2. ТИПОВЫЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Анализ многослойных конструкции и технологических процессов
склеивания показывает, что ввиду наличия погрешностей изготовления
посадочных и стыкуемых поверхностей деталей имеет место неравномер-
ность толщины клеевого слоя. Эта неравномерность обусловливает
неравномерность распределения напряжений при работе клеевою соеди-
нения. Различие напряжений, приложенных к склеиваемым сторонам
деталей, особенно велико у конца клеевого шва. Выдавливание клея у
конца шва несколько уменьшает ннк напряжений в клеевом слое и
соединяемых деталях.
При неравномерной толщине клеевого слоя имеет место увеличение
максимального сдвигового напряжения на том койне шва, на котором
слой клея тоньше. В связи с этим при изготовлении клеевых конструк-
ций, особенно при выполнении нахлеста, необходимо стремиться обеспе-
чить высокое качество подгонки сборочных элементов. Зависимость на-
пряжения сдвига клеевого соединения от толщины клеевого слоя приве-
дена на рис. 2.14. Этой зависимости аналогичны зависимости напряжения
неравномерного отрыва и отдира от толщины клеевого слоя. Поэтому к
технологии изготовления деталей предъявляются высокие требования.
71
При изготовлении применяются калиброванные оснастка, высокие
давления при формировании деталей на гидропрессах, независимый
метод увязки оснастки и др.
В случае применения клеев в виде жидкости, эмульсии win латекса
требуется довольно длительная выдержка для испарения растворителя.
Рис. 2.14. Зависимость напряжения сдвига
клеевого соединения гсдв от толщины слоя
клея 6
Если имеют место реакции полимеризации и сшивания, высокая
прочность сцепления достигается только в том случае, когда эти реакции
завершены полностью с образованием полимера. Эта особенность клеев
является тормозом в организации поточного производства, требующего
механизации и автоматизации технологических операций без вмешатель-
ства оператора. Эти вопросы в значительной степени легче решаются при
использовании в клеевых узлах пленочных клеев и препрегов.
Первоочередной проблемой, которую необходимо решать при выпол-
нении соединений склеиванием, является максимально возможное
сокращение времени до начала стеклования клея. Время отверждения
клея должно быть в пределах нескольких минут. Наиболее известными
термоплавкими клеями общего назначения являются полиэтиленвипил-
ацетатиые клеи, а также клеи, представляющие собой полимерные
расплавы, которые обеспечивают высокую адгезию при склеивании
металлов.
Время отверждения клеев, отверждающихся в результате протека-
ния химических реакций, сокращается при использовании прессов и
термодинамических сушилок. Однако прессы и сушилки трудно совмес-
тить с автоматизированным поточным производством.
Ускорить отверждение конструкционных клеев можно путем облу-
чения электронным пучком, который легко вписать в поточное производ-
ство. Термореактивный акриловый клей отверждается при облучении
электронным пучком менее 1 мин. При изготовлении, например, печат-
ных плат с использованием эпоксидного клея производится облучение
ультрафиолетовыми лучами.
Для обеспечения стабильных технологических режимов идут по пути
внедрения механизированных средств.
На отдельных примерах рассмотрим некоторые средства механиза-
72
ции отдельных технологических операций ио нанесению клеев, устройст-
ва нанесения горячего расплава, устройства для разливки клея с постоян-
ной скоростью и др.
В устройстве для склеивания толстых заготовок привод зажима осу-
ществляется пневматическим двигателем. Балансирные плиты с криво-
линейными профилями (рубильниками) обеспечивают равномерную пе-
редачу давления по всему сечению склеиваемой заготовки. В устройстве
для нанесения покрытия расплавом используется автономный патро i
с термоплавкнм клеем (рис. 2.15). В зависимости от вязкости расплава
меняется расход его через устройство, который может составлять свыше
3,0 кг/ч. В конструкции патрона предусмотрено специальное отсечное
устройство, обеспечивающее заданную дозировку расплава для выпол-
нения технологической операции. Для
облегчения управления операцией нанесе-
ния предусмотрено сигнальное устройст-
во, работающее в цикле подача - стоп.
Благодаря конструкции патрона и его
различных посадок обеспечивается пода-
ча расплава в труднодоступные зоны
и достаточно точное нанесение расплава.
Рис. 2.15. Схема патрона для нанесения рас-
плава:
1 - наконечник; 2 - переходник; 3 - уст-
ройство отсечное; 4 — головка; 5 - крыш-
ка; 6 - трубопровод для подвода питания;
7 - кнопка управления подачей расплава;
8 - устройство сигнальное
6
Для очистки емкостен после освобождения их от смол, вспениваю-
щихся материалов и др применяется насадка, представляющая собой
распылительную головку диаметром приблизительно 70,5 мм (рис
2.16). Эту насадку рекомендуется вводить в емкость при подаче высоко-
го давления.
Фирма "Хокмепер Эквипмент" разработала смеситель с концентри-
ческим валом, который устраняет застойные зоны при перемешивании
термоплавкнх смол. Скорость смешивания регулируется автоматически
в зависимости от уровня вязкости. Дня перемешивания растворов при
изготовлении жидких клеев заливочных композиций используются ме-
шалки фирмы ”Про-Кульп" (рис. 2.17).
Для заливки клея в трудозаполпясмые зоны фирмой "Сильвер Ин-
73
Рис. 2.1Ь. Насадка для очистки смкостсй после освобождения их от смолы:
I корпус: 2 привод; 3 дозатор 4 голой капля распыления
Рис. 2.17. Мешалка с верхним приводом:
I корпус: 2 головка при пода; 3 устройство для перемешивания
Рис 2.18. Шприц ручной раздаточный:
1 - корпус: 2 - кольцо селекторное;
3 плунжер
Рис. 2 19 Устройство для разлива н дозировки расплава:
1 станина; 2 - пульт управления; 3 головка дозирующая, 4 емкость для
расплава, 5 — лсита подвижная
дастрис” разработан раздаточный шприц (рнс. 2.18) . Корпус ш ipnua из-
готовлен из полиэтилена и имеет дозировочное селекторное кольцо, при-
крепленное к плунжеру. Селекторное кольцо крепится на шарнире так,
чтобы его можно было легко удалить или заменить. Фирма выпускает
указанные шприцы грех типов для разлива 15, 30 и 60 см3. Фирма ”Г1ос-
снс” выпускает устройства для разлива и дозировки горячего расплава
(рнс. 2.19). Это устройство может разливать термоплавкне клеи при
температурах 280 С Устройство расплавляет клей непосредственно
перед применением. При использовании этого устройства устраняется
необходимость в больших емкостях для хранения распзвленного клея.
Устройство оборудовано автоматической системой управления процес-
сов плавления и световой сигнализацией.
2.3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ!: ХАРАКТЕРИСТИКИ
КЛЕЕВЫХ ШВОВ
Техноло|нческий процесс склеивания дает возможность благодаря
когезии и адгезии соединять металлические и неметаллические материа-
лы без использования большого количества тепловой энергии.
75
Несущая способность клеевых соединении в значительной степени
зависит от прочности клеевого слоя и соединяемых элементов.
Нод действием нагрузки в клеевом соединении возникают напряже-
ния, которые распределяются в нем неравномерно. Из большого разнооб-
разия клеевых соединений (рис. 2.20) наибольшее распространение в
конструкциях клеевых узлов получило как наиболее экономичное
соединение внахлестку. Склеивание внахлестку даст возможность полу-
чить увеличение площади склеиваемой поверхности и нагрузок при
сдвиге в клеевом соединении.
При неравномерном отрыве на клеевое соединение действуют нагру-
зки как растяжения, так и сдвига. Нагрузки сдвига зависят при этом от
жесткости металла и слоя клея. Напряжение неравномерного отрыва
клеевых соединений составляет 10 % от напряжения равномерного
отрыва.
Наиболее высокая концентрация напряжений (рис. 2.21) возникает
на концах нахлеста, что вызывает уменьшение прочности соединения.
При нагрузке клеевого слоя сое чиненные детали растягиваются. Соеди-
няемая деталь, имеющая меиыпую площадь сечения, разрушается первой.
В соединении простой нахлссткой клей выравнивает различия в удпинс-
1’ис. 2.20. Модели к леев х соеди-
нений:
I нахлсегка простая; 2 нах-
лестка односкосная со скошенной
кромкой; 3 нахлестка простая
при окинутых кромках склсевас-
мых образной; 4 - нахлестка
днухскосная; 5 - нахлестка дву-
сторонняя усиленная; 6 - нах-
лестка врезная простая; 7 — нах-
лестка врезная односкосная уси-
ленная; 8 нахлестка шпунто-
вая; 9 соединение двусторон-
нее врезное; 10 - соединение
на "ус"; 11 соединение на
"ус” с упорами; 12 - соедине-
ние двойное на "ус”; 13 - соеди-
нение с двумя накладками;- 14 -
соединение с накладками со ско-
шенными кромками. 15 - соеди-
нение ториевое с увеличенной
нлошшыо екксиваиня; 16 - дву-
сторонняя врезная нахлестка с
накладками; 17 - нахлестка с
двутавром; 18 — нахлестка со
швелясром; 19 нахлестка с
угольником
76
Рис. 2.21. Схема соединения в момент разрушения (о),эпюры нормальных напря-
жений при растяжении (б) и при изгибе (в):
1.2- элементы соединения; 3 - слой клея; Л голшнпэ слоя клея; I — тыниз
нахлестки; б], б, — толщина элементен соединения; Ор — напряжение нормаль-
ное в металле при растяжении; Дк - деформация слоев клея; а угол деформа-
ции при нзп1бс, сО1р - напряжение нормальное отрыва в клееном слое; V мо-
мент изгибающий; Гш-- сила разрушающая в клеевом шве; оц - напряжение нор-
мальное изгиба; тсдв - напряжение сдвига
ими соединяемых деталей, пластически деформируясь под нагрузкой.
Это явление проявляется в неравномерности клеевою слоя, который
выравнивает напряжения в соединении.
В связи с этим клеевое соединение следует рассчитывать, пользуясь
законами сопротивления материалов. Только используя расчетный путь,
можно определить характеристики отвержденною клеевою слоя. На
рис. 2.22 приведены схемы соединений, не позволяющих обеспечить оп-
тимальные условия нагружения клеевого слоя.
По мере увеличения прочности склеиваемых материалов прочность
на растяжение и сдвиг клеевою соединения возрастает, так как ники
напряжении по краям клеевого шва не столь ве тки Рассмотрим влия-
ние отдельных копструктивио-технолотнчсскнх параметров на прочность
клеевого соединения.
Компенсировать влияние сдвиговых нагрузок в клеевом соединении
можно увеличением толщины склеиваемых элементов. Но этот путь не
рационален так как снижает эффсктивпостьклсевых конструкций по
массе.
Прочность клеевого шва зависит от многих факторов адгезии клея,
зависимости свойств отвержденного клея от сю толщины и других пара-
метров. Все эти факторы незначительно зависят от конструкции соеди-
нения.
При увеличении толщины слоя клея пропорционально увеличивается
вредный момент изгиба, при этом прочность на растяжение и сдвш спи-
77
a
б
Рис. 2.22. Схемы к к-епых соединений:
а не ко зноя я юны с обеспечит!, оншмхи.ныс условия нагружения; б - варианты
местных усилений для уменьшения возможности отслаивания
жастся. Максимальная прочность клеевою шва достигается при толщине
клеевого слоя 0.1...0,2 мм
При увеличении прочности к 1ея и сю способности к пластической
деформации уменьшаются пики напряжений по краям шва, что обеспе-
чивает устойчивую работу клеевого соединения типа нахлестки. Это надо
учитывать при проектировании конструкций.
Увеличение толщины сборочных элементов снижает деформацию
при растяжении н способствует равномерному распределению напряже-
нии сдвига в клеевом состишении 11собходимо иметь в виду, что по мере
увеличения длины клеевого шва его прочность на растяжение и сдвш
увеличивается. Это явление до определенной оптимальной ширины шва
можно объяснить тем. что у краев шва tqjb максимально, а к се редине
шва уменьшается (см. рис. 2.21, б).
Напряжения сдвига т снижаются по мере уменьшения .модуля
упругости клея.
Существует мною рагшчных способов увеличения прочности кле-
евых швов, например увеличение жесткости соединеняемых деталей в
78
соединении типа нахлестки, изменение длины соединения. Кроме того,
можно изменять жесткость по длине шва. Осуществить этот способ в
производственных условиях трудно. Это объясняется тем, что в клеевых
соединениях используются листы небольших толщин. На прочность
соединения влияет выбор клея
При соединениях внахлестку тонких нежестких листов рскоменду
стся применить более упругие клеи, позволяющие получить толстый
слой. При соединении внахлестку толстых жестких деталей, которые
можно профилировать но толщине, выгодно применять более жесткий
клен, так как распределение напряжении в шве определяется в основном
жесткостями деталей. Ьолсс жесткий клей обычно имеет более высокий
модуль упругости.
В соединениях с накладками желательно применить самый нежест-
кий клей независимо от жесткости входящих в узел деталей. Желательно
профилировать толщину клеевого шва по длине соединения, поскольку
причиной относительно малой прочности клеевых швов является нерав-
номерность распределения в нем напряжений. Один из возможных
путей профилирования - отгиб кромок, который дает предел прочности
прн отрыве па 15 % больше, чем у соединения без отогнутых кромок,
('кос кромок тоже влияет на прочность нри неравномерном отрыве Он
увеличивает предел прочности и при отрыве примерно на 25 %.
Эффективность использования клея в соединениях с накладками
обусловливается
снижением уровня напряжений, если накладка существенно увели-
чивает площадь поперечно! о сечения шва;
местным подкрештяющим эффектом, снижающим концентрацию
деформации.
При проектировании клеевых соединений металла с ПКМ необходи-
мо знать*
свойства склеиваемых материалов;
влияние параметров окружающей среды на характеристики склеива-
емых материалов,
параметры распределения Всйбулла.
Схема проектирования клеевых соединений, приведенная па рис. 2.23,
разработана с ориентацией на использование сложных вычш (нтсльных
программ
Наибольшее распространение нри склеивании получили многослой-
ные конструкции с сотовым заполнителем.
При проектировании и изготовлении многослойной конструкции
с сотовым заполнителем необходимо обеспечивать высокую прочность
и надежность нри незначительной площади контакта склеиваемых поверх-
ностей Очевидно, что определяющими факторами, влияющими на проч-
ность конструкции, являются гехноло! ические факторы. При склеива-
нии таких конструкций широко используются клеевые пленки. В про-
цессе склеивания происходит перетекание части клея в пределах каждой
79
Рис. 2.23. Схема проектирования клеевой конструкции
ячейки от центра к стенкам, и результате чего у стенок образуются клее-
вые галтели (рис. 2.24). Клеевую галтель можно определить высотой
поднятия клея Н, шириной основания галтели Кт, толщиной прослойки
клея 6пр в пределах каждой ячейки после растекания клея, а также ра-
диусом галтели. Ширина основания галтелей клея существенно влияет
на общую площадь клеевого контакта, которая, как показали экспери-
менты, зависит от свойства клея, метода его нанесения и геометрии сото-
вого заполнителя. Среднюю статическую ширину основания галтели для
каждого конкретного случая получают экспериментальным путем,
склеивая образцы различными клеями при различных условиях, изготав-
ливая из образцов шлифы и измеряя под микроскопом исследуемые
параметры.
Как показали эксперименты на различных клеях, Кг изменяется в
Рис. 2.24. Сечение сотовой ячейки:
1 — стенка сотового заполнителя; 2 -
галтель; 3 - обшивка; Н - высота подня-
тия клея; Л'г - ширина основания гал-
тели; 8ж - толщина фольги сотового
заполнителя; 8ogu| — толщина обшивки;
Яг - радиус галтели; 8п_ - толщина
клеевой прослойки
80
пределах 1.6...2 мм. Если эта величина известна, подсчитывается общая
площадь клеевого контакта:
= и5яч>
где п = Кг/[3а(ау/3+ 26ф + 25Пр ) ] — число ячеек по ширине основания
галтели К?, а — длина стороны сотовой ячейки; 6ф — толщина фольги
сотового заполнителя; б — толщина клеевой прослойки.
Площадь клеевого контакта для одной сотовой ячейки определяется
по формуле
От площади контакта зависит предел прочности при сдвиге, равномер-
ном и неравномерном отрыве.
Управляя механизмом образования клеевых галтелей, можно созда-
вать многослойные конструкции с сотовым заполнителем с необходимой
прочностью. В работах, посвященных расчету многослойных конструкций
с сотовым заполнителем, имеется исчерпывающий анализ их изменения
при различных видах нагружения. Однако определению напряженного
состояния при возникновении напряжений растяжения — сжатия в по-
перечном направлении уделено недостаточное внимание. Характерным
разрушением при этом виде нагружения является отслаивание обшивок
от заполнителя. Представляет интерес распределение напряжений в самой
клеевой галтели.
Рассмотрим влияние равномерного отрыва на распределение напря-
жений в галтели. Все элементы сотового заполнителя находятся в одина-
ковом напряженном состоянии. Это позволяет сформулировать задачу
для одной стороны шестигранного сечения сотовой ячейки как плоскую.
Взаимодействие фольги с клеевым слоем может быть отражено введе-
нием в расчетную схему касательного напряжения, действующего поли-
ции их контакта. В зоне контакта с обшивкой граничные условия для
клея соответствуют условиям жесткой заделки, а растягивающая нагруз-
ка переносится с обшивки на фольгу. На криволинейной границе клеево-
го наплыва нагрузка отсутствует. Если разрушение клеевого соединения
происходит из-за разрушения самой галтели, то, как показывает опыт,
оно является хрупким. Другими словами, клей вплоть до разрушения
не теряет упругости. Уравнение равновесия для плоской задачи, запи-
санное в перемещениях, имеет вид
дД21/.+(Л+д)-^-= О, (2.1)
где д - коэффициент ослабления; Д2 — оператор Лапласа; Vt — переме-
щение вдоль осей X или У; А — перемещение галтели.
Уравнение (2.1) с учетом граничных условий может быть решено
для области со сложной геометрической формой, например, методом
конечных разностей. После дискретного представления разностей на
81
сеточной области метод конечных разностей реализуется на основе
метода динамической релаксации. Уравнение 2.1 дополняется правой
частью и фактически превращается в уравнение движения
цД2 V, + (Х+ р)-^- = Г,(С+ р). (2.2)
°i
где С — ударная вязкость.
Введение в уравнение (2.2) члена с первой производной но времени
позволяет свести его решение к решению статической задачи за конеч-
ный промежуток времени. Заменяя производные по времени и коорди-
натам центральными разностями, можно записать выражение для раз-
ностных аналогов уравнения (2.2), а из аналогов получить формулу
для вычисления перемещения в конце интервала времени
*+i дТ2 2 к 1 - х k-i
V = £ -------+------ Г- ,----V,- , ,
1 ' р(1 + л) (1 + х) •' 1 + л- •'
где
, -эл (И-,/- t'/.z-OA-v,-
- -и ----------------------------- +
ДХ,- ♦ ДУ,.,
+ эм ^'1 - W*v<-^ii-, +
“г*! J
ДУ,- + ДУ;-!
+ *Ч/+1 ~ ~ ^*->./+1 * -1./ .
(ДХ/+ ДАГ/+1)(ду/+ ДУ,-!)
(2.3)
(2.4)
х = с&Т1(2р) - параметр релаксации; к — 0, 1, 2,...-номер временного
слоя; i, j — номера узлов разностей сетки в направлении осей У, X; р
кинематическая вязкость.
В исходном состоянии при к = 0 для определения перемещения
необходимо задать начальные перемещения И*-1, И*. Граничные
условия для перемещений реализуются заданием в массивах Vj гранич-
ных значений величин, которые не изменяются в процессе вычислений.
Если на границе области заданы нагрузки, оператор Lj j в выражениях
(2.3) и (2.4) вычисляется с учетом этих нагрузок. При работе но прог-
рамме, составленной по описанному алгоритму, можно получить поля
перемещений И, и напряжений о^-в клеевой галтели.
Напряжения отрыва оотр (рис. 2.25) на границе между обшивкой
и клеевым слоем распределены неравномерно. В зоне их максимального
значения существуют и растягивающие напряжения. При двухосном
растяжении в относительно хрупком материале, каким и является
клей, можно найти зону разрушения. Количественную оценку работо-
способности рассматриваемого клеевого соединения можно получить
82
после уточнения условий па границе между фольгой и клеем и закона
распределения касательных напряжений.
Эпюру напряжений в клеевой галтели можно определить, используя
поляризационно-оптический метод. При этом методе клеевая галтель
моделируется из специального оптически активного материала. При
нагружении изготовленных моделей из-за появления оптической анизо-
тропности в материале можно наблюдать картину распределения на-
пряжений (рис. 2.26).
Поляризационно-оптический метод нс позволяет получить клеевое
соединение с оптимальными показателями. Для этой цели можно исполь-
зовать как метод конечных разностей, так и метод конечных элементов.
Основная идея метода конечных элементов состоит в предположении,
что любую непрерывно изменяющуюся величину можно аппроксимиро-
вать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-не-
прерывных функций, определенных в конечном числе подобластей.
В этом случае исследуемая область представляется набором конечных
элементов (рис. 2.27)
Рис. 2.26. Распределение напряжений по сечению
галтели при нагрузке 100 Н:
1 - фольга; 2 - галтель; оогр1 > </отр„
83
Для каждого элемента может быть получена аналитическая зави-
симость между силами, приложенными в узлах сетки, обозначенных
цифрами 1...55, и их перемещениями. Матрицы жесткости отдельных
элементов объединяются в матрицу системы линейных алгебраических
уравнений, которая отражает равновесие сил. Эта система имеет следую-
щий вид:
f* = K Г,
где F — вектор силы, приложенной в узле; К — матрица жесткости сис-
темы; е — вектор перемещений узлов.
Исследуемая область в данном случае представлена треугольными
элементами. К фольге заполнителя прикладывается растягивающая
сила, т.е. решается вопрос о взаимодействии фольги и клеевого слоя,
примыкающего к ней. Распределение касательной силы определяется
как внутренний силовой фактор. Обшивка считается абсолютно жест-
84
кой ио отношению к клею и фольге. В зоне контакта с обшивкой гранич-
ные условия для клея соответствуют условиям жесткой заделки, растя-
гивающая нагрузка приложена к фольге.
Если двумерная область разбивается на треугольные элементы в
принятом для данного случая порядке, то перемещения каждой из
вершин треугольника выразятся компонентами матрицы 5, которые
являются основными неизвестными:
где И, U - перемещение узла и деформация галтели. Здесь и далее ин-
дексами i, j, к обозначены параметры в /-,/ и А-м узлах сетки.
Поле перемещений в пределах одного элемента можно задавать
в виде линейных многочленов
1
~ М(9 * bjX + ciY~№i + (а/ + + 9 ЮЦ + Gty + + ск Г)А^] 5
V = 4 Д1(°» + hix + QKH7 + (aj + bjX + CjУ)Vj + (ак + ЪкХ+ с*У)И*];
где aj = X^fk- XkYj, bi = У,- - Yk, Cj = Xk - Xj - коэффициенты,
получаемые циклической перестановкой индексов.
Дефомация внутри элемента е может быть выражена через пере-
мещения узлов €х, ev cz вдоль осей X. У, Z:
Oibf
@ici
c(bi
Ojb, Okbk
OjCj Ok Ck
Cjbj ckbk
(2.5)
где Oi, Oj. Ok - коэффициенты, получаемые циклической перестанов-
кой индексов.
Закон Гука в обшей форме имеет вид
a = D-e-D-e0. (2-6)
где D — матрица упругости; е - полная деформация; е0 — начальная
деформация.
Поскольку рассматриваемая область отвечает условию плоской
деформации, матрица упругости D определяется формулой
1 р(1 - v) 0
Е(Д - V)
D = 141 - v) 0 0
(1 + v)(l - 2v)
0 0 (1 - 2f)/( 1 - J
(2.7)
85
где Е — модуль упругости; и — коэффициент упругости материала.
Для составления канонических уравнений метода перемещений,
отражающих равновесие каждого узла сетки конечных элементов,
можно воспользоваться принципом возможных перемещений Если
обеспечить перемещения узлов конечного элемента, то работа внешних
сил F, приложенных к узлам, должна равняться работе внутренних
сил, приложенных ко всему элементу
5F = 6T-oBT4, (2.8)
где т — знак транспонирования; В — матрица жесткости элемента
Матрицы в уравнении (2.8) должны быть равны покомпонентно,
откуда
F = оВт Д. (2.9)
После подстановки уравнения (2.6) в уравнение (2.9) и преобразо-
вания получено выражение
F = K 6,
(2-Ю)
где К = В • В • D • Дэ — матрица жесткости системы;
(2.11)
— площадь элемента.
Глобальная матрица жесткости получается после суммирования
уравнении (2.10) и (2.11) по элементам:
N
К* = Z К (2 12)
е = 1
Матрица найдена с помощью ЭВМ. Была получена картина деформи-
рованного состояния клеевой галтели при приложении внешней нагруз-
ки. Расположение узлов сетки на клеевой галтели соответствует рис. 2.27.
Программа для ЭВМ была составлена таким образом, что вначале
по введенным в нее среднестатистическим значениям параметров клеевых
галтелей было получено поле напряжений в галтели при приложении
нагрузки. Затем введенные параметры изменяли в пределах получен-
ных доверительных интервалов, и каждый раз получали новые соответ-
ствующие картины распределений напряжений, по которым и определи
ли оптимальные форму и геометрические параметры, обеспечивающие
наиболее благоприятное напряженно-деформированное состояние в
клеевом шве. Напряжения в клеевой галтели распределены неравномер-
но. Так, более напряженная зона имеет место у краев фолы и заполните-
ля По мере удаления от этой зоны напряжения надают и в клеевом
массиве, лежащем в центре сотовой ячейки, они фактически равны нулю.
86
2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СКЛЕИВАНИЯ
Задача выбора технологического процесса сборки с учетом процесса
склеивания соединений является многофакторной, поэтому для ее ре-
шения используется теория множеств и алгебра логики. Технологичес-
кие процессы рассматриваются как некоторые множества У, элементами
которого являются конструктивно-технологические факторы, отражаю-
щие возможные методы и средства ведения технологического процесса,
т.е.
У1, Уз, Уз,
(2-13)
пхе у1г Уг,—, уп -’Методы и средства ведения технологических процес-
сов (например, методы изготовления деталей и сотового заполнителя,
точность сборочного приспособления).
Аналогичным образом может быть представлена и конструкция
агрегатов
(2.14)
где л'2,..., хп — конструктивные параметры деталей, узлов, агрега-
тов (например, габаритные размеры, радиус кривизны, толщина ма-
териалов и слоя клея).
Так как между элементами X и У существуют функциональные со-
отношения, то рассмаривасмому технологическому процессу соответст-
вует условие
1СУУ, (2.15)
где s — система функциональных отношений между элементами мно-
жеств X и У.
Представление технологического процесса в виде математической
модели (2.13) позволяет оценить все многообразие его вариантов при
заданных ограничениях и эффективно использовать вычислительную
технику. Выбор типа клеевого соединения входит в общее решение
модели (2.13) как подсистема, описываемая формулой
s„ с хк.
(2.16)
где К — множество типов клеевых соединений (простая нахлестка,
простая нахлестка при отогнутых кромках, нахлестка со скосами и
ДР-)
В связи с многообразием конструктивных вариантов узлов и агре-
гатов самолета и средств образования клеевых соединений при выборе
последних рационально учитывать статистические значения конструктив-
но-технологических параметров. За критерий оценки вариантов прини-
мается качество узла и агрегата, производительность труда при их изго-
87
$
з
S1
Методы соединения Клеевые
Клеесварные
Связь с внешними одводами —► Через компенсатор
—► Круглая
Форма клеевой
поверхности
—* Наличие элементов pt чека
Нвлич е проемов и люков —*
Клепаные
Sei компенсатора
Прямо -
Одинарно» Двойной
кривизны кривизны угольная
Трапецие-
видная
С элементами разъема
без элементов разъема
С проемами
без проемов
%
В
Л
Одностороннее
Двустороннее
Расположение элементов
набора относительно
несущей поверхности
Параллельное
Наличие герметизации —► Герметизируемый
Рис. 2.28. Классификационные признаки клеевых узлов
Произвольное
Негерметизируекый
товлении и приведенные затраты как наиболее полно учитывающие
затраты, связанные с оплатой живого труда и капитальными вложениями
в технологическое оснащение. Анализ конструкций и условий производ-
ства, например плоских клеевых узлов, нервюр, панелей, балок, позво-
лил (рис. 2.28) определить общие классификационные признаки для
всего многообразия клеевых узлов и установить характер их влияния
на технологический процесс их изготовления. В результате этой работы
составлен алгоритм реализации технологического решения (рис. 2.29).
Рассмотрим каждый из признаков.
Методы соединения предопределяют те хнол отческий процесс
сборки вообще. Клеевые узлы состоят из элементов типа обшивок,
окантовок, усиливающих лент, накладок, сотового заполнителя. Кле-
евые узлы в отличие от узлов смешанной конструкции (клеесварных и
клееклепаных) имеют меньшее число деталей.
Конструктивное исполнение клеевых узлов предопределяет принци-
пиальную возможность использования средств механизации и автомати-
зации процессов нанесения подслоев-грунтов, клеевого слоя, его обрез-
ки, прикатки к поверхности, герметизации, окраски, контроля качества
склеивания и др.
88
Рис. 2.29. Алгоритм реализации технологического решении
Характер связи сборочного узла с внешними обводами определяется
методом сборки узлов. Узлы, имеющие непосредственную связь с внут-
ренним контуром обшивки (многослойные конструкции с сотовым
заполнителем), должны быть изготовлены с высокой точностью. При
связи через компенсатор (конструкторский или технологический)
требования менее жесткие. В этом случае при сборке используются
упрощенные способы базирования деталей.
Форма клеевой поверхности определяет схему движения механиз-
мов при нанесении грунтов и подслоя, при укладке препрега и др.
Элементы разъема в конструкции клеевого узла предопределяют
условия базирования деталей, последовательность их установки, а зна-
чит, и сложность приспособлений для сборки и склеивания.
Проемы в клеевых конструкциях узлов, например проем в нервю-
ре, панели, создают возможность размещать в них приставки к обору-
89
дованию и приспособления для дополнительной поднрсссовки пакета
и разделки отверстий под установку различных лючков, жесткостей
Все это расширяет диапазон использования оборудования.
Расположение элементов набора относительно несущей поверх-
ности и относительно базовых осей самолета определяет возможные
перемещения рабочих приставок, степень механизации и автоматиза-
ции и в целом сложность и стоимость оборудования.
Герметизация клеевых узлов влияет на структуру технолошчсского
процесса и на тип оборудования.
Указанные классификационные признаки позволяют на первом
этапе проектирования технологических процессов выполнения клеевых
соединений сформулировать требования к ним, разработать схемы
устройства для механизации процессов и алгоритм реализации техно-
логического решения.
С повышением требований к качеству обводов агрегатов возрос-
ли требования к точности изготовления деталей Эти требования опре-
делены из условий необходимости снижения дополнительного сопротив-
ления, обусловленного производственными неровностями и выступаю-
щими деталями. Это сопротивление составляет до 3 % от сопротивления,
создаваемого аэродинамически гладким самолетом при нулевой подъем-
ной силе.
Технологические процессы склеивания должны обеспечивать:
заданные параметры сборочного узла;
заданный ресурс клеевого соединения, конструкции клеевого узла и
мест крепления к основному агрегату;
приемлемые для конкретного производства затраты при заданном
объемен темпах выпуска;
безопасные условия труда.
Выбор варианта технологического процесса склеивания сложен,
так как необходимо учитывать ряд противоречивых требований, на
пример минимальных затрат и высокой стоимости оснащения для
ведения технологического процесса. Для определения оптимального
варианта необходимо учитывать взаимосвязь между отдельными опера-
циями технологического процесса (рис. 2 30). Технологический про
цесс, в котором полностью используется формуемость графитоэпок-
сидной ленты, позволяет получить монолитные весьма крупные конст-
рукции. Формуемость дает особое преимущество при изготовлении
суперкритического крыла, так как позволяет изготовлять за одну
технологическую операцию как обшивку, так и наплыв на носке крыла.
Обшивку крыла из ПКМ можно выполнять двойной кривизны,
соответствующей профилю крыла, путем накладки в гипсовых пресс-
формах или в пресс-формах из ПКМ. Это дает значительную экономию
Опыт показывает, что оборудование для изготовления конструк-
ций из ПКМ стоит дешевле, чем оборудование для изготовления ана-
логичных конструкций из алюминиевых сплавов Большую часть ос-
настки для изготовления деталей из ПКМ можно выполнять также из
90
Рис 2.30. Схема техноло! ичсского процесса изготовления клеевого узла
ПКМ, что сказывается на стоимости изделий и сроках технологической
подготовки производства
Не останавливаясь на анализе методов сборки и базирования мето-
дов технологического крепления, перейдем к вопросу формирования
технологических параметров плоских клеевых узлов и возможных
средств механизации технологических операции СЪраничимся рассмот-
рением только тех этапов технологического процесса, которые связаны
с выбором или использованием средств технологического оснащения.
При переходе от жидких клеев, которые наносятся вручную или с
незначительным применением механизированных устройств, к пленоч-
ным клеям или расплавам, нанесение которых автоматизировано произ-
водительность и качество работ резко возросли.
Технологический процесс ТП склеивания является в общем случае
функцией годовой программы выпуска изделии П,, типа производства
91
Тп, вида организации производства Во. вида механизации производст-
ва Вм, метода сборки Мс, метода базирования Mg, метода технологи-
ческого крепления деталей Мт к, типа оборудования 1о и типа сбороч-
ного приспособления Тс.ц:
ТП =/(П,., Тп, Во, Вм, Мс, Мб. М, к. То, Тс |[) (2.17)
Многообразие возможных вариантов технологического процесса
склеивания узлов можно описать, используя теорию графов и множеств
Появление существенных разновидностей технологического процес-
са склеивания узлов связано с изменением Мс, Мб, Мт к, То, Тс п. В свою
очередь, Мс, Мо и т. п. можно представить как технологические опера-
торы Qt, позволяющие реализовать операции технолш ичсского процес-
са и представляющие собой члены множества технологических опера-
торов Q
Q = {<21. Qi... Qn}. (2.18)
Одновременно
Qi ~ aii-ai2‘ 'aim ’
где ац, а,2...а1т — элементы подмножества технологических опера-
торов реализующих соответствующие технологические операции
и формирующих многообразие возможных вариантов процесса склеи-
вания узла.
Согласно уравнению (2.17) ТП можно представить в виде ориенти-
рованного графа G = (Qi, V) (рис. 2.31), вершинами которого служат
элементы а,у подмножества технологических операторов Qj, которые
связаны дугами V.
Сотласно графу внутри каждого подмножества технологических
операторов вершины графов не смежны Смежными могут быть только
вершины ff/CQ,-, при этом дуги графа односторонне ориентированы.
Они исходят из вершины о, и подходят к вершине од.
Если смежны все вершины о, со всеми вершинами од-. то число
всех возможных вариантов технологического процесса склеивания узла
будет равно
I
ТП = П а, , (2 19)
i = 1
где о,- - число элементов подмножества Qj.
Рассмотренный метод описания соотношений между операторами
технологического процесса склеивания узлов положен в основу алго-
ритма реализации технологического решения приведенного па рис 2.29
Каждой вершине 1рафа, приведенного на рис.2 31, однозначно соответст-
вует вполне определенная конечная упорядоченная последовательность
У2
Рис. 2.31. Ориентировочный граф вариантов технологического процесса склеива-
ния клеевого узла
элементов подмножества^- т.е. воможное число вариантов ТП выра-
жается также формулой (2 19)
Рассмотрим три этапа формирования структуры технологического
процесса склеивания узлов.
На первом этапе процесса формирования структуры
технологического процесса склеивания производится набор исходной
информации по существующим и вновь внедряемым технологическим
процессам склеивания узла рассматриваемого класса в отрасли, опреде-
ляются основные технико-экономические показатели, служащие кри-
териями при оценке эффективности вариантов технологического процес-
са. Собранная информация систематизируется в виде, удобном для
решения математической модели на ЭВМ.
На втором этапе согласно разработанной системе осуществ-
ляется синтез возможных вариантов технологического процесса склеи-
вания узла Процесс изготовления узла может быть представлен как
процесс взаимодействия технологических операторов, в результате
93
которого изменяется конструктивный уровень узла. Начальному этану
технологического процесса соответствует нулевой уровень, так как на
этом этапе ни одна из операций сборки узла не реализона.а Таким обра-
зом, технологический процесс есть изменение конструктивного уровня
узла от нулевого до некоторого - уровня, удовлетворяющего условию
" *
ТП = Л Гр = 1. (2. 20)
i — 1
где п — число вариантов технологических процессов; Vj — конструктив-
ный уровень узла на i-м этапе технологического процесса склеивания;
к — определитель качественных показателей узла на i-м конструктивном
уровне.
Представим технологический процесс склеивания узла в виде систе-
мы (упорядоченного множества технологических операторов), состоя-
щей из последовательно соединенных элементов:
пт),
где Х(Т) = [Х1(7^д2(Т), ... , х,м(Т)] - вход системы в заданный момент;
Y(T) = ЬI(Т). Уг(Т)....— выход системы в заданный момент;
Xi.....хт — входные параметры; j’1? ... , у,„ — выходные параметры.
В этой системе (), является подмножеством множества технологи-
ческих операторов Q, реализующих z-й конструктивный уровень узла.
Отметим, что подмножества Qlt Q2.....Qc конечны, так как мы
рассматриваем конечную систему.
Рис. 2.32. Граф разбиения технологических процессов склеивания узла на опера-
ции:
Q — оператор технологический; первый знак индекса обозначает номер техноло-
гической операции, второй — номер технологического процесса
94
Граф, представленный на рис. 2.32, явл'яется графом смежности
технологических процессов, отличающихся применяемыми методами
сборки и типами оборудования.
Формирование структуры технологического процесса склеива-
ния узла может быть осуществлено с помощью булевой матрицы би-
нарных отношений, вводимой в ЭВМ в виде матрицы постоянной ин-
формации.
В качестве примера в табл 2.7 приведена часть булевой матрицы
выбора оборудования для выполнения операции склеивания
Таблица 2.7
all. Oj2. .. ain Элементы высказываний
1 2 3 п
1 0 0 1 0
2 0 1 0 1
3 0 0 1 0
После построения булевой матрицы бинарных отношений произ-
водится вычисление конъюнкции АР, высказываний Р,, Р2. .. , Рт.
Конъюнкция равна I, если технологический оператор отвечает требо-
ваниям реализации г-го технологического процесса. Если оператор не
будет отвечать хотя бы одному требованию, то конъюнкции высказы
ваний равны 0. Последовательность реализации технологического про-
цесса определяется графом смежности
Рассматриваемый технологический процесс склеивания узла явля-
ется линейно упорядоченным мпоговариантным. что видно из графа
разбиения технологических процессов на операции (см. рис. 2 32). Эти
графы задаются соответственно матрицами вида
Г,, г. 2 Г1ш
тп = У 2 I У22 Гзн!
Гн 1 Гн 2 Yn,n .
(2.21)
где Y„m — уровни технологических операций технологического про-
цесса
На третьем этапе формирования структуры технологи
ческою процесса склеивания узлов исключаются заведомо неоптималь-
ные варианты Процесс исключения неоптимальпых технологических
процессов можно выразить формулой
Q] ................ (2.22)
где ($' подмножество заведомо неоптимальпых по приведенным за-
95
тратам на выполнение операций технологических операторов; (?/*?...
..., Qin^ — технологические операции.
Полученные формулы позволили разработать схему выбора вариан-
тов технологического процесса и оснащения, приведенную на рис. 2.33.
Рис. 2.33. Схема выбора вариантов технологического процесса и оснащения
96
2.5. СКЛЕИВАНИЕ СБОРОЧНЫХ УЗЛОВ
В последнее время при конструировании узлов и агрегатов различ-
ных образцов техники определилась тенденция перехода от конструк-
ций, собираемых из большого числа различных деталей с помощью клеп-
ки, к конструкциям с меньшим числом деталей, соединяемых с помо-
щью клея. Клеевые соединения — сравнительно новый вид неподвижных
неразъемных соединений, получивших широкое применение (для изго-
товления режущего инструмента, отделочных элементов интерьера
салонов, кают, для монтажа проводки и деталей электронных устройств,
соединений валов и осей, для восстановления изношенных деталей дви-
гателей внутреннего сгорания и др.). Особенно широкое применение
склеивание получило в последние годы в авиационной и ракетно-косми-
ческой технике для изготовления корпусов ракет, космических кораб-
лей, ракетных двигателей, баков, трубопроводов, агрегатов рулевых
устройств и др. Повышение прочности и соотношения между полезной
и собственной массой по сравнению с другими видами соединений по-
служило основанием для применения склеивания при изготовлении
спутников и космических кораблей. Высокие сопротивления усталости
и прочность клеевого соединения, возможность соединения различных
марок материалов привлекают внимание конструкторов при создании
силовых элементов и агрегатов самолетов, а также деталей и узлов в ра-
кетостроении.
Возможность широкого применения клеев в народном хозяйстве
обеспечивается успехами в химии — созданием смол и других высоко-
эффективных исходных продуктов, а также успехами в разработке
технологии производства клеевых соединений, базирующихся на совер-
шенном оборудовании. Особенности клеевых соединений объясняются
органической природой компонентов клея и спецификой швов.
Склеивание является контролируемым и управляемым технологи-
ческим процессом соединения.
Обобщая отечественный и зарубежный опыт по изготовлению и
эксплуатации клеевых конструкций, можно сформулировать основные
преимущества клеевых соединений:
высокая удельная прочность (клеевые панели могут противостоять
большим сдвигающим силам, чем панели, полученные путем точечной
сварки или клепки);
высокое сопротивление усталости (клеевые конструкции работа-
ют дольше под большим напряжением) ;
отсутствие выступающих элементов крепления (головок закле-
пок. болтов), увеличивающих воздушное сопротивление;
высокое сопротивление напряжению, вызванному звуковыми
вибрациями (некоторые клеевые агрегаты используются для шумо-
глушения);
малая масса;
4. Крысин
97
устойчивость к воздействию различных видов топлив;
отсутствие деформации и сохранение механических свойств, дос-
тигнутых при термообработке;
равномерность распределения напряжений в клеевом шве;
демпфирование колебаний конструкции (высокая амортизирующая
способность клея и его способность к расширению и уплотнению при
повторных нагрузках способствует поглощению напряжений и повыше-
нию сопротивления усталости соединений);
отсутствие электрохимической коррозии благодаря изоляции разно-
родных металлов;
низкая стоимость изготовления;
высокое сопротивление динамическим и знакопеременным нагруз-
кам.
Наряду с этим клеевые соединения и технолотя их изготовления
имеют свои недостатки:
малый диапазон эксплуатационных температур;
незначительное сопротивление отслаиванию и неравномерному
отрыву;
разрушение при механической обработке после склеивания;
значительный объем контрольных операций как в процессе подго-
товки и склеивания, так и после изготовления клеевого узла,
длительное время отверждения клеевых швов;
необходимость получения высоких давлений и температур;
необходимость сложного и дорогого оборудования для горячего
отверждения клеевых швов;
необходимость специальной подготовки поверхности к склеива-
нию;
сложность соединения поверхностей сложной конфигурации;
необходимость учета разности коэффициентов линейного расшире-
ния клея и металла,
склонность к ползучести при длительном приложении больших
статических нагрузок;
чувствительность к радиации,
малая стойкость к воздействию различных рабочих сред;
быстрое старение клея.
Недостатки клеевых соединений могут быть результатом не только
недостатка самого клея, но и следствием недостаточно квалифицирован-
ного конструирования узла, а также неправильного выбора клея. Кле-
евые соединения могут быть использованы в комбинации с точечной
сваркой, заклепочными и болтовыми соединениями
Клеевые соединения по конструктивно-технологическим особен-
ностям можно разделить на две группы: соединения закрытого типа,
т е лист — лист (рис. 2 34, а), и открытого типа, т е многослойные
(рис. 2.34, 6).
На примере конструкции планера самолета Боинг 747 можно убе-
98
6
7
Рис. 2.34. Схемы соединений закрытого (д) и открытого (б) типа:
1 - лист обшивки; 2 — дублер обшивки; 3- профиль стыковой: 4 — заполнитель
сотовый; 5 — клей; 6 - ось шпанюута; 7 - ось стрингера
диться в разнообразии применения клеевых соединений этих групп.
Соединения закрытого типа применяю гея для изготовления обшивоч-
ных элементов фюзеляжа в районе входных дверей, люков и различных
проемов.
Клеевые соединения открытого тина покрывают половину площади
крыла (рис. 2.35).
Широкое применение клеевые соединения открытого типа получи-
ли на самолете Боинг 727, а также на вертолете Боинг Вергол 360. Для
снижения массы пола пассажирского самолета ”Дэш” 7 планируется
изготовить полы из заполнителя номекс и обшивок из эпоксидного
материала, армированного волокном кевлар. Отверждение таких панелей
происходит в течение 1 ч при температуре 120 °C и давлении 0,35 МПа.
4*
99
2
Рис 2.35. Схема применения клеевых соединении иа самолете Боинг 747:
а — соединения закрытого типа, б — соединения открытого типа, 1 — стоперы
дублеры обшивок, стенки нервюр, секция центральная крыла створка главная
шасси; 2 — интерцепторы крыла, капоты гондолы, часть крыла носовая, часть
крыла хвостовая и агрегаты механизации; 3 - стенки нервюр крыла
При замене клепаных соединений клеевыми уменьшается масса
конструкции (рис 2.36) и ее стоимость (рис. 2 37). На рис 2.38 приве-
дены данные об устойчивости к акустическим нагрузкам. В условиях
акустического нагружения клепаное соединение имеет меньшую нара-
ботку по сравнению с клеевым.
На рис 2.39 приведены зависимости скорости распространения
трещины от времени нагружения. В процессе конструкторской разработ-
Рис. 2.36. Зависимость массы т шва от толщины сборочных элементов б;
----- соединения клепаные;-----соединения клеевые
Рис. 2.37. Зависимость стоимости С изготовления соединения от длины I шва:
---- соединения клепаные;------соединения клеевые
100
V
Рис. 2.38. Зависимости наработки соединения Т от интенсивности звука /:
— • — • — соединения клепаные;---------соединения клеевые закрытого типа;
---- конструкция клеевая открытого типа
Рис. 2.39 Зависимости скорости распространения трещины V от времени нагру-
жения Т
----соединение клепаное;--------соединение клеевое
ки клеевого соединения выбирается тип соединения, разрабатывается
технологическая оснастка для изготовления склеиваемых деталей,
метод сборки, порядок выполнения технологических операций склеива-
ния и контроля качества клеевого шва Сборе шые элементы клеевого
узла и агрегата можно классифицировать по конструктивным признакам
и по возникающим в узле статическим нагрузкам. При классификации
по конструктивным признакам сборочные элементы можно подразде-
лить на две группы.
Первая I руппа сборочных элементов включает детали со вспомога-
тельными функциями, прямо не влияющие па прочность, безопасность
и работоспособность агрегата самолета, а создающие условия для равно-
мерного распределения сил, действующих на сборочный узел Вторая
группа сборочных элементов включает детали, прочность которых обус-
ловливает безопасность агрегата самолета
Для склеивания деталей второй группы используются конструкцион-
ные клеи на основе термореактивных полимеров (фенольно-формаль-
дсгидные, модифицированные каучуки, эпоксидные, кремнииоргани-
ческие и др ) Клеи на основе органических и неорганических полимеров
обеспечивают работоспособность клеевых соединений при температурах
более 1000 °C. Керамические клеи обладают высокой прочностью при
высоких температурах и защищают металлы от окисления. Они устой-
чивы к действию теплового удара.
Особенностью техноло1ического процесса склеивания керамически-
ми клеями является одновременная полимеризация клея и термическая
обработка входящих в сборочный узел деталей Склеивание керамически-
ми клеями обходится дешевле пайки вследствие легкости изготовления
клея. Керамические клеи благодаря своим особенностям и в противопо-
ложность припоям не деформируют склеиваемые детали и не вызывают
101
их охрупчивания. Поврежденные детали сборочного узла можно легко
отремонтировать, так как повторный отжиг не разрушает клеевого
соединения.
В клеевых соединениях из алюминиевых сшивов наиболее широ-
кое распространение получили клеи, работоспособные до 200 °C. Эти
соединения нашли применение;
в сложных дублированных конструкциях. Эти конструкции харак-
терны тем, что имеют большую площадь склеивания. К ним можно
отнести дублированные обшивки агрегатов самолета (фюзеляжа,
гондолы, агрегатов управления), стоперы, останавливающие развитие
трещин, различные местные усиления на обшивках;
в конструкциях, у которых обшивки разнесены сотовым заполни-
телем на высоту сотовой ячейки.
Технология нанесения клеев при изготовлении многослойных конст-
рукций, так же как и технология их склеивания, имеет свои особен-
ности.
Клеевые пленки обладают способностью прилипать к поверхностям
склеиваемых деталей в процессе сборки узлов. Клеевые пленки защище-
ны с обеих сторон полиэтиленовой пленкой, которая предохраняет
их от высыхания и загрязнения.
Клеевые пленки, по сравнению с жидкими клеями, имеют следую-
щие преимущества:
обеспечивают более равномерное распределение клеевой компози-
ции по всей склеиваемой поверхности;
исключают возможность применения клеевой композиции не той
марки, так как защитные полиэтиленовые пленки окрашиваются в оп-
ределенные цвета в соответствии с маркой клея;
позволяют более широко внедрять средства механизации (при
раскрое и прикатке к поверхности);
обеспечивают хорошие условия транспортировки и хранения;
обеспечивают высокие санитарно-гигиенические условия выпол-
нения сборочных работ, так как практически не выделяют летучих
веществ.
В связи с указанными преимуществами клеевые пленки получили
широкое применение при изготовлении клеевых соединений. В табл. 2.8
приведены технологические параметры клеевых пленок.
Таблица 2.8
Марка клея Оотр- МПа т. г 8. мм
BSL-312 7.0 280 0.30
R-391/1 7.2 300 0.36
FM-137 7.6 310 0.31
Примечание. Corp — напряжение отрыва; т — масса I м1 пленки; 5 — тол-
щина пленки.
102
В основе процесса образования клеевого шва лежат адгезия, коге-
зия, смачиваемость, растекание. Они характеризуют физико-химичес-
кую сторону «ложною технологического процесса. В настоящее время
существует несколько фундаментальных теорий адгезии. Ранее счита-
лось, что адгезия имеет механический характер Шорн и Шонгорн выдви-
нули адсорбционную теорию, предпосылки которой высказывались
ранее Юнгом, Дюпре Согласно этой теории процесс формирования
связей между адгезивом и субстратом определяется адсорбцией моле-
кул адгезива поверхностью субстрата. Адсорбционные процессы
имеют место при формировании пленки из слоя жидкого клея. При
формировании пленки из полимерных материалов адгезив зависит
от концентрации исходного раствора природы растворителя, молеку-
лярной массы полимера, температуры среды и других факторов.
Для осуществления диффузионных процессов необходимы гермо-
динамическая совместимость, которая сводится к взаимной раствори-
мости адгезива и субстрата, а также подвижности макромолекул полиме-
ров.
В настоящее время находит свое развитие микрореалогическая тео-
рия адгезии. Она объясняет процесс склеивания тем, что в ходе форми-
рования клеевого слоя из расплава происходит заполнение выемов
шероховатой поверхности субстрата, за счет чего увеличивается площадь
фактическою контакта, что приводит к увеличению прочности. Разра-
ботаны также электрическая, химическая теории адгезии.
Сгедует отметить что каждая из существующих теории отражает
лишь одну из сторон сложнейшего процесса адгезии. Очевидно, что в
конкретных теоретических задачах целесообразно рассматривать про-
цесс адгезии как совокупность всех протекающих процессов
В зависимости от свойств применяемого клея, метода его нанесе-
ния и типа соединения на поверхности субстрата может образоваться
клеевая пленка с разными характеристиками. При соединении обшивки
с сотовым заполнителем посредством клея происходит перераспределе-
ние клея. У стенок сотовых ячеек образуются галтели. Образование
клеевых галтелей можно объяснить явлением поверхностного натяжения
клея и подъемом жидкости, при этом с известной степенью точности
можно допустить, что сотовая ячейка представляет собои капилляр
с сечением правильной шестигранной формы.
Капиллярные силы искривляют поверхность жидкости и создают
капиллярное давление. Очевидно, что молекулы жидкости, располо-
женные вблизи границы раздела двух фаз жидкость - газ, находятся
в условиях, отличных от условий внутри жидкости Отличаются и энер-
гии молекул, расположенных вблизи границы, и молекул. находящихся
внутри жидкости. Разность между энергией всех молекул обеих сред,
расположенных вблизи поверхности раздела, и энергией молекул, нахо-
дящихся внутри среды, называется поверхностной энергией. Обычно
ее принято относить к единице площади поверхности, такая величина
103
носит название коэффициента поверхностного натяжения. Существо-
вание поверхностного натяжения заставляет жидкость деформироваться
таким образом, чтобы площадь ее поверхности уменьшилась
Найти форму поверхности жидкости - мениска можно, восполь-
зовавшись формулой Лапласа Галтели могут существовать только
при условии, что угол пересечения свободной поверхности галтели
со стенками сотовой ячейки 0 < — . Отсюда можно найти
6
Рк я
cos—
п
где Lr , - длина границы твердого тела и газа, п — число Iраней сото-
вой ячейки; а — длина стороны сотовой ячейки; о — поверхностное
натяжение; рк - капиллярное давление. Тогда площадь поперечного
сечения капилляра вдали or мениска, приходящаяся на газ.
= -J-/ra2ctg— [tg— sin(_l_0) +
4 пр £ n n
+ sin( — - 0) cos(— + 0) - ( — - в )]
n n n
Имея в виду, что
Рк =
° Р ж. г + < о г ~ ° г т. г
Sr
где — длина границы жидкости и газа; ог - поверхностное натя-
жение твердого тела; ог - поверхностное натяжение газа получим
Ж Г + I .fCOSO
р =а------------------------
Sr
(2 24)
Используя формулу (2.24), можно найти капиллярное давление
Зная его. можно рассчитать и теоретическую высоту подъема жидкости
в капилляре с любой формой сечения:
//теор = Рк/(РжО; (2.25)
где Ягсор — теоретическая высота подъема жидкости в капилляре
рж - плотность жидкости, £ — гравитационная постоянная.
Формула (2.25) позволяет определить теоретическую высоту гал-
<ели Практическая высота галтели, очевидно, отличается ввиду по-
грешностей, связанных прежде всего с ходом технологического нро-
104
цесса. Их можно оценить путем сравнения теоретической и практичес-
кой высоты галтели. Последнюю можно получить путем измерения.
Нри выводе формул (2.23) ....(2.25) приняты некоторые допущения.
В частности, предположено, что сотовая ячейка является капилляром
с шестигранной формой сечения. При расчете по формулам (2.23) .
(2.25) могут возникать погрешности, так как в процессе производст-
ва капилляр сверху прикрывается обшивкой, появляется давление и
стенки сотовых ячеек деформируются.
Внутри капилляров сложных форм в газовой среде сохраняется
некоторое количество смачивающей жидкости, образуются своеобраз-
ные клеевые галтели, постепенно переходящие в мениск.
Найти капиллярное давление, параметры галтелей можно с помощью
следующих соображении Если допустить, что под действием перепада
давлений жидкость в капилляре опускается, то при этом образуются
дополнительные поверхности раздела твердое тело — газ и жидкость
газ, а площадь поверхности твердое тело (стенка сотовой ячейки)
жидкость убывает Такое явление наблюдается при отверждении клея
в сотовой ячейке Поверхностная энергия твердого тела увеличивается
Допустив, что мениск передвинулся на расстояние Дх, а форма его
осталась прежней, можно записать, что перепад давлений равен Др
а газ совершил некоторую работу
Д=Др5'1.Дх (2.26)
Клеевые галтели обусловливают отличие площади Sr от площади
сечения всего капилляра Газ в сечении с площадью Sr граничит в одних
местах с твердым телом, а в других - с жидкостью (рис. 2.40). Для
определения длины границы жидкости и газа можпозаписать
г ~ чЬдв (2.27)
где IАВ - длина дуги АВ
Но из физики известно, чго
2 о cos б
Рк =--------- ’
г
где г — радиус сечения капилляра.
Рис. 2.40. Поперечное сечение сотовой
ячейки:
а - длина стороны сотовой ячейки
(2.28)
105
Тогда
Lab - 2г(тт/н - 0);
I — -ni/nln - 0).
1 РК
Поскольку радиус кривизны поверхности галтели R определяется
формулой
R = |1 + (/Г)2]*2///" . (2.29)
го условие равновесия приводится к виду
Izja2 =//"/[ 1 + (/Г)2]3'2 , (2 30)
где //’ — высота галтели при л* = 0: Н" — высота галтели при .v > 0
(рис. 2.41) ; z — высота мениска
Рис. 2.41. Сечение клеевой галтеля:
1 - заполнитель сотовый; 2 - гал-
тель; 3 - обшивка
Граничные условия имеют вид при х = 0 Н — при х > 0
Н"~>0
Решение уравнений (2.29) и (2.30) определяет форму поверхности
у стенок сотовых ячеек
v д , (х/2 - V1 + sin0)| 1 + Vl - Я2/(2д2)|
7 П V» + sin0)( 1 - V1 - //2/(2п2)1
+ 0(1 + sinO - х/2 - Н2!аг).
Высота подъема клея у стенки сотовой ячейки
II -а\Г\ sin0.
(2 31)
Изменение структуры клея оказывает значительное влияние на
параметры клеевых галтелей. В табл. 2.9 приведены средние значения
параметров клеевых галтелей для клеев различных марок.
106
Таблица 2.9
Марка клея Вакуумный мешок Автоклав
Н, мм Ар, мм //. мм Kr, мм
ВК-24 1.051 1.5 0.95 1,2
ВК-31 0.79 1.36 0,59 1.4
ВК-31Т 0,64 1.59 0.6 1.39
В К-41 0.51 1.42 0.47 1,35
BSL-312 0.69 2.07 0.59 1 61
R-391 0.86 1.54 0.8 1.5
Для выявления влияния давления и температуры на процесс формо-
образования клеевого слоя проводилось исследование на образцах
в автоклаве и в вакуумном мешке, Поэтому способность клея к расте-
канию является очень важной технологической характеристикой
Количественную оценку этого явления можно дать с помощью
коэффициента растекаемости Л. который определяется из соотношения
100 (2 32)
So
где Sj — площадь сечения образца из клеевой пленки после его термоста-
тировапия В вакуумном мешке или автоклаве; So — начальная площадь
сечения образца.
В ходе испытаний необходимо фиксировать равномерность толщины
клеевой пленки. В табл. 2.10 приведены параметры для наиболее рас-
пространенных марок зарубежных клеев.
Следует отметить повышенную склонность отечественных клеев
к растеканию по сравнению с зарубежными клеями. Растекание может
привести к нарушению целостности клеевого шва образованию микро-
пор, трещин При проектировании технологического процесса необходимо
учитывать, что склеивание в автоклаве приводит к увеличению значе-
ний К.
Таблица 2.(0
Марка клея Начальная толщина слоя клея мм Нарампры после испытаний
5В мм 6а. мм 5'в. мм2 5Га. мм2
BSL-312 0.30 0.196 0.03 2600 3000
R-39I/1 0.37 0.307 0.028 1046 1097
ГМ-1 37 0.31 0 281 0.029 1033 1175
Г1 р и м с ч а и и с. бн - толщина образца после испытания в вакуумном мешке;
6а - толщина образца после испытания в автоклаве; - площадь образца после
испы тания в вакуумном мешке; Sa - площадьобразца после испытаний в автоклаве.
107
На склонность клея к растеканию можно воздействовать физико-
химическими и технологическими методами.
К первой группе методов можно отнести изменение химической
структуры клея, введение специальных добавок, примесей и т.д., ко
второй группе — методы, не изменяющие клея, но создающие определен-
ные условия для улучшения ее показателей.
Подбор специальных режимов склеивания (давления, температу-
ры, скорости их изменения), нанесение специального подслоя, увели-
чение толщины клеевого слоя, введение армирующего материала спо-
собствует уменьшению растекаемости клея. В качестве армирующего
материала можно применять механические (порошки, волокна, ткани)»
химические и химико-механические наполнители. Можно показать,
как влияет введение того или иного армирующего материала на расте-
каемость и прочность многослойных конструкций с сотовым заполни-
телем. В качестве армирующего материала можно использовать:
найлон отечественного производства;
найлоновую разреженную ткань;
волокнистую ткань.
В табл. 2.11 приведены результаты исследований, которые показы-
вают, что армирование клеев, обладающих повышенной растекаемостыо.
улучшает физико-химические характеристики, вызывая при этом изме-
нение их прочности.
Следует учитывать, что армирование может привести к некоторому
увеличению массы изделия. Поэтому целесообразность проведения по-
добных мероприятий должна определяться эксплуатационными усло-
виями (высокой температурой, повышенной влажностью и т.д.).
Многослойные конструкции с сотовым заполнителем можно клас-
сифицировать, как показано на рис. 2.42. Многослойные звукопог-
лощающие конструкции с сотовым заполнителем используются для
снижения уровня шума в окружающей среде и в кабине при работе
двигателей и систем.
Шум, проникающий в оружающую среду, можно снизить введением
Таблица 2.11
Параметры Клей ВК-31
нсармировап- ный армирован- ный найло- ном армирован- ный найло- новой раз- реженной тканью армированный волокнистой тканью
Коэффициент расте- каемости. % 316 60 31 41
Напряжение отрыва 5,3 5.8 4.7 4.2
^отр МПа
108
Рис. 2.42. Классификация многослойных конструкций с сотовым заполнителем
перфорации в многослойные конструкции воздухозаборных каналов
реактивных двигателей.
Для снижения шума современных самолетов используются шумо-
поглощающие конструкции, устанавливаемые в гондолах двигателей.
Разработана шумоиоглощающая конструкция с сотовым заполни
телем, состоящая из двух облицовочных слоев, один из которых явля
ется перфорированным, а друюй — сплошным. В каждую сотовую
ячейку помещена пластинка из материала с высоким акустическим
сопротивлением, разделяющая ячейку на две ячейки, совокупность
которых представляет собой двойной резонатор Гельмгольца.
Используется многослойная панель с сотовым заполнителем, кото-
рая выполняет роль несущей обшивки и служит низкочастотным шумо-
поглощающим устройством. Панель состоит из трех листов и двух
пакетов сотового заполнителя разной высоты.
Расстояние между листами подбирается в соответствии с конструк-
тивными параметрами панели и необходимой степенью шумопоглоще
ния. Промежутки между листами, заполненные сотовыми ячейками,
образуют два объема (верхний меньше нижнего), сообщающихся между
собой, в которых происходит последовательное снижение частот звуко-
вых колебаний
В США разработана также конструкция шумопоглощающей панели
самолета с сотовым заполнителем малой плотности В конструкции
этой панели стенки сотовых ячеек расположены не вертикально, а под
острым углом к обшивке и приклеиваются к ней клеем, пластически
деформирующимся при сборке
Фирма ”Сиба-Гейги” освоила серийный выпуск 70 типоразмеров
клеевых криволинейных панелей с сотовым наполнителем.
Фирма ’’Роллс-Ройс” для самолета L-I011 фирмы ’’Локхид” изго-
товляет звукопоглощающие резонансные панели, состоящие из перфо
109
рированного листа, армированной стеклопластиковой обшивки и сото-
вого заполнителя из фольги с противокоррозионным покрытием.
В конструкции предусмотрено несмачиваемое покрытие как средство
осушения внутренней поверхности обшивки.
В США разработана конструкция 2-частотной резонансной акусти-
ческой панели, предназначенной для обшивки внутренней поверхности
наружного кольцевого канала воздухозаборника. Панель выполнена
из двух перфорированных листов с множеством отверстий диаметром
1,27 мм для обеспечения естественного удаления влаги Предусмотрена
конструкция сотовых ячеек двух вариантов: с четырехгранным ромбо-
видным сечением и с шестигранным сечением.
В США по программе малошумного двигателя для изготовления
воздухозаборника с шумопоглощающими устройствами используются
ПКМ. Шумопоглощающие панели воздухозаборника состоят из алюми-
ниевых сотовых ячеек, а обшивки — из ПКМ — полиарамидного волокна,
пропитанного эпоксидной смолой.
Воздухозаборные каналы двигателей для Ил-86 выполнены из
многослойных панелей с перфорированной обшивкой из сплава Д19.
сотового заполнителя — стеклоткани.
На рис. 2.43 показан многослойный воздухозаборный канал с со-
товым заполнителем самолета Ил-86, у которого для снижения уровня
шума, генерируемого двигателем, внутренняя обшивка облицована
перфорированным материалом. Геометрические параметры перфора-
ции - диаметр отверстий, их расположение в обшивках — определяются
диапазоном звуковых частот воздухозаборного канала Сотовый запол-
нитель может быть стеклянным тканым, стеклянным клеевым и из поли-
мерной бумаги. Результаты испытаний образцов шумопоглощающих
конструкций с применением сотового заполнителя различных марок
после пребывания их в условиях высокой влажности в течение 30 сут
приведены в табл 2.12.
Рис. 2.43. Многослойный воздухозаборный канал с сотовым заполнителем
110
I з б л и ц а 2.12
Сотовый наполни- тель Предел прочности при сжатии. МПа Плот- ность. кг/мэ
при температуре. °C после термо стати ро- вания при температу- ре 120 °C в течение 500 ч и выдержке при температуре. ° С после выдержки в течение 30 сут при влажности 98 % и гемнерату- pc. С
20 120 20 120 20 120
Стеклосоты 1.8 1.6 1.6 1.6 1.5 1.2 50
Соты из по- 1.2 0.8 0.8 0.7 1.1 0.7 35
лимерной
бу маш
Из приведенных данных видно, что стабильный предел прочности
при относительно невысокой плотности имеет сотовый заполнитель
из стеклосот. поэтому он и используется для изготовления каналов
111умопогло1паю1цих конструкций.
Уменьшение шума в каналах со звукопоглощающей конструкцией
происходит из-за тою, что звуковые волны теряют часть энергии сразу
же при проходе через перфорированные обшивки, а затем, пройдя сото-
вые ячейки (резонаторные камеры), еще более рассеиваются и гасятся
в замкнутых лабиринтах между обшивками. Наиболее сложным момен-
том в создании шумопоглошаюших конструкций из ПКМ методом
намотки является перфорация внутренней обшивки с обеспечением
5 8 7 6
Рис. 2.44. Типовая шумопоглощающая многослойная конструкция с сотовым
заполнителем:
1 — пленка; 2 — стеклотекстолит; 3 — ткань капроновая; 4 - препрег-сетка; 5 -
заполнитель сотовый из полимерной бумаги; 6 - наполнитель волокнистый; 7 -
клей; 8 - препрсг-ткапь; Л - высота сотовой ячейки; d - диаметр отверстия
перфорации; h\,ht - шаги перфорации
111
100 % открытых отверстий. Столько открытых отверстии не удается
получить в металлических клеевых шумопоглошаюших конструкциях,
где около 30 % отверстий закрываются при растекании клея, что при-
водит к снижению эффективности шумопоглощающих конструкций.
Уровень шума в пассажирских салонах и пилотской кабине могут
снизить шумопоглощающие конструкции, приведенные на рис. 2.44.
На рис. 2.45 представлены графики изменения коэффициентов
Рис. 2.45. Графики изменения коэффициента шумопоглощения А многослойной
конструкции при изменении частоты шума /:
-------конструкция с перфорированными многослойными панелями; - —
конструкция с неперфорированными многослойными панелями; - • - • - конст-
рукции с алюмипипопластовыми панелями
Рис. 2.46. График изменения коэффициента шумопоглощения К многослойной
панели при изменении длины стороны сотовой ячейки а
шумопоглощения конструкции с панелями интерьера различных типов,
наиболее часто применяемых в современных самолетах. Преимущество
конструкции с перфорированными сотовыми панелями очевидно. Иссле-
дования показали, что для панелей подобного типа площадь, занимае-
мая отверстиями, должна составлять 3...6 % от площади панели, диаметр
отверстия равен 0.8.. 1,0 мм. шаг перфорации 4...7 мм. Увеличение
диаметра отверстии и расстояния между ними при сохранении площади,
занимаемой отверстиями, снижает коэффициент шумопоглощения.
Зависимость коэффициента шумопоглощения многослойной панели
от длины стороны сотовой ячейки при прочих одинаковых параметрах
приведена на рис. 2.46. Оптимальная длина стороны сотовой ячейки
составляет 3 .5 мм. Коэффициент шумопоглощения связан также с
высотой сотовых ячеек. Оптимальная высота сотовой ячейки 7...10 мм.
Некоторой) увеличения коэффициента шумопоглощения многослой-
ных панелей на низких частотах можно добиться путем заполнения
сотовых ячеек стекловолокном
Шум в кабине экипажа и в пассажирских салонах является о дим из
основных факторов, определяющих условия жизнедеятельности экипажа
и комфорт пассажиров. Особо важное значение этот фактор приобре-
тает при создании широкофюзеляжных самолетов, которые принимают
на борт сотни пассажиров.
112
Некоторые многослойные шумопоглошающие конструкции в про-
цессе эксплуатации находятся в сложных условиях нагружения и испы-
тывают высокие акустические нагрузки, климатическое воздействие.
К ним предъявляются высокие требования по прочности и гладкости
поверхности. Многослойные шумоноглощаютис конструкции создают
условия комфорта пассажирского салона, выполняя одновременно
функции элементов, повышающих жесткость и прочность самолета.
Общими требованиями, предъявляемыми к этим конструкциям,
являются: высокое качество внешней поверхности, минимальная масса
и минимальные затраты труда на их изготовление.
Отличительными особенностями шумопоглощающих конструкций
являются марки применяемого для их изготовления материала, а также
наличие пористого материала в сотовой ячейке. Соединение обшивок с
сотовым заполнителем в шумопоглощаюших панелях из алюминиевых
сплавов производится с использованием клеевых пленок или расплавов,
а в панелях из неметаллических материалов — с использованием жидких
клеев и препрегов.
Лля увеличения полезной площади и уменьшения массы конструк-
ции самолета Ил-86 широко используются клеевые многослойные кон-
струкции с сотовым заполнителем.
Переход к сотовым конструкциям панелей интерьера потребовал
решения материаловедческих задач, связанных с обеспечением пожаро-
безопасности, шумопоглощения. упрощением технологии ремонта.
Элементы интерьера можно разделить на следующие группы:
1. Трехслойпые сотовые силовые панели, к которым относятся
панели иола верхней и нижней палубы, лестницы, декоративные панели
ограждений, перегородок, стоек, буфета и др.
2. Трехслойные сотовые нёсиловые панели диафграм, фальшборта,
карнизов, различных обшивок, а также панели интерьера, выполненные
в шумопоглощаюшем варианте.
3. Трехслойные панели двойной кривизны и панели сложных форм —
потолочные купола, окантовки дверных рам, контурные панели и др.
Многослойные панели интерьера можно изготовлять двумя метода-
ми: клеевым и бссклеевым (препреговым).
Клеевой метод применяется для изготовления силовых много-
слойных панелей с сотовым заполнителем — панелей пола верхней и
нижней палубы (рис. 2.47). Эти панели представляют собой трехслой-
ную конструкцию, в которой верхней обшивкой является стеклопласт,
нижней — углепластик, а сотовым заполнителем — полиамидная бумага.
Соединение в панели обеспечивается пленочным клеем, заделка панелей
по периметру — самовулканизирующейся пастой. Склеивание обшивок
с сотовым заполнителем производится клеевой пленкой при автоклав-
ном формовании (р = 0,08 МПа и t = 175 °C).
При изготовлении панелей одинарной и двойной кривизны необ-
ходимо предварительное формование сотового заполнителя. Имеется
три вида процесса формования:
113
7 — клей; 8 - препрег из углепластика;
9 - бумага с рифленой поверхностью
1. Формование при t = 300 320 °C.
2. Формование с термофиксацией. В этом случае сотовый запол-
нитель на формообразование подается в полимеризованном состоя-
нии.
3. Формование сотового заполнителя в полуполимеризовапном сос-
тоянии с последующей окончательной полимеризацией.
4. Формование с применением термогена или пистолета для сварки
пластмасс. Термоген состоит из вентилятора для подачи воздуха, нагре-
вательного электрического элемента и выходного сопла. Воздух, нагне-
таемый вентилятором, проходя через нагревательный элемент, поступает
в сопло. Регулировка температуры в пределах 290...320 °C осуществля-
ли
стся переключателем, имеющим несколько ступеней. Пистолет для
сварки пластмасс работает по аналогичному принципу, с той лишь раз-
ницей, что холодный воздух подается по шлангу от заводской сети
сжатого воздуха.
Технологический процесс формования регулируется скоростью
перемещения сопла или сотового заполнителя, а также расстоянием
между соплом и заполнителем.
Оптимальными режимами формования заполнителя являются:
скорость перемещения термогена или пистолета приблизительно
0,9 м/мин и расстояние от термогена или пистолета до сотового запол-
нителя 5.„7 мм. Уменьшение расстояния приводит к излишним деформа-
циям слоя сотового заполнителя.
Декоративные силовые конструкции представляют собой трехслой-
ную конструкцию с сотовым заполнителем из полиамидной бумаги и
обшивками из стеклотекстолита.
ОбработанньЕ по контуру панели склеиваются декоративной пленкой.
Панели, имеющие перегибы, изготовляются в плоском виде, а затем
в сотовом заполнителе в зоне перегиба на необходимую ширину и
глубину в зависимости от радиуса перегиба фрезеруются пазы. После
этого панель изгибается на требуе-
мый угол, пазы заполняются само-
вулканизирующейся пастой и панель
выдерживается в специальных прис-
пособлениях до полной полимери-
зации пасты (рис. 2.43).
Технологический процесс изго-
товления многослойных панелей кле-
евым методом включает ряд типо-
вых технологических операций, при-
сущих процессу склеивания: подго-
товку поверхности под склеивание,
подготовку клеевой пленки, сборку,
автоклавное формование, контроль
образцов на прочность и на сплош-
ность проклеивания.
Рис. 2.48. Схема изгиба многослойных
панелей из неметаллических материалов
с сотовым заполнителем:
а - паз прямоугольный в сотовом запол-
нителе; б —паз угловой в сотовом запол-
нителе; 1 - паз
115
Бесклеевой (препреговый) метод (см. рис. 2.47, в) применяется
для изготовления трехслойных декоративных несиловых панелей ин-
терьера с обшивками из стеклоткани, пропитанной основой
По этому методу изготовляются панели большей части интерьера
пассажирского салона: боковые, потолочные и др. Панели декоративного
назначения облицовываются отделочной поливинилхлоридном пленкой.
В панелях специального назначения, например в шумопоглощающих
панелях, верхняя обшивка состоит из сетчатого препрега, найлоновой
ткани и стеклотекстолита
Изготовление шумопоглощающих панелей интерьера в клеевом
варианте отличается от изготовления в бесклеевом варианте тем, что
на торцы слоя сотового заполнителя с двух сторон наносится клеевая
пленка. Последовательность нанесения клеевой пленки на торцы слоя
сотового заполнителя состоит в следующем: клеевая пленка уклады-
вается на торцы сотового заполнителя, затем пленка прикалывается
и помещается на одну из плит пресса, имеющую температуру 80 ..85 °C.
После выдержки 1...2 мин слой сотового заполнителя вынимается из
пресса, а клеевая пленка быстро снимается одновременно с двух тор-
цев.
Сборка многослойных шумопоглощающих панелей бесклеевым
методом производится в следующей последовательности:
на подготовленную поверхность оснастки укладываются слои бумаги
требуемого тиснения;
укладывается верхний перфорированный слой стеклотекстолита;
укладывается найлоновая ткань (складки недопустимы);
с сетчатого препрега снимается полиэтиленовая пленка;
сетчатый препрег укладывается на найлоновую ткань;
сотовый заполнитель укладывается на сетчатый препрег;
на сотовый заполнитель укладывается стекловата, а затем слой
препрега после снятия с него разделительной пленки;
на препрег укладывается слой пленки и равномерно прокатывается
вся поверхность панели обрезиненным роликом;
препрег обрезается по периметру;
укладывается слой дренажной ткани;
выклеивается вакуумный мешок и проверяется его герметичность
После склеивания декоративные шумопоглошаюшие панели обра-
батываются по следующему режиму: в вакуумном мешке создастся
давление 0,08 .0,1 МПа и проверяется герметичность После этого мешок
с заготовкой панели помещается в автоклав, создается температура
(110±5) °C и давление 0,06 МПа. В этих условиях мешок выдерживается
в течение 3 ч Затем панель охлаждается в автоклаве под давлением до
температуры 40 °C. Затем сборка вынимается из автоклава и распрес-
совывается. Число перфорированных отверстий с затекшим клеем не
должно превышать 60 % от общего числа отверстий.
Полученные панели покрываются защитным слоем и обрезаются
116
по периметру. Для повышения жесткости панели периметр заполняется
пастой. Из технологического припуска панелей вырезаются образцы
для проведения прочностных испытаний на равномерный отрыв. Резуль-
таты испытаний показали, что при бесклеевом методе изготовления
напряжение отрыва оотр = 0,6... I МПа, а при клеевом - oolp = 1,37...
1,43 МПа, разрушение образцов происходит по сотовому заполнителю
в том и другом случае.
Так как многослойные конструкции с сотовым заполнителем полу-
чают все более широкое применение, занимают сотни квадратных мет
ров на пассажирских самолетах, морских и речных судах, а также в
строительной индустрии, проводится постоянная большая работа по
созданию механизированных средств и автоматизированных поточных
линий для их изготовления.
Эксплуатируется механизированная линия по изготовлению дверей
трехслойной конструкции с заполнителем из крафт-бумаги. Технологи-
ческий процесс изготовления заготовок панелей включает следующие
операции
подготовку заделочных кромок;
нанесение жидкого клея на обшивки;
присоединение к нижней обшивке заделочных кромок с помощью
токов высокой частоты,
сборку дверей (укладку сотового заполнителя и внешней обшив-
ки) ;
загрузку заготовок панелей в накопитель;
склеивание в многоэтажном прессе,
торцовку панелей;
сверление отверстий под установку нетель и замков по программе.
Разработана механизированная линия по изготовлению трехслойных
панелей для судов (обшивка и сотовый заполнитель из стеклоткани),
включающая
установку для обезжиривания обшивок;
вальцы для нанесения клеевых материалов,
накопитель обшивок;
вакуумную установку с манипуляторами загрузки и разгрузки
для склеивания панелей;
станок для обрезки панелей по контуру;
установку для контроля качества склеивания
Линия обеспечивает изготовление панелей размерами 3000X2000 мм
с высотой от 10 до 40 мм. Производительность линии — 17 панелей в
смену.
Па рис. 2 49 приведена схема технологическою механизированного
изготовления плоских заготовок многослойных панелей с сотовым за-
полнителем с последующим раскроем. Оборудование, используемое в
технологическом процессе, лет ко и быстро переналаживается с одного
размера на другой. Для того чтобы уменьшить число переналадок, сос-
117
Рис. 2.49. Схема технологического процесса изготовления плоских заготовок
многослойных панелей с сотовым заполнителем с последующим раскроем
тавлясгся классификатор панелей, предусматривающий iруппирование
панелей по конструктивным особенностям. Подбор панелей по группам
позволяет с минимальным числом переналадок раскраивать обшивки
и клеевую пленку. Классификатор позволяет рационально загрузить
панели в накопитель и более полно использовать площади плит на всех
12 этажах пресса.
2.6. ФОРМОВАНИЕ СБОРОЧНЫХ УЗЛОВ
Технологические процессы формования изделий из модульных
конструкций различны В зависимости or марки материалов, вида полу-
фабриката и габаритных размеров изделия процессы формования можно
разделить на группы.
В первую группу входят технологические процессы вы-
кладки материала и контактного формования с последующим термо-
статированием на форме путем вакуумирования в электропечи, пресс-
камерах или автоклаве Полученный материал в изделии становится
тем плотнее и однороднее, чем выше избыточное давление. Наиболее
высокое давление при формовании (до 15 МПа) можно получить в
автоклавах.
Во вторую группу входят технологические процессы
пропитки в специальной форме с последующим тсрмостатированием.
118
При этих процессах в форме размешается сухой армирующий материал
в виде ткани или рубленого короткого (50 ..70 мм) волокна. Арми-
рующий материал под давлением или в вакууме пропитывается полимер-
ной основой (рис 2.50). Возможно также сочетание вакуумирования с
одновременным нагнетанием под давлением основы, что позволяет уве-
личить скорость и обеспечить высокое качество пропитки армирующего
материала необходимой толщины [15]
Зазор между пуансоном и матрицей должен быть равен
толщине стенок изделия с необходимым допуском. Технологические
процессы второй группы позволяют получить обводы изделия с высокой
точностью, материал высокой плотности и без пор, высокую степень
герметичности изделий. Процессы могут быть механизированными,
что исключит вредное воздействие основы на работающих Недостат-
ком рассматриваемых процессов является дорогостоящая сложная
технологическая оснастка.
Технологические процессы второй группы позволяют изготавли-
вать различные обтекатели, в том числе и сложных форм, законцовки
агрегатов, а также основания и крышки для распределительных устройств.
Вторая группа технологических процессов формования включает
самые распространенные процессы изготовления различных изделий
из неметаллических материалов, как правило, предварительно пропитан-
ных основой и полуполимеризованных (сухой метод). После сборки
изделие подвергается формованию в вакуумном мешке, помешенном
в электрическую печь, автоклав, в пресс-камеру (рис 2.5 1) [ 14].
С помощью технологических процессов второй группы можно
получить различную ориентацию армирующего материала, задаваемую
в зависимости от характера действующих нагрузок. В зависимости от
того, какая поверхность изделия должна быть гладкой, а также от
габаритных размеров изделия, применяются негативные или позитив-
ные формы
5 6 S
Рис. 2.50. Схема устройств для пропитки армирующего материала:
а - пропитка вакуумная; б - пропитка под давлением; 1 - пуансон; 2 - матри-
ца; 3 - наполнитель, 4, 7 - бачки сосновой, 5 - кран запорный; 6 - окно смот-
ровое; 8 - струбцина
119
Давление
Третья группа объединяет технологические процессы на-
I рева и прессования пропитанных фенольной смолой асбестовых хло-
пьев.
Применение армированных пластических материалов для авиацион-
ных конструкций имеет ряд преимуществ. Когда деталь с двойной кри
визной формуется из армированных пластиков, обеспечивается значи-
тельный экономический эффект. При формовании металлического лис-
тового материала его прочность меняется незначительно, тогда как
прочность армированных пластиков может изменяться значительно.
Армированные пластики обладают хорошими электроизоляцион
ними свойствами, вследствие чего они применяются для изготовления
электрических устройств и каналов для кабелей. Хорошие теплоизо
лянионные свойства армированных пластиков позволяют использо-
вать их в производстве воздуховодов.
Друюй особенностью пластиков являются их хорошие акусти-
ческие свойства.
Исходя из геометрии изделий и возможностей производства вы-
кладку по способу выполнения можно разделить на ручную, автомати-
зированную и механизированную
Ручная выкладка применяется для изготовления малогабаритных
изделий и заключается в послойном наборе пакета из заранее раскроен-
120
ных заготовок в соответствии со схемой выкладки. Раскрой заготовок
производится по шаблонам из предварительно пропитанных лент и тка-
ней, прошедших полимеризацию при повышенной температуре. Заго-
товки выкладываются вручную на форму после обработки их поверхнос-
ти адгезивным смазочным материалом или при выкладке между заго-
товками прокладывается разделительная пленка. Для сложных по
конфигурации деталей допускается нахлестка заготовок. После выклад-
ки каждого слоя производится уплотнение пакета обогреваемым роли-
ком через разделительную пленку для удаления воздушных включений
и увеличения сцепления слоев.
В технологический процесс формования входят следующие типовые
технологические операции:
1. Подготовка поверхности формы путем нанесения прогивоадге-
зинного смазочного материала для предотвращения склеивания изделия
с формой.
2 Укладка слоев заготовок из сухой ткани, пропитанной основой.
Число слоев должно обеспечивать нужную толщину изделия.
3. Укладка разделительной ткани для обеспечения отделения ва-
куумного мешка от формы.
4. Укладка эластичной оболочки и герметизирующего жгута, а
также проверка мешка па герметичность.
5 Формование (отверждение основы) при заданных температуре,
давлении и выдержке.
6. Управление процессом отверждения с записью на ленте режима
термостатирования.
7 Демонтаж вакуумного мешка, снятие изделия с формы и передача
на последующие технологические операции обрезку, контроль, испы-
тания, зачистку, грунтовку, окраску и оформление технологического
паспорта.
Форма изготовляется из жестких материалов, обеспечивающих
длительную работу нри температуре 220. .250 °C и давлении до 1.6 МПа.
Форма должна обеспечивать
возможность выкладки пакета изделия и получение технологичес-
ких припусков, позволяющих изготовлять образцы со структурой изде-
лия;
возможность монтажа ограничительной рамки и вакуумного мешка
при обработке технологического пакета;
герметическую поверхность под вакуумным мешком;
получение с высокой точностью формируемого контура;
возможность механической зачистки формы в зоне вакуумного
жгута;
гладкость поверхности изделия.
Для оформления наружной поверхности изделия применяются цула-
ги, которые изготовляются из алюминиевых листов толщинойО 5...1,5 мм
или из листов стеклотекстолита толщиной 0.8...2,5 мм. Для обеспечения
равномерного давления под вакуумным мешком цулаги перфорируются
121
отверстиями диаметром 0,8...! мм с шагом и со смещением между ряда-
ми 10...15 мм.
Ограничительные рамки должны быть металлическими или стекло-
текстолитовыми. Конфигурация и высота ограничительной рамки выби-
раются в соответствии с размерами изделия Зазор между внутренним
контуром ограничительной рамки и заготовкой не должен превышать
2 мм. Для вакуумирования при сборке технологических пакетов реко-
мендуется использовать вакуумные трубки, изготовленные из мягких
материалов. Вакуумная трубка перфорируется по всей длине с шагом
10... 12 мм отверстиями диаметром 1...4 мм.
Подготовка оснастки к формованию заключается в следующем:
очищается от загрязнений ножами или скребками, изготовленными
из мягких металлов, форма,
обезжириваются бензином или ацетоном поверхности;
наносятся во взаимно перпендикулярных направлениях два слоя
раствора противоадгезионного смазочного материала в бензине. Каждым
слой просушивается на воздухе не менее 15 мин Термообработка сма-
зочного материала производится при t = (220±5)°С в течение 2 ч.
При формовании деталей толщиной более 2 мм для обеспечения
равномерного отбора летучих веществ и создания равномерного давле-
ния под вакуумным мешком рекомендуется применять технологические
материалы. Термопары, по сигналам которых регулируется режим тер-
мостатирования, размещаются непосредственно на технологическом
припуске. На изделии должно быть не менее двух термопар. Концы
термопар выводятся через швы вакуумного мешка перед их окончатель-
ной склейкой и закрепляются термостойкой липкой лентой.
Перед началом автоклавного формования осматривается автоклав,
его приборы и пневмосистема. Необходимо убедиться в наличии зазем*
ления, исправности корпуса, крышки и предохранительных устройств
автоклава.
Технологический пакет на форме помещается на автоклавную
тележку и соединяется вакуумными трубками с вакуумной системой.
Герметичность вакуумного мешка проверяется по снижению давления
в нем. Допускается изменение вакуума в системе при отключенном
вакуумном насосе с 0,07 до 0,06 МПа в течение 3 мин. Крышка автокла-
ва закрывается при включенном вакуум-насосе.
Последующая проверка на герметичность вакуумного мешка и сис-
темы вакуумирования производится при закрытой крышке автоклава
вначале без повышения давления, а затем при давлении 0,30 МПа После
этого давление сбрасывается и начинается рабочий процесс формования
углепластика-
в вакуумной системе создается давление 0,075 ... 0,085 МПа и начи-
нается увеличение температуры и давления. В течение 20 ... 30 мин дости-
гается температура 80 °C и давление (0 3 ± 0,05) МПа;
вакуум-насос выключается, а система вакуумирования мешков соеди-
няется с атмосферой;
122
продолжается нагрев до температуры ПО °C в течение 10... 15 мин
и при достижении температуры (П0±7) °C обеспечивается давление
формования 0,6 МПа;
продолжается увеличение температуры до 165 °C в течение 20...
30 мин, формуемый материал выдерживается при давлении 0,6 МПа и
температуре (165±5) °C в течение 6 ч. В течение всего процесса разброс
температуры не должен выходить из пределов ±0,5 °C, а разброс давле-
ния не должен превышать 0,025 МПа;
формуемый материал охлаждается до температуры 50 °C со ско-
ростью 0,5...1° мин под давлением не менее 0,25 МПа.
Для правильною ведения технологического процесса необходимо
выполнять контроль:
состояния пакета препрега,
герметичности вакуумного мешка при повышении давления,
скорости увеличения температуры в автоклаве,
времени вакуумирования и времени начала увеличения давления
в автоклаве;
значения и стабильности температуры формования;
значения и стабильности давления;
времени выдержки при температуре и давлении формования;
скорости охлаждения отформованного изделия
К контролю отформованного изделия относятся следующие опера-
ции:
визуальное выявление раковин, отслоений, инородных включений;
измерение шаблонами, калибрами, толщиномерами геомсгрических
размеров изделия,
проверка сплошносги материала детали неразрушаюшими методами;
проверка плотности. пористости, содержания компонентов, проч-
ностных показателей на соответствие чертежу и паспорту па материал;
взвешивание с точностью до 1 %.
При изготовлении крупногабаритных панелей одинарной кривизны,
например панели киля кессона, определилось два способа формования:
матричный и блочный.
Матричным формованием изготовляются панели со стрингерным
набором закрытого типа (рис. 2.52) Процесс формования производится
в следующей последовательности вначале в пресс-форму укладываются
нервюры и стримеры При этом во внутреннюю полость стрингера
закладываются полые резиновые оправки, а сверху накладывается
обшивка и проводится полимеризация с подачей в оправки воздуха под
давлением.
Блочным формованием изготовляются панели со стрингерами Т-об-
разного сечения. Этот способ формования позволяет в большей степени
автоматизировать производство, поскольку укладка стрингеров и полок
нервюр выполняется после намотки на оправки, которые представляют
собой блоки ячеек, ограниченных стрингерами и нервюрами. В этом
123
° A
(Вид выполни)
Рис 252. Панели из углепластика*
а — полученные матричным методом; б - полученные блочным методом, 1 -
нервюра, 2 — оправка резиновая полая 3 — стрингер; 4 — пресс-форма (матри-
ца) ; 5 - обшивка; 6 — клей
случае стенки стрингеров и нервюр получаются непрерывными, что
исключает необходимость их пристыковки (рис. 2.52, б).
Наиболее распространенным способом изготовления конструк-
ций типа стрингер — обшивка является совместное отверждение препрега
из углепластика. Панели с П-образным профилем изготовляются мат-
ричным формованием, при котором в пресс-форму закладываются
предварительно отформованные стрингеры, затем в полость стрингера
укладывается резиновая полая оправка и весь набор накрывается неот-
вержденной обшивкой. При отверждении стрингеров и обшивки в зоне
стрингера внутри резиновой оправки поддерживается повышенное дав-
ление.
Для изготовления панелей блочным формованием оправки могут
быть выполнены из алюминиевых сплавов с высокой точностью.
При блочном методе можно механизировать и автоматизировать
отрезку npenpeia, намотку препрега на оправку, установку оправок
на выложенную обшивку. Эти операции являются основой создания
автоматизированной поточной линии [19]. Для повышения комфорта
пассажирских самолетов необходимо уменьшить шум в пассажирских
салонах. Значительными источниками шума являются трубопроводы
систем кондиционирования и отопления Детали системы кондициони-
рования имеют разнообразную номенклатуру, сложные формы (трубо-
124
проводы, тройники, распределители и др.) и значительную массу. Они
работают при нормальных температурах и изготовляются из алюминие-
вых сплавов Детали системы отопления работают при повышенных
температурах и изготовляются из титановых сплавов, а иногда из кор-
розионно-стойких сталей
Работа трубопроводов из алюминиевых сплавов в условиях перепа-
дов температур и влажности приводит к образованию конденсата и пос-
ледующей коррозии. Попытка создания защитных покрытий, предупреж-
дающих образование коррозии, не всеша позволяет увеличить ресурс
трубопроводных систем. Работы по изготовлению трубопроводов из
алюминиевых сплавов, сплавов титана и коррозионно-стойких сталей
имеют значительную трудоемкость по раскрою, штамповке заготовок,
правке, подштамповке в зонах соединений, сварке и последующей прав-
ке, Все эти технологические операции требуют использования в произ-
водстве рабочих высокой квалификации, изготовления сложной техно-
логи геской оснастки Наиболее трудоемко изготовление трубопроводов
из титановых сплавов. Особо ответственными операциями являются
сварка этих трубопроводов, выполняемая в сварочных камерах с нейт-
ральной средой, а также доведение их до полной герметичности Постоян-
ное увеличение длины трубопроводов и усложнение конфигурации их
элементов привели к значительному увеличению объема ручного труда
и трудоемкости.
Для повышения коррозионно-стойкости трубопроводов, снижения
трудоемкости их изготовления металлические материалы заменяют
на неметаллические.
У нас в стране и за рубежом разработана технология изготовления
из неметаллических материалов трубо про води ых систем для холод-
ного воздуха, работающих при низких давлениях. Трубопроводы из
неметаллических материалов имеют следующие преимущества перед
трубопроводами из алюминиевых сплавов:
высокую устойчивость к воздействию конденсата;
малую трудоемкость изготовления, особенно по медницко-штампо-
вочным работам;
малую долю ручного труда при подгоночных работах;
отсутствие работы по сварке;
малую трудоемкость сборочно-монтажных работ;
высокий уровень взаимозаменяемости;
малую массу;
возможность изготовления сложных форм элементов без увеличе-
ния трудоемкости.
Элементы трубопроводных систем из неметаллических материалов
могут быть изготовлены двумя методами
послойным нанесением стеклоткани на гипсовую оправку с после-
дующим ее разрушением после полимеризации изделия;
центробежным формованием в пресс-форме
125
На рис. 2.53 показана схема применения трубопроводов низкого
давления из неметаллических материалов на самолете Боинг 747. Про-
тяженность трубопровода из неметаллических материалов на этом
самолете составляет несколько сот метров. Трубопроводная система
Рис. 2.53. Схема применения трубопроводов из неметаллических материалов
на самолете Боинг 747
1 - трубопровод
имеет различные диаметры и разделена на отсеки Крепление трубопро-
водов к планеру производится с помощью стандартизованных эле-
ментов, которые в зависимости от нагрузок изготовляются как из алю-
миниевых сплавов, так и из неметаллов Методы изготовления трубопро-
водов послойным нанесением стеклоткани на гипсовую оправку преи-
мущественно используется для изготовления элементов трубопроводных
систем в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Этот метод
характерен относительно высокой трудоемкостью, но значительно
меньшей, чем при изготовлении трубопроводов из алюминиевых спла-
вов, и обеспечивает возможность изготовления сложных отсеков со
множеством разводок трубопроводов разных диаметров
Центробежное формование используется для изготовления полых
деталей неправильной формы и сложных трубопроводных образова-
ний в условиях серийного производства. Цикл изготовления таких
изделий незначительный (5 ..20 мин) .
Послойным нанесением стеклоткани изготовляются крупногаба-
ритные детали и трубопроводы, температура которых может превы-
шать 120 °C. Каждый слой стеклоткани накладывается и натягивается
на оправку таким образом, чтобы исключить пузыри, складки и прови-
сание. Края и швы на последующих слоях накладываются с перекрыти-
ем, чтобы обеспечить уплотненность кромок. Для облегчения формо-
вания, особенно стыков, используются нагревательные элементы
На рис 2.54 показан типовой герметичный участок трубопроводной
системы из неметалличесих материалов, имеющий необходимую проч-
ность Допустимая утечка воздуха 3,3...4 м3/с с 1 м2 поверхности.
Соединение отдельных отсеков трубопроводов производится с исполь-
126
215021.0
Рис. 2.54. Отсек трубопровода из неметаллических материалов
зованием эластичных хомутов, причем торцевые соединения применя-
ются для соединения отдельных секций, а соединения с рифтами при-
меняются для стыковки отдельных участков
Технологический процесс изготовления трубопроводов из неметал-
лических материалов имеет свои особенности и требует решения ряда
вопросов по технологической подготовке производства.
Одним из таких вопросов является ор!анизация участка по изготов-
лению пустотелых гипсовых оправок, которые позволяют производить
выклейку элементов трубопроводов. Изготовлению этих оправок пред-
шествует технологический процесс изготовления разъемных форм ко-
рочек из стеклоткани по болванкам — эталонам Технологический
процесс изготовления трубопроводов из неметаллических материалов
включает ряд самостоятельно действующих технологически» процессов,
взаимосвязь которых приведена на рис. 2 55
Основой увязки размеров и взаимозаменяемости патрубков явля-
ется деревянный эталон, размеры которого соответствуют теоретичес-
ким данным (рис. 2.56) Для удобства изготовления Корочек из стекло-
ткани на эталоне имеется разъем. Соединение половинок осуществляется
с помощью фиксирующих штырей.
В технологический процесс изготовления деталей воздуховодов
системы кондиционирования воздуха из стеклопластика входят ряд
последовательно выполняемых типовых технологических операции-
1 . Входной контроль исходных материалов на соответствие техноло-
гическим условиям.
2 Проверка данных паспорта препрега на соответствие параметрам
технологического процесса (содержание растворимых веществ не менее
127
Рис. 2-55- Схема технологического процесса изготовления трубопроводов из неме-
таллических материалов
93 %, содержание летучих веществ не более 1,5 %, содержание основы
40...45 %, срок хранения не более 15 сут при t = 3...5 °C) .
3 Подготовка металлической оснастки:
приготовление противоадгезионного смазочного материала;
Рис. 236. Эталон для изготовления
корочек.
1 - разъем, 2 - штырь
очистка поверхности металлической оснастки от натеков основы
и загрязнений;
протирка оснастки тампоном, смоченным в бензине;
нанесение тампоном на оснастку двух слоев раствора смазочного
материала во взаимно перпендикулярных направлениях без пропусков;
термообработка оснастки при t = (210± 10) °C в течение (2±0,25) ч.
4, Подготовка гипсовой оправки:
приюговление разделительного смазочною материала (каучука,
бензина, катализатора);
прогирка оправки тампоном, смоченным в бензине;
сушка оправки в течение 20...30 мин;
нанесение двух, слоев разделительного смазочного материала там-
поном без пропусков во взаимно перпендикулярных направлениях;
сушка разделительного смазочного материала при комнатной тем-
пературе в течение 30 мин;
нанесение 30-процентного раствора детского мыла на поверхность
оправки и сушка в течение 30 мин (рис 2.57).
5. Изготовление вакуумных
мешков для формования
раскраивание пленки по раз-
мерам, соответствующим детали
с припуском 200...300 мм на
сторону;
обезжиривание под склейку
кромки оправки на ширину
70.. 100 мм;
Рис. 2.57. Устройство для сушки
оправок:
1 — оправка; 2 — подвеска; 3 — стой-
ка
монтаж штуцера, склеивание мешка с использованием уплотнитель-
ного жгута.
6. Подготовка препрега:
вырезание контура заготовки по шаблонам без снятия разделитель-
ной полиэтиленовой пленки с припуском 10 ..15 мм. При раскрое соблю-
дать направление основы, указанное в шаблонах.
7 Выкладка препрега на оснастке.
снятие с препрега разделительной пленки и последовательная вы-
кладка на соответствующую оснастку с перекрытием 10.. 20 мм и уче-
том направления основы стеклоткани без складок и пузырей (рис. 2.58) ;
удаление ножом излишков препрега.
5 Крысин
129
8. Подготовка препрегового пакета к формованию
нанесение на поверхность собранного пакета разделительной фторо
пластовой или полипропиленовой пленки с образованием складок
не более 15 мм шириной и 200 мм длиной;
расположение на пакете по-
верх разделительной пленки
цулаги и закрепление ее;
размещение на пакете дре-
нажа из стеклоткани и асбесто-
вой ткани и закрепление его;
Рис. 258. Устройство для выкладки
препрега на гипсовую оправку:
1 — оправка гипсовая; 2 — препрег;
3 - стол поворотный
расположение собранного пакета в вакуумном мешке и заклеива-
ние мешка с обеспечением герметизации уплотнительным жгутом.
9. Формование:
соединение штуцера вакуумного мешка с системой контроля давле-
ния и откачка воздуха из вакуумного мешка до давления не более
0,08 МПа;
увеличение температуры до (15О±5) °C со скоростью 5...6°/мин;
выдержка в автоклаве при г = (15О±5) °C в течение (6±О,3) ч;
охлаждение формуемого изделия до (80±5) °C без снижения дав-
ления.
10 Распрессовка:
демонтаж мешка, дренаж цулаги и заготовки;
снятие гипсовой оправки резиновым молотком и размещение изде-
лия в ванне с водой, имеющей температуру (40...70) °C, для удаления
остатков гипса;
сушка изделия при t = (60...80) °C;
механическая обработка, при которой снимаются технологические
припуски и удаляются различного рода наплывы смолы на поверхности.
11. Выходной контроль:
взвешивание детали;
осмотр детали для определения соответствия качества ее поверх-
ности техническим условиям.
Изготовление гипсовой оправки прозводится по технологическому
процессу, включающему ряд типовых операций:
130
Рнс. 2.59. Типовая конструкция прис-
пособления для изготовления гипсовой
оправки для формования трубопровода:
1 — форма корковая; 2 — форма для
заливки гипса; 3 — каркас; 4 — заглуш-
ка; 5 — штуцер для заливки гипсово-
го раствора; 6] — толщина гипсовой
формы, получаемая наслоением
изготовление и сборку формы для заливки гипса (рис. 2.59);
заливку формы гипсовым раствором;
покачивание для получения корковой формы заданной толщины;
разборку формы для заливки гипса и снйтия гипсовой корковой
формы.
Центробежное формование — технологический процесс, обеспечи-
вающий изготовление полых деталей неправильной формы, таких как
трубопроводы кондиционеров воздуха (рис. 2.60). Эти трубопроводы
могут быть изготовлены из огнеупорного поликарбоната, найлона, вы-
сокопрочного полиэтилена. Форма изготовляется методом литья с пос-
ледующей обработкой по эталону будущей детали.
Для повышения производительности труда при формовании пат-
рубков используются трехпозиционные машины. Работы выполняются
в следующей последовательности: на первой позиции выполняется
загрузка и выгрузка; на второй — нагрев и формование трубопровода
из разогретого порошка, превращенного в массу; а на третьей — охлаж-
дение.
Привод формовочной машины осуществляет постоянное вращение
столов вокруг двух осей каждой формы. Машина может работать с
заполненными формами общей массой 750 кг.
Поликарбонатный порошок перед употреблением просушивается
при t = 125° С в течение 25 мин. Засыпка порошка в форму произво-
дится в количестве, необходимом для изготовления заготовки трубо-
5* 131
Рис. 2.60. Схема технологического процесса изготовления трубопроводов методом
центробежного формования
провода, при этом масса трубопровода выдерживается с точностью
до 10%.
Форма нагревается до t = 265° С- Вращение производится таким
образом, чтобы порошок попадал на самую низкую точку в полости
формы По мере увеличения температуры формы порошок постепенно
приплавляется к ее стенкам, создавая пустотелую оболочку Вращение
формы обеспечивает равномерность покрытия поверхности формы
Охлаждение формы производится водой, подводимой к внешней
поверхности. Для уменьшения усадки и увеличения скорости охлаж-
дения можно создавать давление в форме, подавая во внутренние ее
полости азот под повышенным давлением. Поликарбонатные трубопро-
воды, изготовленные центробежным формованием, имеют характер-
ную полупрозрачную блестящую поверхность
Рассмотренные методы изготовления трубопроводов из неметал-
лических материалов позволяют сделать следующие выводы
1 Послойное нанесение стеклоткани на оправку выгодно при изго-
товлении небольших партий, а также при изготовлении деталей сложных
форм.
132
2 . Центробежное формование выгодно при изготовлении больших
партий, а также при изготовлении деталей сложных форм.
При увеличении программы производства трубопроводов методом
послойного нанесения стеклоткани на оправку затраты резко возрас-
тают и этот метод становится нерентабельным.
Заключительной контрольной операцией изготовления трубопро-
водных систем является испытание на герметичность поверхности ее
трубопроводов и установление допустимых пределов уменьшения ее
степени.
Проверка на герметичность патрубков производится в следующей
последовательности:
подбор и установка заглушек со штуцерами для подачи жидкости
или воздуха и для измерения давления;
герметизация торцов и соединительной арматуры;
определение степени герметичности, которое производится с по-
мощью мерной диафрагмы, ротаметров, а также мензурок, в которые
поступает воздух, вытесненный из патрубков в местах утечек. Степень
герметичности определяется при давлениях от 0,02 до 0,22 МПа через
каждые 0,05 МПа и температуре 20° С. Места утечки определяются в
ванне с водой;
определение максимальных деформаций патрубков, распредели-
телей воздуха, которое производится при давлении 0,02 МПа в точках,
указанных в чертежах. Деформация определяется либо кронциркулем,
либо индикатором;
демонтаж испытательной оснастки и оформление паспорта.
В последние годы для изготовления изделий сложных форм с
поверхностью переменной кривизны используются рубленые волокна.
Такие формы трудно, если вообще возможно, получить формованием
непрерывных волокон. Для того чтобы армирующие волокна дали
максимальное упрочнение, их следует вводить в ПКМ в процессе его
изготовления без повреждения. Такой результат может быть достигнут
путем высокой степени параллельной ориентации волокон в основе.
Дезориентация, даже сравнительно небольшой части волокон, может
вызвать непропорционально большое уменьшение плотности ПКМ-
Необходима сортировка и ориентация рубленых волокон длиной
0,01 ... 10 мм.
Ориентация волокон осуществляется с помощью фильтрования.
Фильтрование позволяет получить плотные массы с высокой степенью
ориентации волокон, которые затем пропитываются смоляной основой.
Из полученного таким способом препрега можно получить в пресс-форме
различные изделия. Такие препреги особенно хороши для изготовления
трехкамерных изделий. В процессе ориентации волокна сначала измель-
чаются в жидком носителе. Объем измельченных волокон такой, что
они не взаимодействуют между собой в процессе ориентации. Рассеяние
волокон должно быть достаточно стабильным для предотвращения об-
133
разования хлопьев Жидкий носитель, в котором находятся волокна,
постоянно перемешивается. Ориентированные волокна в образовав-
шемся суспензии осаждаются на плоский фильтр При последовательном
осаждении волокон получается препрег, в котором волокна сохраняют
ориентацию, полученную в жидком носителе Затем вакуум-насосом
отсасывается жидкий носитель
На первых двух стадиях технологическою процесса желательно
иметь вязкий носитель, но на третьей стадии предпочтительно иметь
носитель низкой вязкости. В качестве жидкого носителя можно ис-
пользовать глицерин, так как глицерин растворим в воде и характери-
зуется нужной зависимостью вязкости от температуры Разбавленная
смесь волокон и глицерина перекачивается из бака 1 (рис 2 61) в питаю-
щий резервуар 2, в котором создается повышенное давление воздуха
Из питающего резервуара смесь поступает в бак 3, на дне которого
имеется клиновидный разрез. Через этот разрез выдавливается
смесь волокон и глицерина, нри этом бак перемещается возвратно-
поступательно в горизонтальном направлении над фильтром 4 из прово-
лочной сетки Скорость движения бака немного больше скорости выхода
смеси из клиновидного разреза Благодаря этой разнице в скоростях
сохраняется ориентация волокон при их осаждении на фильтр (16].
Неиспользованная часть смеси волокон и глицерина собирается в
резервуары, размещенные на концах фильтра, и подается насосом в
бак 1. Благодаря применению мощного вакуум-насоса и фильтра с низ-
Рис. 2.61. Схема процесса ориентации рубленых волокон с помощью фильтрации
1 - бак для загрузки углеродных волокон с глицерином; 2 - резервуар питаю-
щий; 3 - бак для ориентации волокон; 4 - фильтр с вакуумным отсосом гли-
церина; 5 - волокна углеродные; 6 — насос
134
ким сопротивлением обеспечивается быстрое и почти полное удаление
глицерина из осажденного слоя и его возвращение в смеситель.
Быстрое удаление носителя этим способом уменьшает до мини-
мума дезориентацию волокон из-за поверхностного стока на фильтре
Необходимую толщину препрега получают путем последовательных
проходов бака 3. Препрег состоит из волокон с высокой степенью ориен-
тации (типичным является отклонение более 90% волокон от направ-
ления ориентации в пределах нескольких градусов).
Полученные препреги отличаются высокой плотностью и стабиль-
ностью свойств. Перед пропиткой смолой препреги промываются и
высушиваются. Для изготовления препрегов могут быть использованы
многие термореактивные смолы, такие как эпоксидные и фенольные, в
соответствующем растворителе. Описанным методом могут быть успеш-
но ориентированы волокна асбеста, нитевидные кристаллы карбида
кремния и нитрида кремния, рубленые стекловолокна длиной до 1 см,
а также гомогенные смеси волокон с порошками или другими волок-
нами, включая рубленые полимерные волокна
На рис 2 62 показано сопло ракетного двигателя, изготовленное с
использованием препрега с ориентированными по окружности угле-
родными волокнами. Для изготовления этого препрега смесь волокон
с носителем осаждается на вращающийся фильтр. Волокна в изделии
ориентированы так, чтобы обеспечить оптимальное сопротивление дей-
ствующим на сопло нагрузкам, Два слоя материала сопла изготовлены
с ориентированными рублеными волокнами. В одном из слоев волок
на направлены вдоль оси сопла, а в другом — расположены но окруж
ности. Из препрегов могут быть получены оболочки, конические детали
и другие изделия со сложными криволинейными поверхностями, кото-
рые трудно изготовить из материалов, упрочненных непрерывными
волокнами
При формовании особенно большое значение имеет эластичность
препрега, позволяющая растягивать его по поверхности пресс-формы без
нарушения равномерности распределения и ориентации волокон. В
Рис. 2-62- Сопло ракетного двигателя,
изготовленное из препрега с ориенти-
рованными по окружности волок-
нами:
1 — слой аксиалыю-ориснтированкых
углеродных высокомодульных воло-
кон; 2 — препрег с углеродными
высокопрочными волокнами, ори-
ентированными по окружности; 3 -
слой из углеродных высокопластич-
ных волокон, полученный намоткой;
4 - теплоизоляция
135
общем случае для получения одинакового объемного содержания воло-
кон в ПКМ при упрочнении рублеными волокнами требуется большее
давление, чем при упрочнении непрерывными волокнами. Для каждого
типа волокна существует простая зависимость между давлением и объе-
мным содержанием волокна в ПКМ
При изготовлении небольших изделий получение повышенных
давлений не представляет трудностей. Для более крупных изделий,
очевидно, лучше использовать как можно более низкое давление. Для
этого необходимо, чтобы препреги имели максимально возможную
степень ориентации волокон, если требуется получить ПКМ с большим
объемным содержанием волокна.
Для изготовления непористых деталей давление прессования необ-
ходимо повышать медленно- Давление при отверждении следует прик-
ладывать, когда смола имеет определенную вязкость, т.е. в пределах
нижнего участка кривой изменения вязкости перед желатированием
Рис. 2.63. Кривая изменения вязкости ц
эпоксидной смолы в течение цикла изго-
товления детали:
А - точка минимальной вязкости смолы;
В — точка желатирования смолы
(рис 2 63) Для контроля изменения вязкости разработан простой, но
остроумный метод.
Вязкость смолы снижается до минимума, когда предварительно
пропитанная заготовка нагревается до температуры отверждения. В это
время вязкость быстро возрастает до точки желатирования смолы
часто за короткий промежуток времени (5 с)
Последовательность операций в процессе изготовления деталей
следующая Холодная пресс-форма с предварительно пропитанной заго-
товкой помещается между плитами гидравлического пресса, температу-
ра которых поддерживается равной температуре отверждения смолы
Первичный преобразователь вязкости смолы устанавливается в неболь-
шую внешнюю полость в пресс-форме. Затем устанавливается необходи-
мое контактное давление и начинается нагрев пресс-формы. Когда
смола становится жидкой, прикладывается промежуточное давление и
излишек смолы выжимается в полость пресс-формы. Оптимальный ре-
жим цикла (давление, время выдержки, температура) определяется
типами используемых смол и волокон.
136
2.7. НАМОТКА ИЗДЕЛИЙ
Изделия из ПКМ, форма которых определяется вращением произ-
вольных образующих, могут быть изготовлены намоткой на оправку
соответствующей формы. В качестве ПКМ могут быть использованы
нити, ленты или ткани, пропитанные основой. Когда армирующий ма-
териал укладывается по направлению главных растягивающих напря-
жений, создаются возможности для изготовления оптимальных кон-
струкций (с минимальной массой при заданной прочности).
Методом намотки создаются прочные конструкции при малой
массе, что достигается ориентацией армирующего материала в направ-
лении главных нагрузок Типовыми деталями, изготавляемыми намот-
кой, являются секции трансмиссионного вала вертолетов, баллоны вы-
сокого давления, корпуса двигателей, сопла двигателей, воздуховоды,
каналы двигателей, створки гондол, носовые части гондол, лопасти для
вертолетов, закрылки, отъемные части крыла и др.
Имеются различные методы намотки (рис. 2.64)
а 6
Рис. 2.64. Схема намотки:
а - продольно-поперечной; б — спиральной
Продольн о-п оперечная намотка, при которой на
цилиндрическую или коническую оправку в определенной последова-
тельности наматываются слои предварительно пропитанной ткани. Этот
процесс характеризуется высокой производительностью и высокой
герметичностью полученного изделия, сохраняемой вплоть до его раз-
рушения при испытаниях внутренним давлением. Продольно-попереч-
ная намотка широко применяется для изготовления корпусных и неко-
торых других деталей. Прочность корпусных деталей, выполненных
этим методом, обусловливается видом ткани и типом основы.
Этот метод намотки характеризуется ориентацией пропитанной
ткани по образующим тела вращения (продольная укладка) и в окруж-
ном направлении под углом 90° к оси оправки (поперечная укладка)
Соотношение и общее число продольных и поперечных слоев при намот-
ке выбирается в соответствии с условиями работы изделия [14].
Спиральная или геодезическая намотка осуще-
ствляется путем укладки армирующего материала, пропитанного осно-
вой, по спиральным линиям. Этот вид намотки используется для изго-
137
товления конических отсеков, сосудов высокого давления сферичес-
кой, а также цилиндрической формы с закрытыми торцами, имеющими
отверстия. Существуют разновидности спиральной намотки, например
продольно-спиральная и поперечно-спиральная, которые выбираются в
зависимости от характера нагружения конструкции. В этом случае
материал наматывается на оправку под заданным углом к ее оси, соот-
ветствующим расчетным прочностным характеристикам. Изменить угол
можно увеличением шага или отношения между скоростью перемещения
подвижной каретки и скоростью вращения оправки.
После первого витка лента (нить), наматываемая на оправку, об-
разует спиральную или близкую к ней линию. Второй виток имеет опре-
деленное смещение по отношению к первому Смещение витка зависит
от угла между плоскостью витка и осью оправки, ширины ленты и
габаритных размеров изделия. С помощью соответствующего делитель-
ного устройства промежутки между витками заполняются последую-
щими витками ленты. Если не будет выдержана точность укладки, то
в изделии будет нарушена равномерность распределения армирующего
материала.
Существуют и другие разновидности спиральной намотки плос-
костная, звездообразная, с переменным углом намотки и т.п.
Продольно-поперечная и спиральная намотки могут осуществ-
ляться с применением препрегов, и в этом случае процесс носит наз-
вание ’’сухой” намотки. Перед укладкой препреги проходят через горя-
чие валки либо через нагревательную камеру и в размягченном виде
укладываются на оправку. Намотка армирующими материалами, смо-
ченными основой непосредственно перед укладкой на оправку, носит
название ’’мокрой” намотки Оба эти вида намотки имеют свои преи-
мущества и недостатки, однако все чаще используется сухая намотка,
которая позволяет легче контролировать степень армирования изделия
при намотке и отверждении, более равномерно распределять основу по
толщине стенки изделия, что позволяет обеспечить высокое качество
изделия.
Во многих случаях ПКМ используются в сочетании с легкими запол-
нителями в трехслойных и многослойных конструкциях, например в
обтекателях. В качестве легких заполнителей применяются пенопласты,
сото-пласты, гофр и др. Типовое сечение отсека крыла до намотки
обшивки стеклонитью показано на рис. 2.65. Однонаправленное раз-
мещение стекловолокон во время намотки является желательным,
так как это позволяет достичь максимальной прочности слоистого
материала. Нити наматываются под требуемым углом путем смещения
оси оправки или наклона оправки по отношению к оси намотки. Ориен-
тированный анизотропный материал укладывается по направлению
главных растягивающих напряжений, при этом создаются возможности
для изготовления оптимальных конструкции с минимальной массой при
заданной прочности [13].
138
Например, при изготовлении цилиндрических корпусов ракетных
двигателей, в которых напряжения в кольцевых слоях в два раза пре-
вышают осевые напряжения, в продольном направлении укладываются
в два раза меньше волокон, чем в кольцевом. При этом предел проч-
ности при растяжении в некоторых случаях превышает 6 МПа.
Точность и стабильность размеров изделий, выполненных намоткой,
достаточно высоки Так, разность диаметров сечений не превышает
0,20 мм, а отклонения по толщине стенок составляют ± 0,3 мм.
Рис. 2.65. Схема иамотки отсека крыла:
а — станок с оправкой; б — сечение носка крыла; 1 — оправка наружной обшивки
крыла; 2 — направляющая пилообразная; 3 — стеклонить-ровница; 4 — полка
внутренняя нервюры; 5 — лонжерон, 6 — узел подачи ровницы, 7 — обшивка
внутренняя, 8 - заполнитель сотовый, 9 — два слоя стеклоткани, 10 - три слоя
стеклоткани, 11 - зуб внутренний
139
Требования по технологичности к изделиям, изготавливаемым
намоткой, таковы.
при конструировании изделий следует избегать острых кромок и
острых углов, резких переходов от одной части детали к другой;
следует упрощать поднутрения и выступы на внутренней поверх-
ности изделий, а по возможности их избегать, так как они усложняют
проектирование оснастки для намотки;
для намотки следует использовать разборные оправки, которые
сложны в изготовлении, но их использование позволяет упростить
процесс намотки, а главное — демонтаж намотанных заготовок;
при проектировании изделий нужно стремиться избегать отверстий,
так как они ослабляют конструкции. При оформлении отверстий, если
это возможно по конструкции, отдавать предпочтение ромбической
форме (геометрия ромба определяется утлом намотки) ;
при оформлении круглых отверстий необходимо окантовывать их
края пропитанной стеклотканью,
для увеличения прочности при срезе допускается применение фольги
из коррозионно-стойкой стали или титана,
для изделий, работающих при постоянной температуре не выше
80 С и относительной влажности менее 75 %, рекомендуется фольги-
рование. Толщина фольги должна быть в пределах 0,02 ... 0,05 м;
для изделий, длительно работающих за пределами диапазона
температур ± 25° С, применение фольги не допускается, если нет лакок-
расочного покрытия,
слои фольги следует укладывать между слоями препрега с чередо-
ванием направления ориентации надрезов в каждом слое На поверх-
ности фольги перед выкладкой в пакет заготовок наносится слой основы
ПКМ
Намотка изделий производится на оправках, которые по своим
конструктивным особенностям можно подразделить на следующие
виды:
1. Неразборные металлические оправки, изготавливаемые из одной
заготовки материала с вмонтированной трубчатой осью. Оправки тако-
го вида используются для изготовления цилиндрических и конических
деталей средних размеров с диаметром 500 ... 600 мм. Для демонтажа
деталей с этих оправок изготавливаются специальные устройства.
2. Разборные неразрушаемые и разрушаемые оправки. Неразрушае-
мые оправки изготовляются из металла Они представляют собой ряд
отдельных секций, собранных на продольной оси — основании с исполь-
зованием регулируемых стоек и расчалок. Разборка оправки и снятие
отдельных секций обеспечивает простой демонтаж намотанной детали,
а последующая их сборка обеспечивает быструю подготовку оправки
к намотке следующей детали. Разрушаемые оправки, как правило,
изготавливаются из гипса и обеспечивают разовую намотку детали
Демонтаж намотанных деталей с таких оправок выполняется после
140
разрушения секторов самой оправки- Оправки этого вида изготавлива-
ются для намотки деталей с диаметрами, превышающими 600 мм. Изго-
товление разрушаемых гипсовых оправок производится с применением
специальных форм и оборудования для создания гипсовых элементов
К недостаткам этих оправок можно отнести трудоемкость их изготов-
ления.
3. Резиновые пневмооправки, применяемые для намотки деталей
диаметром до 500 мм Оправки этого вида представляют собой резино-
вую оболочку, в которой для создания формы наматываемого изделия
создается повышенное давление Демонтаж деталей с таких оправок
после намотки трудностей не представляет. Для этого необходимо
понизить давление и вынуть резиновую оболочку через горловину из-
делия. В процессе термостатирования детали, намотанной на такой
оправке, можно, повышая давление в оправке, получить дополнитель-
ную силу прессования
Наибольшее широкое применение для изготовления крупногабарит-
ных деталей в промышленности получили разборные оправки благо-
даря своим технологическим качествам: относительно небольшой трудо-
емкости сборки и быстрой подготовке к намотке деталей, легкости
демонтажа намотанных деталей после полимеризации, малой трудоем-
кости создания вакуумного мешка и надежности его работы при поли-
меризации деталей, простоте обеспечения различных методов и видов
намоток.
По своим конструктивным особенностям разборные оправки можно
разделить на две группы.
1 Оправки цилиндрической и прямоугольной формы, имеющие
прямолинейную ось, совпадающую с осью вращения намоточного станка.
2 . Оправки, имеющие искривленную ось. При использовании этих
оправок разрабатываются специальные устройства для совмещения оси
наматываемых изделий с осью намоточных станков.
На оправках первой группы изготовляются носовые части гондол,
прямолинейные воздухозаборные каналы, корпуса ракетных двигателей,
створки гондол, трубопроводы больших диаметров и др.
На оправках второй группы изготовляются агрегаты управления
полетом, носовые части крыльев и их кессоны, средние части закрылков,
т.е агрегаты некруглого профиля, а также оболочки типа каналовой
поверхности с искривленной осью Естественно, если оправки первой
группы имеют относительно несложную конструкцию и просты в экс-
плуатации, то оправки второй группы имеют сложную конструкцию,
дороги в эксплуатации и требуют дополнительной технологической ос-
настки для их сборки и разборки
Примером разборной оправки первой группы может служить оправ-
ка для намотки носовой части гондолы (рис. 2.66). Эта оправка сос-
тоит из оси и четырех секторов, которые подкрепляются стойками,
опирающимися на ось. Для обеспечения намотки предусмотрены сфери-
141
Рис. 2.66. Оправка для намотки носовой части
гондолы:
1 - ось оправки; 2 - секция оправки; 3 — стойка
опорная; 4 - узел соединения секций оправок;
5 - зона стыка секций; 6 - ось разъема; 7 -
шпангоут; 8 - законцовка; I... IV - сектора
ческие передняя и задняя законцовки. Сборка и демонтаж таких опра-
вок трудностей не представляет. При изготовлении намоткой воздухо-
заборников двигателей с искривленной осью для самолета L-1011, не
являющихся телами вращения, оптимальной служит намотка пропитан-
ной полимерной основой ленты по винтовой линии, перпендикулярной
геометрической оси канала (рис. 2.67).
Намотка оболочек типа поверхностей воздухозаборных каналов
на станках с перемещающимся по программе раскладочным устрой-
ством — сложная кинематическая задача. Необходим расчет траектории
движения исполнительных механизмов станка при намотке поверх-
ностей, состоящих из частей цилиндров и торов, гладко сопряженных
между собой.
Рисунок намотки в этом случае — ломаная линия, участки которой
образуют постоянные углы с осью канала В конструкции оправки
предусмотрены сферические технологические законцовки 3, 4.
Технологический процесс изготовления деталей намоткой состоит
из отдельных самостоятельных процессов: подготовительного процес-
са, подготовки технологического оборудования, намотки, подготовки
намотанного пакета к формированию, термостатирования, демонтажа
заготовки, механической обработки и контроля.
Подготовительный процесс включает составление программ на-
мотки с учетом длины оправки, диаметра торцевых отверстий оправки
Рис. 2.67. Расположение канала воздухозаборника в хвостовок части фюзеляжа
самолетов Л-101 (а), кинематическая схема намотки каналов воздухозаборни-
ка (6) и поверхность какала (в):
1, 2 - осн канала к вращения оправки на станке; 3, 4 - законцовки сферические
оправки
143
и форм ее законцовок. Программа должна обеспечить намотку со
скоростью не более 10 м/мин, а также укладку ленты без нахлестов
с зазором не более 1 мм. Для изделий с толщиной стенки более 3 мм
программа составляется с учетом изменения диаметра при намотке
через каждые 3 мм
Подготовка технологического оборудования включает: проверку
исправности узлов и механизмов намоточного станка, измерение зазо-
ров между лентами, контроль стабильности параметров укладки ленты
на технологической законцовке оправки, очистку поверхности металли-
ческой формы от основы и загрязнений, обезжиривание спирто-ацето-
новой смесью, нанесение двух слоев противоадгезионного смазочного
материала и термообработку при температуре (220 ± 5) ° С
Одним из условий высококачественной намотки является наличие
значительного контактного давления ленты, которое зависит от силы
натяжения В свою очередь, сила натяжения корректируется изменением
диаметра наматываемой заготовки. Эта зависимость выражается следую-
щей формулой*
Г ,
N — — sin а. >
R
где N — контактное давление ленты; Т — сила натяжения ленты при
намотке; R — текущий радиус наматываемого изделия; а — угол на-
мотки.
Прочность изделий, получаемых намоткой лент из ПКМ, в значитель-
ной мере зависит от стабильности силы натяжения ленты Намоточные
станки оснащены натяжителями с дистанционным управлением, сила
натяжения в которых задается от ЧПУ или вручную потенциометром.
На некоторых станках установлены натяжители с электромагнитными
порошковыми тормозными муфтами. Сила натяжения ленты на этих
Рис. 2 68 Схема натяжения ленты
при намотке:
1 — бобина (катушка); 2
муфта тормозная; 3, 4 - ролики
измерительный и нагревательный,
5 - преобразователь индуктивный
первичный; 6 — катушка под
магничивания; Р - угол колеба
пия ленты; Л. В - точки схода
ленты с бобины
144
станках определяется с помощью индуктивного преобразователя и
роликов, огибаемых лентой (рис 2 68)
Сила натяжения задается напряжением, подаваемым на катушку
подмагничивания тормозной муфты. Нестабильность силы натяжения
при этом ± 20% и для ее снижения необходимо вмешательство оператора.
Нестабильность силы натяжения обусловлена изменением диаметра
подающей бобины при смотке ленты и температуры обмотки преоб-
разователя. Изменение температуры обмотки приводит к изменению
ее сопротивления и уменьшению силы тока, а также плотности порошка
в тормозной муфте. Кроме того, в лентотрактс из-за неравномерного
схода клейких лент с бобины возникают высокочастотные колебания
силы натяжения, частота (5 ... 10 Гц) которых соответствует резонанс-
ной частоте лентотракта, определяемой жесткостью ленты и массой бо-
бины
В результате отклеивания слоя, сходящего с бобины, от нижележа-
щих слоев лента периодически меняет свое положение от точки А (нап-
равление касательной) до точки В После отхода ленты от точки В исче-
зает натяжение ленты и тормозная муфта и бобина оказываются разъе-
диненными в течение выборки образовавшейся слабины. К моменту
натяжения скорость движения бобины уменьшается под действием пред-
варительного натяжения, а тормозная муфта немного увеличивает ско-
рость бобины. Разность скоростей бобины и муфты приводит к рывку
с последующими затухающими колебаниями. Амплитуда колебаний
силы натяжения на собственной частоте лентотракта увеличивается
с увеличением скорости сматывания ленты и может достигнуть +30%
уровня силы натяжения
Стабильность силы натяжения можно повысить с помощью систем
стабилизации с обратной связью по силе натяжения. Натяжители с меха-
нической обратной связью стабилизируют силу натяжения в пределах
5%, но не обеспечивают дистанционное программное управление и рабо-
тают в узком фиксированном диапазоне частот.
Электронная система стабилизации силы натяжения, построенная
на основе самопишущею потенциометра поддерживает средний уровень
силы натяжения в пределах 3%.
Тормозные муфты можно описать достаточно точно формулой
для апериодического звена
IV(S) = A'(TS+ 1),
где W — сила натяжения; К — коэффициент; Т = LjR =0,2 .. 0,7 с; A, R—
индуктивность и сопротивление обмотки преобразователя; S — опера-
тор дифференцирования
Электронный стабилизатор силы натяжения позволяет при значи-
тельном демпфировании ленты с помощью индуктивных преобразова-
телей на частоте сети повысить точность поддерживания силы тяжести.
Чтобы предотвратить образование слабины ленты в процессе намот-
145
ки используется лента с повышенной липкостью. Для повышения лип-
кости лент применяется дополнительный нагрев. При остановке процес-
са намотки изделия по каким-либо причинам (обрыв, полное использо-
вание ленты, окончание записи программы, попадание фторопластовой
подложки в намотанные слои и др.) необходимо:
выключить станок и устранить причину, вызвавшую остановку
процесса;
снять с поверхности изделия последний неполный виток пропитан-
ной ленты;
установить в исходное положение механизмы станка;
включить станок и продолжить намотку согласно рисунку намотки.
Намотка прекращается при достижении диаметра D, определяемого
следующией зависимостью:
Я = А'0ПЛ>.
где /Соп — коэффициент опрессовки материала, его значение находится
в пределах 1,01 ... 1,02 при давлении опрессовки 0,6 МПа и в пределах
1,08 ... 1,1 при давлении опрессовки 0,1 МПа; £)0 — заданный с учетом
числа слоев диаметр.
Опрессовка намотанного изделия может осуществляться давлением,
создаваемым:
при автоклавном формовании;
при расширении намоточной оправки;
технологическими устройствами натяжения при намотке.
Для автоклавного формования намоточного изделия устанавли-
ваются цулаги, затем укладываются поочередно целлофановая пер-
форированная пленка, дренажные слои из технологических материалов
и вакуумный мешок. Надежная герметизация как по стыкам слоев, так
и по периметру вакуумного мешка обеспечивается жгутом. При опрес-
совке изделий давлением, создаваемым рабочим телом ио внутреннему
контуру изделия, на наружных поверхностях изделия монтируются
специальные формы для предупреждения деформаций.
Перед сборкой изделия на технологических припусках закрепля-
ются термопары и обеспечивается герметизация их- проводов укладкой
дополнительных слоев жгута.
После опрессовки выполняются следующие операции:
охлаждение изделия и формы до нормальной температуры;
разборка оправки;
съем изделия;
зачистка кромок и передача изделий на механическую обработку.
Механическая обработка производится в соответствии с чертежом
по режимам, указанным в технологии. Оборудование, применяемое для
обработки ПКМ, должно быть оснащено отсасывающими устройствами
для сборки отходов механической обработки. Примерный перечень
оборудования приведен в табл. 2-13.
146
Технологическая операция Обрабатываемые материал, изделие
Резка Угле-, боропластик
Сверление Углепластик и изделие, содержащее углепластик и металлические соты
Боропластик
Развертывание Изделие, содержащее углепластик и металли- ческие сплавы
Зенкование Угле- боропластик
Фрезер ванне
Углепластик
Таблица 2.13
Оборудование Примечание
Заточные станки ручные дисковые пилы Ручные дисковые пилы должны быть оборудованы пылесосом
Фрезерные станки верти- кально-сверлильные стан- ки .ручные ппевмодрели Станки должны иметь прину- дительную подачу 0,01 ... 0,1 мм/мин Дрели должны быть оборудованы пылесосом
Вертикально-сверлильные и фрезерные станки Рекомендуется принудительная подача 0,005 0,03 м/мин
Координатно-расточные и вертикально сверлильные станки Рекомендуется принудительная подача 0.05 ... 0,1 мм/мин
Вертикально-сверлильные и координатно-расточные станки Рекомендуется принудительная подача 0,01 ... 0.05 мм/мин
Фрезерные станки
Обработку боропластика рекомендуется производить алмазно-
абразивным инструментом, а ПКМ - режущим инструментом, приведен-
ным в табл. 2 14.
Таблица 2.14
Операция Обрабатываемые материал Режущий инструмент
Разрезка Угле-, боропластик Алмазный отрезной круг
Сверление Твердосплавное сверло, алмазное перфорированное сверло, алмазная кольцевая коронка
Развертывание — Твердосплавная развертка, сверлильная алмазная раз- вертка
Зенкование _ ’> Специальная алмазная зевков ка. зенковка
Фрезерование ynieiuiacTHK Концевая фреза
В процессе намотки контролируется заданный угол ориентации
армирующего материала относительно оси вращения изделия, который
определяется но формуле
nD
а0 = arctg --,
s„
где D — диаметр изделия, мм; $н — шаг намотки, мм Диаметр D и шаг
намотки s определяются универсальным мерительным инструментом
Контроль изделия после намотки и механической обработки произ-
водится согласно требованиям, заложенным в чертеже. Физико-меха-
нические характеристики детали контролируются по плоским и коль-
цевым контрольным образцам, вырезанным из технологических при-
пусков Результаты контроля заносятся в технологический паспорт
на деталь
Для автоматизации намотки используются различные станки с
программным управлением. В зависимости от габаритных размеров
наматываемого изделия выбирается модель станка и определяется
конструкция оправки Рассмотрим на примере изютовления носовой
части гондолы двигателя разработку технического задания на состав-
ление управляющей программы намотки. По про!рамме рассчитыва-
ются законы движения исполнительных механизмов станка для намотки
носовой части гондолы. Рассчитанный вариант записывается на магнит-
ную ленту, а на автоматизированный центр программного управления
выдается таблица координат, скоростей, углов намотки и дополнитель-
ная информация Принимаем технологические данные
148
скорость намотки 1-го и 2-го слоев 18 м/мин, 3-го слоя и последую-
щих слоев 30 м/мин,
допустимый поворот ленты 10 м,
оправка представляет собой поверхность вращения, ось которой
состоит из нескольких участков дуг окружности и отрезков прямых;
каждая точка поверхности задана двумя координатами координа
той оси, перпендикулярной оси вращения, и координатой оси вращения.
Ось поверхности вращения состоит из трех участков (см рис. 2.66)
1 и участок - дуга окружности радиусом /?1 с центром ,
2-й участок — прямая, проходящая через точки с координатами
В и С;
3-й участок - дуга окружности радиусом R2 с центром О2
Намотка на оправку производится слоями следующих типов:
1-й тип: 1-й участок — рисунок спиральный с торцевым отверстием
диаметром 150 мм; 2-й участок — паксодрома с углом намотки «4 =
— а2 = 30°; 3-й участок — кривая с углом намотки на краях рисунка
а3 =30°.
2 и тип: рисунок спиральный с углом намотки а2 = 45°-
3-и тип: рисунок поперечный а3 =40°
Ширина ленты: для слоя 1-го типа — 12 мм, для слоя 2-го типа
15 мм
Слой 1-го типа имеет заходность, равную 5 или менее с минималь-
ным искажением рисунка.
Слой 2-го типа имеет заходность от 2 до 3 с минимальным искаже-
нием рисунка. Коррекцию следует производить по всей длине рисунка
Начало намотки на левом конце оправки.
2 .8. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ
Расширению области применения и номенклатуры деталей и агре-
гатов, изготовляемых из ПКМ, способствовали успехи, достигнутые в
области конструирования и технологии изготовления, создание специ-
ального оборудования, появление новых марок синтетических смол,
расширяющих ассортимент армирующих материалов, а также стекло-
пластиков с заданными свойствами — полиэфиракрилатов и полизфир-
малеинатов, крсмнийорганичсских смол и олигомеров, на основе кото-
рых созданы термостойкие стеклотекстолиты и стекловолокниты
С разработкой новых марок эпоксидных смол открылись возмож-
ности в создании углепластиков конструкционного назначения. Дчя их
изготовления используются разнообразные основы, отличающиеся
химическим составом стекловолокна (алюмоборосиликатные, алюмо-
магнезиальные, кремнеземные, кварцевые), геометрией волокна
(сплошные, капиллярные, различных диаметров) и структурой.
Па рис. 2.69 приведены графики изменения предела прочности
149
6,.МПа
Годы
Рис. 2.69 График изменения предела прочности при растяжении в и рабочей
температуре t ПКМ с однонаправленной укладкой по годам.
I - ПКМ на основе нитей; 2 - ПКМ иа основе тканей
при растяжении и рабочей температуры ПКМ на основе нитей и тканей.
Па рисунке видна тенденция к заметному повышению эксплуатацион-
ных показателей
В табл. 2.15 приведен перечень конструкций из ПКМ в зарубежных
образцах ЛА
Следует отметить, что стеклопластики, органоволокниты, угле-
и боропластики используются нс только как самостоятельный конструк-
ционный материал, но и в слоистых конструкциях в сочетании с сото-
вым, пенопластовым, трикотажным заполнителями для повышения
жесткости, прочности и ударной вязкости. Эти материалы применяются
в сочетании с углеродными и органическими волокнами
Использование в конструкции ЛА 1 т стеклопластика позволяет
сэкономить 2 ... 3 т металла и 800 . 1000 ч рабочего времени
Фирма "Боинг” разрабатывает изделия из ПКМ и использует в
своих самолетах изделия из ПКМ других фирм Европы. Фирма "Аэри-
талия” создает производственные мощности по изготовлению агрегатов
вз ПКМ, благодаря чему стала одним из крупнейших поставщиков
1S0
Таблица 2.15
Объект
Вертолет Боинг
Вертел 105
Вертолет Сикорский
SH53D
Вертолет Сикорский
ИН-76
Вертолет Сикорский
ИН-53
Самолет Локхид
L-1011
Самолет Боинг 737
Самолет Боинг 747
Самолет Макдонелл-
Дуглас DC 10
Самолет Боинг 707
Де Хэвнллсяд
"Деш" 7
Самолет Лженсрал
Лайнэмнкс Г-15
Космический само-
лет Спсйс шатлл
Самолет
Рокуэлл В-1
Элемент конструкции
Створки батареи, грузовые днери. горизон-
тальные стабилизаторы, щетки управления, опере-
ние, двери кабин ограждения ве-
дущего вала, панели корпуса, обтекатели дви-
гателей и трансмиссий, лонжероны хвостового
винта, обшивки нижней части фюзелижа, панели
пола, боковые панели фюзеляжа, крыши кабины
Хвостовые балки, оперение рамы для остскле-
нсния кабины боковые панели фюзеляжа, энсмси
ты интерьера кабины пилота и салона хвостовые
пилоны, корпуса кабин
Обтекатели, створки, детали горизонтального
стабилизатора
Конструкционные детали
Зализы между крылом и фюзеляжем обтека-
тели различных типов, задние и передние кромки
руля высоты и крыла, панели горизонтального и
вертикального стабилизатора, гондолы двигателя
емкости для воды, различные крышки, трубы,
панели верхней обшивки фюзеляжа, штепсельные
разъемы, приборные панели, створки передних и
основных опор, расчалки шасси, панели киля
элероны, законной кн крыла
Панели стабилизатора, закрылки интерцептор
камеры сгорания двигателя, лопатки ротора, капот
двигателя, сосуды для хранения жидкости и газа
под высоким давлением
Обшивка грузового отсека, сосуды для хранения
жидкости и газа под высоким давлением, агрегаты
механизации крыла, элементы интерьера,пол
Гондолы двигателя, воздуховоды, обтекатели,
стенкн входного и выходного каналов двигателя,
усиления корпуса вентилятора,защитные экраны
для удержания обломков при разрушении деталей
(например, лопаток) работающего двигателя
Панели потолка двойной и одинарной кривизны,
перегородки боковые папспн. кабина нилотов
двери, вентиляционные коробы. обшивка грузо-
вого отсека, полы, трсхслойныс панели с обшив-
ками
Зализы крылз с фюзеляжем, лопатки двигателя
Сосуды для хранения жидкости и газа под вы-
соким давлением, трубопроводы продувки и
слива, топливный бак, сферы для аварийного
спасения человека, перегородки, силовые рас-
чалки в конструкции крыла
Слон в обшивках сотовых панелей передние
лонжероны, передние кромки крылз. передние
створки шасси, предкрылки (рис. 2.70)
151
Рис. 2.70. Места расположения дета-
лей из ПКМ в конструкции сзмолстз
В-1 фирмы ''Рокуэлл"
1 - створка переднего отсека обору-
дования; 2 - лонжерон; 3 - обшив-
ка корневой неподвижной части кры-
ла; 4 - киль; 5 - оперение горизон-
тальное; 6 - крышка люка под хвосто-
вой частью фюзеляжа; 7 - створкн
отеска вооружения; 8 - закрылки;
9 — предкрылки
фирмы ’’Боинг”. Фирма ’’Аэриталия” изготовляет для самолета Боинг
767 киль, руль направления, внутренний и внешний спойлеры секции
элеронов, а также внутренние и внешние секции закрылков. Общая
масса агрегатов из ПКМ иа этом самолете составляет 1534 5 кг. Замена
агрегатов из металлов агрегатами из обычных ПКМ снижает массу
самолета на 567,6 кг. В этом же самолете некоторые металлические
агрегаты заменяются агрегатами из гибридных ПКМ, что дополнитель-
но снижает массу самолета иа 246 кг. Ресурс самолета Боиж 767 должен
составлять 62000 ч Схема применения ПКМ на самолете Боинг 767
приведена на рнс 2.71.
Уменьшение массы самолета Боинг 757 на 544 кг ведет к экономии
около полумиллиона долларов за срок его службы. Масса изделий из
различных материалов, в том числе из ПКМ, приведена па рис 2.72.
Рис 2.71 Места расположения деталей из ПКМ в конструкции самолета Боиш 767
1 - стсики лонжерона; 2, 7 - панели фиксированные задние; 3 — интерцептор
4 - элерон внутренний; $ - законцовкз киля, 6 - руль направления; 8 - руль
высоты; 9 — облицовка грузового отсека; 10 - зализ крыла; II — обтекатель
системы выпуска закрылков, 12 - обшивки верхняя и нижняя крыла, стрингеры;
13 - элерон внешний 14 - обшивка гондолы
Рис. 2.72- График изменения массы т изделий из различных материалов в конст-
рукциях самолетов фирмы Бонит” по годам:
1 - смолы эпоксидные иа основе графитных волокон; 2 Стекловолокно; 3 -
ПКМ гибридный
152
На самолете Боинг 737 установлен стабилизатор, изготовленный из
графитоэпоксидного материала, что снизило массу самолета на 54 кг,
а также смонтированы коробы системы кондиционирования из фиб-
рилона с большим ресурсом. Общая масса деталей из ПКМ, установлен-
ных на самолете Боинг 757, составляет 1516 кг, что обеспечивает спи
жение массы па 675 кг
Свое развитие конструкции из ПКМ получили на самолете MD-100
фирмы "Макдоннелл-Дуглас", у которого масса деталей и агрегатов
составляет приблизительно 6950 кг. Изготовление вертикальных закон-
цовок крыла из ПКМ обеспечивает снижение крейсерского лобового
сопротивления на 2.5 % и экономию тотшива на 5% (рис. 2.73)
Рис. 2.73. Места расположения уст-
ройств из ПКМ на самолете MD-100
фирмы "Макдоислл-Дуглзс":
1 - лол пассажирского салона; 2 -
агрегат механимции крыла; 3
законцовка вертикальная крыла; 4 —
агрегаты горизонтального и верти-
кального управлении; 5 — створка
гондоны двигателя; 7 - зализы
крыла и горизонтального оперения
Фирмой ’’Дженерал Дайнэмикс" для самолета Fill изготовлен
стабилизатор с обшивками из боропластика, заполнителем и лонжеро-
нами из боропластика и стеклопластика, корневой частью, нервюрами,
фитингами шарниров, прокладками для соединений из титана Передача
нагрузки на самолете осуществляется через клеевые соединения.
Обшивки выполнены по схеме армирования 0/±45 с переменным
числом слоев в области шарнира (приблизительно 42 слоя).
Рис. 2.74. Схема использования ПКМ
в конструкции агрегатов самолета
1 18
1 - шпангоут титановый; 2 - угле-
пластик
153
Интересная в конструктивном исполнении заделка разъема крыла
по переднему лонжерону со шпангоутом выполнена на самолете F-18
• (рис. 2.74).
На самолете масса ПКМ достигает 23% от массы самолета. Исполь-
зование ПКМ на этом самолете обеспечивает снижение его массы на
220 кг (рис 275) В конструкции самолета нового поколения для
местных авиалинии ”Деш” 8 также широко используются детали из
ПКМ общей массой 408 кг, что составляет 9,6% от массы самолета
(рис. 2.76)
По мнению специалистов фирмы ’’Эрбас Индастри” важным пока-
зателем качества самолета является отношение массы топлива к массе
самолета. Снижение массы самолета на 10 кг увеличивает дальность
полета на 1,85 км при одинаковых нагрузке, скорости и профиле полета.
Фирмой ВАе были проведены исследования по определению возмож
кости использования в конструкции самолетов ПКМ на основе углерод-
ных волокон, которые по прочностным характеристикам значительно
превышают традиционные металлические сплавы. Например, прочность
углепластиков с однонаправленной укладкой в продольном направлении
Рис 275 Места расположения детален из различных конструкционных материалов
иа самолете AV-8B
1 — часть носовая фюзеляжа; 2 - панель съемная обшивки дня осмотра силовой
установки 3 - обшивка центроплана; 4 — кессон крыла нз углепластика, 5 -
обтекатель подкрыльной стойки шасси. 6 - руль направления; 7 - стабилизатор
8 - щиток, 9 - щиток щели закрылка; 10 - уплотнитель; И - сплавы алюми-
ниевые; | [- Ч^<>',,а эпоксидно-углспластиковой основе; материалы прочие
Рис. 2.76 Места расположения деталей из ПКМ в конструкции самолета "Дэш” 8
1 - обтекатель; 2 - зализ крыла; 3 носок крыла; 4 - триммер элерона; 5 -
гаргрот; 6 - носок вертикального оперения; 7 - носок горизонтального опере-
ния; 8 - обтекатель; 9 - кромка задняя руля нысоты; 10 - триммер руля высо-
ты; 11 - обтекатель хвостовой; 12 - часть задняя обтекателя гондолы двигателя;
13 - створка закрылка; 14 - законцовка крыла; 15 — створка ниши основной
опоры шасси; 16 - воздухозаборник; 17 - створка ниши передней опоры шасси
18 - обшивка носового отсека с радиоэлектронным оборудованием
154
больше в 2,5 . 4 раза, чем прочность металлических легких сплавов, что
в сочетании с меньшей на 40% плотностью обеспечивает больший в
4 ... 6,5 раз предел прочности углепластиков соответственно при сжатии
и растяжении (16] Предел выносливости углепластиков достаточно
высок Предел выносливости применяемых в авиационно-космической
промышленности легких сплавов составляет всего 30% предела проч-
ности при изгибе. Поскольку максимальные действующие напряжения
в полете не превышает 60% предела прочности, то совершенно очевид-
но. что при использовании в конструкции самолетов углепластиков для
обеспечения требуемого ресурса не понадобится введение специальных
запасов прочности и поправок. Проблема обеспечения долговечности
конструкций из ПКМ на углепластиковон основе довольно сложна,
поскольку углепластики в отличие от металлов чувствительны к кон-
центрациям напряжений при статическом нагружении и сравнительно
не чувствительны при циклическом нагружении. Проведенные фирмой
ВАе исследования позволили установить значения допускаемых напря-
жений, используемых для оценки эффективности на стадии проектиро-
вания Исходя из типового спектра нагружения для истребителя и ре-
сурса 4000 летных часов допускаемые напряжения для работающих
на растяжение обшивок из сплавов алюминия н меди принимаются
равными 36,5 Па, а из сплаво > титана алюминия н ванадия - равными
67,0 Па. Углспластнковые конструкции, спроектированные с учетом
отрицательного влияния различных факторов (вариации температуры
и влажности, наличия концентратов напряжений и др.), обеспечивают
необходимый ресурс без принятия дополнительных мер
Изменение прочностных характеристик у углепластиков гораздо
больше, чем у металлов, и поэтому значения допускаемых напряжений
в углепластиковых конструкциях должны быть уменьшены по срав-
нению со средними экспериментальными значениями предела прочнос-
ти при изгибе. Изменение жесткости также больше, чем у металлов, но
не намного.
Основными факторами, вызывающими снижение прочностных
характеристик углепластиков, являются концентрация напряжений
влагопоглошсннс и вариации характеристик. Прочностные характерце
тики углепластиков с однонаправленной укладкой в продольном на-
правлении обычно на один-два порядка больше, чем в поперечном нап-
равлении. А поскольку в реальных условиях элементы конструкции
испытывают сложное нагружение, то для обеспечения необходимой проч-
ности в различных направлениях необходима укладка слоев под опре
деленными углами. В типовых элементах конструкции, например в
обшивке, может быть использована схема укладки, при которой 50 %
слоев ориентированы для восприятия продольной нагрузки, а осталь-
ные слои — для восприятия поперечной, нормальной и касательной наг-
рузок. При такой схеме укладки прочность в продольном направлении
практически вдвое меньше, чем в поперечном.
155
Агрегаты самолетов и вертолетов, которые изготовляются с приме-
нением ПКМ, можно классифицировать по конструктивным и техноло-
гическим особенностям
В первую группу входят агрегаты самолета, целиком изго-
товленные из ПКМ киль, горизонтальное оперение, закрылки, пред-
крылки, вертикальные закоиновки крыла, рули направления, створки
кессоны крыла каналы и др.
В качестве примера можно рассмотреть створку гондолы в самолете
’’Ягуар”, которая работает под сложной системой нагрузок. Створка
образует нижнюю поверхность i хвостовой части фюзеляжа и шарнир
но закреплена по верхней кромке, обеспечивая доступ к двигателям.
Касательные потоки от задней части фюзеляжа передаются на створ-
ку через элементы кре тления на верхней, нижних и передних кромках
(рнс 2.77). Наружная обшивка неразъемная по всей длине створки,
а внутренняя доходит до силового шпангоута крепления двигателей. Для
подкрепления обшивок используется сотовый заполнитель из стеклот-
кани с фенольной основой Устойчивость наружной обшивки за шпан-
гоутом обеспечивается с помощью углепластиковых диафрагм, устанав
ливасмых с помощью механического крепления. Сосредоточенные наг-
рузки от шарнирных узлов навески н крепления передаются на створку
через титановые накладки, приклеенные к кромкам. Использование
титана, имеющег > близкий к углепластикам коэффициент линейного
расширения, позволило минимизировать температурные напряжения
возникающие при склейке и в процессе эксплуатации
Углеиластнковый кессон крыла самолета Ягуар” является одной
из самых сложных и крупногабаритных конструкций из ПКМ Кессон
выполнен по .многолонжеронной схеме с нервюрами и винтовыми сое-
Рис. 2.77. Створка гондолы самолета "Ягуар"-
1 - диафрагма угпс1Ыастиковая. предварительно отформованная; 2 — накладка
приклеенная титановая; 3 - лючок со стскло1и1астиковым заполнителем- 4
обшивка внутренняя; 5 - шпангоут 6, 7 обшивки из Эпоксидно-углсродной
ткани; 8 - заполнитель сотовый
156
динениями Углепластнковые передний и задний лонжероны имеют
С образное сечение, а пять промежуточных лонжеронов имеют квад-
ратное сечение и гофрированные стенки. Узлы крыла самолета "Ягуар’
показаны на рнс 2.78. Схема укладки слоев в обшивках' ±45 с допои
нитедьным подкреплением в виде накладок с однонаправленной ук-
ладкой в зоне слоев лонжеронов. Следовательно, изгибаюший момент
Рис. 2.78. Узлы крыла самолета "Ягуар":
1 носок крыла; 2 - предкрылок- 3 интерцептор внешний; 4 закрылок
внешний; 5 закрылок внутренний; 6 - интерцептор внутренний; 7 — часть
хвостовая крылз; 8 - кессон
воспринимается накладками с однонаправленной укладкой, а касатель-
ные силы - лонжеронами и обшивкой.
Ко второй трупе относятся узды и детали входящие в кон
струкцию агрегатов и изготовленные из металла и ПКМ. Это лонжероны,
панели, шпангоуты нервюры, носовые части агрегатов законцовки
агрегатов, люки и др
К третьей группе относятся интегральные конструкции, в
которых ПКМ выполняют функцию усиливающих злементов агрега
тов самолетов и вертолетов, а также отдельных деталей. В этой группе
основная конструкция выполнена из сплавов алюминия а детали из
ПКМ либо приклеены, либо устанавливаются на болты или заклепки
В третью группу входят панели, работающие на сжатие, с усиливаю-
щими углепластиковыми накладками с однонаправленной укладкой
(рнс. 2 79) Снижение массы панелей при таких накладках значитель-
но. Углепластиковые накладки воспринимают до 50 % нагрузки Сниже-
ние массы может быть уменьшено до 10 % из-за наличия деталей креп
пения и необходимости повысить крутильную жесткость, которая умень-
шается при снижении толщины алюминиевой обшивки при введении
углепластиковой накладки Из-за наклейки подкрепляющих накладок
клеями горячего отверждения возникает проблема снятия остаточных
напряжений требующая разработки специальной оензетки
157
Рис. 2.79. Возможные варианты под-
крепления панели из титанового спла-
ва накладками из углепластика с од-
нонаправленной укладкой.
Щ - накладка; т — масса панели
°сж ~ гtPcncjl прочности при жатин
К четвертой группе относятся модульные конструкции, в
которых узлы из ПКМ представляют собой встроенные конструкции
выполняющие роль силовых элементов К этой группе относятся перед-
ний, средний,задний отсеки фюзеляжа самолета AV-8B, выполненные
в варианте модулей (рис 2.80) В модульных конструкциях применяют
конструкционные материалы — алюминиевые сплавы, титановые сплавы
в комбинации с ПКМ. а также ПКМ с органоволокнитамн углеродными,
борными волокнами.
Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа при создании модуль-
ных конструкций связано с рядом трудностей, обусловленных наличием
воздухозаборников, двигателей, креплением крыла и др. Модульные
конструкции имеют следующие особенности:
слои стенок силовых шпангоутов имеют схему укладки 0/90°1±45а,
подкрепляющие элементы могут быть отформованы монолитными с
обшивкой стенки или выполнены в виде профилен закрытого сечения
соединенных с обшивкой методом полимеризации;
промежуточные шпангоуты и подкрепляющие элементы имеют
С- или 1-образпос сечение и изготовляются из углепластика на основе
ткани;
лонжероны имеют С или 1-образное сечение. Основные слои имеют
схему укладки ±45°. Кроме основных имеются дополнительные
продольные слои, расположенные вдоль лапок и полок Лонжероны
могут быть изготовлены монолитно с обшивкой или методом совмест-
ной полимеризации со стенками;
обшивки изготовляются со стрингерами при схеме укладки
0/90° ±45° или с лонжеронами по схеме укладки ±45°;
створки и эксплуатационные лючки имеют трехслойную конструк-
цию. Они имеют сотовый заполнитель и углепластиковыс обшивки.
Анализ конструкций показал, что если объем элементов фюзеляжа
из углепластиков составляет 40 % от объема элементов из металлов, то
возможно снижение массы конструкции фюзеляжей самолетов на 12 %-
Путем монолитного формирования модульных конструкций и сов-
местной полимеризации уменьшено число элементов конструкции
Рис 2.80. Варианты модульных конструкций фюзеляжа самолета AV-8B:
а - шпангоут с жесткостью; б - шпангоут с полом; в - жесткость; г - часть но-
совая; д - часть средняя; е - воздуховод; ж - крышка; з - каркас из титана и
углепластика; и - каркас с обшивкой хвостовой части
самолета AV-8B с 237 до 88, а число крепежных деталей — с 6460 до 2450.
В модульных конструкциях сотовый заполнитель н металлические
вставки не использовались для повышения местной прочности В процес-
се проектирования конструкций из ПКМ в комбинации с различными
металлами необходимо учитывать их совместимость и возможность
коррозии металлов Так, графитовое волокно само не корродирует.
159
но если влага понадает в место соединения его с алюминием, то нами
нается гальваническая реакция между волокном н алюминием.
Для устранения этого явления алюминиевые детали защищают Для
защиты используются дополнительные втулки или обкладки Алюми
ниевые детали конструкции анодируются. Иногда на алюминиевые
детали наносится защитный слой, осаждающийся из газовой фазы, а
затем они окрашиваются. На углепластиковых элементах в зонах кон-
такта с алюминиевыми деталями укрепляются методом полимеризации
разделительные прокладки из стеклоткани толщинок 0 09 мм, кото
рые выходят за границу контакта иа расстояние 6,35 6,5 мм На кон-
тактирующую поверхность алюминиевых деталей наносится слой поли-
су льфидного компаунда.
Чтобы избежать забот о защите, переходят на крепление из корро-
зионно-стойкой стали или титана, а в некоторых случаях из неметаллов.
В частности, зарубежными фирмами используется крепление из графито-
эпоксидных материалов и кевлара. Примечательно, что детали из ПКМ,
случайно попавшие в двигатель, не причиняют вреда лопаткам.
В табл 2.16 приведены характеристики материалов используемых
в элементах крепления и совместимых с ПКМ
Эффективна замена механического крепления на клеевое.
Клеи в конструкциях из ПКМ обычно используются для соединения
составляющих компонентов многослойных материалов друг с другом,
присоединения этих материалов к металлу для местного усиления или
объединения отдельных металлических вставок, слоев Если металл
вводится в ПКМ в виде прокладок или элементов нахлесточного соеди-
нения, клей нс должен сильно увеличивать толщину, вызывать смещение
слоя несущего нагрузку. Клеи для этих целей наносятся очень тонким
слоем (0,02 . 0,05 мм)
Сопротивление отрыву представляет собой важнейшую характерис-
тику клеевых соединений, в особенности для конструкции работающих
при высоких температурах. В этих случаях происходит охрупчивание
клея н как следствие, уменьшение предела прочности на отрыв В таких
системах даже увеличение протяженности нахлестки не дает положи-
тельных результатов Это связано с тем, что высокий модуль упругости
не позволяет перераспределить местные напряжения возникающие на
концах клеевого соединения
Другая особенность клеевых соединений ПКМ состоит в том, что в
склейках появляются дополнительные большие напряжения или дефор-
мации, оттого что рядом расположены слои с разным направлением
укладки волокна и большой разницей в коэффициентах Пуассона.
Переходя к конструкциям из ПКМ на основе угольных волокон,
получаем выигрыш в массе изделия При замене деталей крепления из
алюминиевых сплавов в этих конструкциях как не совместимых с
угольными волокнами по коррозионной стойкости па детали из титана
и коррозионно-стойкой стали заметно снижается выигрыш в массе. Для
160
Крысин
Таблица 2.16
Контактирующий материал Подвержен- ность кор- розии Прочность слоев Масса к ре нежных деталей Стоимость Нсобходи мость за- кладной детали Необходи- мость шайб и резиновых втулок Наличие остаточных напря- жений при установке Необхо- димость приклеи- ваемой шайбы
Сплавы титана Не подвер- гаются коррозии Высокая Средняя Большая Нужна Желательны Почти веста есть Нс нужна
Стальные сплавы Подверга- ются кор- розии si Большая Средняя 11 IS То же То же
Сплавы алюминия То же 1» Малая Малая • •
Стекловолокно и эпоксидная смола Не подвер- гаются коррозии Малая 11 Средняя Не нужна Требуются иногда Отсутствуют Иногда нужна
увеличения эффективности применения ПКМ в конструкциях в США
разработана технология изготовления креплений двух типов, а также
создана производственная линия для их изготовления.
Оба типа крепления из ПКМ при испытаниях показали, что они
имеют такие же характеристики, какие имеет крепление из алюминие-
вого сплава в тех местах, где наибольшую важность представляет проч-
ность на срез. Эти крепления спроектированы таким образом, что они
могут конкурировать с титановыми креплениями и широко применяться
для соединения металла и углеэпоксидного материала. Разработанные
крепления отличаются материалом, конструкцией и методом установки.
Крепление одного типа состоит из двух деталей — стержня и втулки, вы-
полненных из термически фиксируемой эпоксидной смолы, упроч-
ненной стекловолокном. Крепление другого типа выполнено из термо-
пластичной полисульфидной смолы, упрочненной стекловолокном.
Крепления обоих типов изготавляются с потайной и выступающей
головкой.
Двухдетальное крепление перед установкой проходит термообра-
ботку — отверждение. На поверхность деталей крепления наносится
клей. После сборки крепление впрессовывается в отверстие и при высо-
ких температуре, давлении и большой выдержке происходит соединение
пакета.
Кроме упомянутых креплений фирма ”Воут” изготовила креп-
ление из графитоволоконного полиамидного материала с головками
двух типов: потайной и выступающей.
Для предупреждения коррозии, которая может привести к образо-
ванию трещин в местах соединений, специалисты фирмы "Дуглас” иссле-
дуют возможность применения тефлоновых покрытий. Эти покрытия
наносятся на детали крепления. Специалисты, работающие над улучше-
нием технологии подготовки отверстий, установили, что зенковки под
потайные головки, так как графитоволокоиный полиамидный материал
не деформируется под нагрузкой, необходимо плотно устанавливать в
отверстие, чтобы перераспределять напряжения между отверстием и
болтом.
3. ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
3.1. ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСНАСТКИ
И ВХОДЯЩИХ В НЕЕ ДЕТАЛЕЙ
Изучение технологических связей в условиях действия многих
стохастически изменяющихся факторов позволило установить и причин-
но-следственные связи, которые вызывают отклонения в технологи
162
ческом регламенте операции, обусловливающие производственные
погрешности.
Пронз родственные погрешности по их природе можно разделить
на следующие виды.
относящиеся к системам автоматического управления режимами
технологических операций и регулирования этих режимов (например,
режимов нанесения клеев, обезжировання н др.) ;
относящееся к операциям, при проведении которых применяется
универсальное и специализированное оборудование, а управление про-
цессами сводится к первоначальной настройке, подладке, смене инстру-
мента и др. (например, к операциям фрезерования контура сотового
заполнителя, монолитных деталей, лонжеронов, силовых нервюр и др.);
относящееся к системам изготовления деталей, входящих в сбороч-
ный узел, изготовлению сборочных приспособлении, форм для выклей-
KU, формирования и намотки,
относящееся к системам базирования нри изготовлении деталей и
сборке, а также к методам сборки сборочного узла.
При определении погрешностей 1-го вида технологические процессы
рассматриваются на уровне случайных функций, а при определении ос-
тальных погрешностей — на уровне случайных величин. Поэтому воз-
можны два пути создания математических моделей.
Теория случайных функций применяется для анализа наиболее изу-
ченных стационарных процессов, т.с. реальных производственных про-
цессов. Оптимальные параметры технологических процессов могут быть
получены лишь решением нелинейных нестационарных задач. Дубли-
рованные многослойные конструкции (закрытые) и многослойные
конструкции с сотовым заполнителем (открытие) являются малодс-
тальиыми. Технологическая сложность их сборки обусловливается
необходимостью обеспечения комплекса показателей: точности контура
аэродинамических обводов, высокого качества внешней поверхности
собираемых агрегатов, прочности склеивания сборочных элементов,
взаим заменяемости конструкций по посадочным местам, большого
ресурса сборочногб узла, агрегата и надежной влагозащиты для преду-
преждения коррозии.
При сборке клепано-сборочных конструкций допускается некоторая
деформация сборочных элементов но соединяемым поверхностям-
Клеено-сборочная к нструкция хорошо работает на сдвиг, но недоста-
точно устойчива к неравномерному отрыву. Поэтому обеспечение точ-
ности изготовления сборочных элементов является сложной задачей для
технологов производства и конструкторов, создающих клеевую кон-
струкцию.
Внедрение клеевых конструкций в новые изделия авиационной
техники проходит при большой нриемсгвснности технологических
процессов, разработанных для клепано-сборочных конструкции.
При изготовлении многослойных конструкций с сотовым зэнол-
б'
163
кителем для обеспечения взаимозаменяемости применяется как зави-
симое. так и независимое изготовление сборочных элементов и узлов.
Согласование форм и размеров сборочных элементов при зависимом
методе изготовления производится с помощью плоских и пространст-
венных носителей форм и размеров. Взаимозаменяемость деталей много-
слойных дублированных конструкций при независимом методе их
изготовления должна быть такой, чтобы в процессе сборки узла были
обеспечены зазоры по контактируемым поверхностям деталей в преде-
лах 0,1... 0.2 мм.
Рассмотрение методов сборки клепано-сборочных конструкций,
принятых в промышленности, показывает, что в производстве клеевых
конструкций могут быть использованы методы сборки с базой — внеш-
ней поверхностью обшивки и с базой — внешней поверхностью каркаса.
Базовой деталью при сборке в первом случае служит одна из обшивок,
а во втором случае — наружная поверхность сборочных элементов кар-
каса (лонжеронов, нервюр или сотового заполнителя).
Выбор метода базирования определяется как заданной точностью
аэродинамического контура сборочного узла или агрегата, так и точ-
ностью подгонки сопрягаемых поверхностей для обеспечения качества
склеивания.
Изготовление деталей и сборка узлов клеевой конструкции произ-
водятся, как правило, на различных производственных участках, а
иногда и на различных заводах. Все сборочные единицы должны быть
взаимозаменяемы. Взаимозаменяемости сборочных элементов клеевых
конструкций добиваются увязкой заготовительной н сборочной
оснастки.
Увязка оснастки для изготовления деталей каркаса и сборки сото-
вых клеевых агрегатов осуществляется аналогично увязке в производ-
стве типовых агрегатов клепаной конструкции. Увязка оснастки сото-
вых клеевых агрегатов сложных пространственных форм при зависи-
мом изготовлении производится с помощью взаимно увязанных про-
странственных макетов, воспроизводящих форму и размеры агрегатов
в натуральную величину. Макеты для агрегатов с переменной высотой
сотового заполнителя выполняются разборными для обеспечения воз-
можности монтажа и изготовления приспособлений для сборки — склей-
ки агрегатов. Эги макеты используются также для изготовления ос-
настки для контроля деталей и узлов монтируемых агрегатов. Макеты
изготавливаются по шаблонам, снимаемым с плаза. Макеты сотовых
клеевых агрегатов после изготовления стыкуются между собой и с
макетами соответствующих агрегатов планера.
На увязку оснастки каждого типа многослойного агрегата сложной
пространственной формы с сотовым заполнителем разрабатывается
отдельная схема, в которой указывается применяемая рабочая коит-
рольно-припиловочная оснастка и средства ее увязки.
Как видно из рис. 3.1, б, основными типовыми деталями конструк-
164
Плаз
Рис. 3.1. Схема увязки стыкуемых деталей каркаса клеевых агрегатов с сотовым
наполнителем (а) и типовые сотовые агрегаты (б)
1 - обшивка; 2 - нервюра; 3-сотоблок;4 - законцовка; 5 - лонжерон; а - пог-
решность увязки лонжерона и нервюры
Таблица 3-1
Самолеты Число нервюр н диафрагм Число сбор- ных лонже- ронов Суммарная пло- щадь клеевых конструкций м1
Як-42 40 20 35
Ил-76 184 60 50
Ил-86 94 17 60
’ Руслан" 100 — 250
165
166
Узел агрегата Погрешность изготовления детали, пол ученная расчетом» мм
суммарная увязкн оснастки иэгоговлс* ю<я дета- лей
Сотоблок ± 0,064 • O.OSS t 0,03 Нервюра 1 0,064 ♦ 0,08... ♦ 0,06 ... - 0.03
Лонжерон а 0,064 ♦ 0,08 ... t 0,08 ... - 0,03
Таблица 3.2
Погрешносты1зготоплския детали, полученная измере-
1 НИСМ) ММ
при мех ан и- при отклонении при отклонении обводов
ческой об- обводов нервюр от поверхности копт-
работке из станке от поверхности лекал рооыюго приспособления
• 0.2
+ 0,15
± 0.1
t 0,15
При ручной под-
гонке 0,15 по
стыку с лонжеро-
ном и 0,3 по
стыку с сотовым
заполнителем
1 0,15
t 0,2
♦ 0.22
При ручной подгонке 0,3
по стыку с сотоблоком и
0.15 по стыку с нервюрой
ций являются обшивки, нервюры
и лонжероны, изготавливаемые из
листа.
Типовые сборочные много-
слойные конструкции и с сото-
вым заполнителем и их пример-
ное число в самолетах приведе-
ны в табл. 3.1
Изготовление многослой-
ных конструкций производится с
использованием различных загсу
товок, прессованных и монолит-
ных из листового материала, и
технологических процессов, обес-
печивающих высокую точность.
В табл. 3 2 приведены дан-
ные, полученные измерением сбо-
рочных элементов, а также рас-
четные данные
Из данных табл. 3 2 видно,
что изготавляемые узлы и детали
имеют различную погрешность из-
готовления. Погрешность зависит
От принятого метода увязки (пла-
зово-шаблонного, эталонно-шаб-
лонного) . Результаты расчетов пог-
решностей изготовления при раз-
личных методах увязки приведе-
ны в табл 3.3.
Из данных, приведенных в
табл. 3.3, видно, что поле рассея-
ния погрешностей контура нервюр,
изготовленных с применением пла-
зово-шаблоииого метода, нахо-
дится в пределах 0,55 мм, а с при-
менением эталонно-шаблонного
метода — в пределах 0,234 мм.
Эталонно-шаблонный метод увяз-
ки обеспечивает меньшее, по срав-
нению с нлазово-шаблоиным мето-
дом увязки, среднее значение
погрешностей.
В технологических про-
цессах увязки и изготовления
деталей широко используют-
167
ся аналитические методы задания обводов, что создает возможность ав-
томатизации расчета и процесса обработки злементов оснастки н созда-
ния программ для станков с ЧПУ. С переходом на бесплазовый метод
увязки и обработку оснастки на станках с ЧПУ резко сократили номен-
клатуру увязочной оснастки. Увязочная оснастка в этом случае может
быть разделена на контрольно-эталонную и рабочую.
Суммарная погрешность обводов собираемого сборочного узла,
агрегата зависит от многих факторов. В общем виде суммарное поле
рассеяния погрешностей замыкающего звена L размерной цепи агрегата
определяется уравнением
2о/. =2о/.ф+2о/.у + 2о/.с+2оЛн- <3J)
где 2 Vj . — поле рассеяния погрешностей формообразования деталей
и сборочных единиц; 2 у — поле рассеяния погрешностей установки;
2 Одс — поле рассеяния погрешностей соединения; 2 о{н — поле рассея-
ния погрешностей от неучтенных факторов.
Погрешность установки состоит из погрешности базирования 0;Саз
и погрешности от деформации при сборке ДСф:
°1.у баз + °/.дсф’
Погрешность базирования складывается из погрешности сборочной
базы Од с и погрешности расположения базируемой детали относи-
тельно строчной базы Оу
ЧД-баз — °Дс.б + °Lp-
Основным условием существования размерной цепи является ее
замкнутость
л
L= S Lt,
i=l
где L — замыкающее звено цепи; — составляющее звено размерной
цепи; п - число составляющих звеньев.
Если в размерную цепь включить звенья, соответствующие техноло-
гическим размерам или их изменениям на различных этапах производ-
ства, то по лучим технологическую размерную цепь для технологичес-
ких процессов сборки — сборочную размерную цепь.
Составляющими звеньями сборочной размерной цепи являются
размеры L деталей и размеры 1у. номинально равные нулю, характери-
зующие взаимосвязи i-й и/-й деталей в агрегате. Применительно к много-
слойной конструкции с сотовым заполнителем речь может пойти о нер-
вюрах и лонжеронах.
Таким образом, сборочная размерная цепь может быть записана в
следующем виде:
п i=n-l-.i-n
L = 2 L.+ S
1=1 » i=l;/=2 11
Для анализа и сравнения возникающих полей рассеяния погрешнос-
168
тей размера внешнего обвода агрегата при различных методах увязки
оснастки и деталей, влияющих на погрешность формообразования,
например нервюр и лонжеронов из листового материала, можно вое
пользоваться частными случаями формулы (3.1). При связанном (зави-
симом) изготовлении сопрягаемых деталей погрешность увязки опре-
деляется только погрешностью независимых звеньев цепи по формуле
Г0|/ =Го,-ГО/, (3.2)
где Го(, Гоу — погрешности сопрягаемых деталей (например, для деф-
лектора закрылка может быть сопряжение нервюры и лонжерона или
нервюры с хвостовой законцовкой).
Зазор между деталями и погрешность увязки не зависят от общих
звеньев. В этом неоспоримое преимущество связанного метода, т.е
эталонно-шаблонного метода увязки, перед независимым бесплазовым,
при котором накапливаются большие погрешности. Тем не менее при
определенных условиях независимый метод может оказаться более
совершенным
Рассмотрим подробнее уравнение (3 2) Погрешность каждой из
сопрягаемых деталей складывается из сумм
Ео,- =от, + Souil; £о/ = от2*Гош2.
где о .о . — погрешности технологических процессов изготовления де-
талей* 1 и2; Го j “ суммы погрешностей воспроизведения но-
сителей (шаблонов, оправок) форм и размеров изготавливаемых с
помощью эталона
Очевидно, что общее поле рассеяния погрешностей будет тем боль-
ше. чем больше Го и Го , При плазово-шаблониом методе пол-
ип ш2 г ,,
костью ликвидировать эти составляющие нельзя Например, при суще-
ствующих в промышленности методах изготовления и увязки обшив-
ки и нервюр имеют место погрешности изготовления самих шаблонов
для формблока о[Ц ф = —0,2 мм, погрешность изготовления пуансона
ол = 0,3 мм, погрешность изготовления фор.мблока о. = —0,2 мм, пог
решность штамповки обшивки ошОб = 0,4 мм, погрешность штампов-
ки нервюр ош н = -0,4 мм (рис. 3.2). Технологическая последователь-
ность увязки и изготовления шаблонов и оснастки вносит свои пог-
решности и вызывает увеличение суммарной погрешности сборочного
элемента и узла
Уменьшению влияния увязки на конечную точность способствует
использование математической модели поверхности (ММП) и оборудо-
вания с ЧПУ.
Применение ММП и оборудования с ЧПУ дает возможность умень-
шить погрешность собираемого узла только путем механической об-
работки пуансона больше чем на 50 %. При использовании ПКМ
(рис 3.3) детали изготовляются п независимому методу и кроме по
вышеиия точности имеется заметное снижение цикла производства
169
Рис. 3.2. Схема основных технологических этапов образования размерных погреш-
ностей
оснастки.
Для повышения точности на операциях изготовления нервюр и лон-
жеронов из листового материала можно пойти по пути ужесточения
требований к технологической оснастке и использования при штампов-
ке более высоких давлений (до 100 МПа). Для этого штамповку необ-
ходимо выполнять на прессах с применением калибровочной оснастки
по схеме вытяжки.
В этом случае необходимо отказаться от формблоков и оправок
из дельта-древесины и перейти на стальные оправки, изготовляемые с
повышенной точностью.
Выполним типовой расчет калибровочной оснастки (рис. 3.4).
Установим допуск иа изготовление матрицы = +0,03, допуск на из-
готовление пуансона Дп = —0,046, припуск на износ матрицы при штам-
повке на вытяжку в м = 0.8, допуск на изготовление детали Д = 0,2.
Размер матрицы на вытяжку Лм = (Вн — Ди в м)Лм = 79^840,03.
где Вн — номинальный наружный размер детали, равный охватываю-
щему размеру сборочного приспособления. Определим размер оправки
на обжим:
Во = (Вд-2,4)-Дп = 77,2_ 0 048.
где Вд - наружный диаметр детали иа обжим.
170
Рис. 3.3. Принципиальная схема изготовления деталей и увязки элементов техно-
логической оснастки с применением ММП
Рис. 3.4. Размеры, используемые при расчете калибровоч-
ной оснастки для штамповки на гидропрессах лонжеронов
и нервюр:
1 -лонжерон, 2 —пуансон,изготовленный из стальных за-
готовок; 3 - матрица, изготовленная из стальных заго-
товок
171
Рис. 3.5. Элементы оснастки и их располо-
жение при различных операциях:
а — при 1ибкс; б — »ри калибровке на
вытяжку; 1 — пуансон; 2 - матрица; 3
резина; 4 - планка неподвижная прижим-
ная; 5 - деталь
С повышением давлений при штамповке нервюр, лонжеронов на
гидропрессах необходимо уточнить технические требования к изготов-
лению оснастки (рис. 3.5). При реализации этих мероприятий умень-
шается погрешность по номинальному наружному размеру деталей.
3.2. БАЗИРОВАНИЕ И ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ
В структуре технологических процессов производства изделий
наибольший удельный вес имеют сборочные процессы. Трудоемкость
узловой, агрегатной и обшей сборки планера составляет свыше 40% всей
трудоемкости его изготовления
При сборке клеевых конструкций средства механизации применя-
ются значительно меньше, .чем на других этапах изготовления изделий.
Например, иа одно рабочее место сборщика клеевых конструкций при-
ходится в 20 ... 30 раз меньше станочного оборудования и различных
видов энергии, чем на рабочее место сборщика в механических цехах.
Сборочные клеевые узлы и агрегаты с точки зрения обеспечения
всевозрастающей точности изготовления обводообразуюших элементов
и взаимозаменяемости имеют ряд особенностей. Одна из них состоит
в том, что для изготовления сопрягающихся сборочных элементов кле-
евых узлов применяются различные, нс взаимосвязанные, методы увяз-
ки и способы базирования, а следовательно, большое количество спе-
циальной увязочной и сборочной оснастки. Использование математичес-
ких методов описания поверхности и станков с ЧПУ при изготовлении
деталей и увязке оснастки способствует повышению точности.
Одним из основных направлений совершенствования производ-
ства клеевых изделий является разработка и внедрение системы комп-
лексной увязки и базирования элементов изделий и оснастки по всей
технологической цепочке их изготовления и сборки, которая основы-
вается на прогрессивных средствах оснащения: станках и измерительных
машинах с ЧПУ, лазерных и оптических системах, снсцнализированной
и переналаживаемой оснастке для сборки узлов и агрегатов.
Наиболее прогрессивным в настоящее время следует считать прог-
раммно-инструментальный метод увязки.
Однако развитие этого метода не приводит к полному отмиранию
всех других методов увязки, применяемых в настоящее время (пла-
172
зово-шаблонного, нлазово-эталонного, плазово-инструмснтального, прог-
раммно-шаблонного, инструментально-эталонного)
Взаимосвязь способов базирования и методов сборки приведена
на рис. 3.6
Обеспечение заданной точности и взаимозаменяемости элементов
клеевых конструкций в условиях применения нескольких методов
увязки требует-
четкого определения методов увязки для всех элементов изделий
и осиастки в соответствии с требуемой точностью их изготовления и
технико-экономическими характеристиками;
применения методов увязки сопрягающихся элементов изделий по
всей технологической цепочке: изготовление обводообразующих эле-
ментов оснастки для изготовления деталей и сборки изделия — изготов-
ление деталей — монтаж сборочной оснастки — сборка узлов — сборка
агрегата.
Возможность обеспечения точности и взаимозаменяемости узлов
и агрегатов изделия во многом зависит от правильности выбора основ-
ных базовых поверхностей и осей относительно которых координи-
руется положение всех элементов изделия и оснастки в процессе их
изготовления и сборки, а также от соблюдения трех основных принци
нов базирования: единства, постоянства и совпадения баз.
Принцип единства баз заключается в использовании в качестве
ГрутислосоМ
даыробекия
Способа базирсбакия
I— № базобим кберихостяя
по базобоо
бятали
Йо бакбым лнлщх
По еричсаторам
осностчи
По отверстиям
По ЛучОМ
По яамртн лунок
По ебггкбхп гучок
По бакбм бивали /деталям)
По ра>нетке
—| По сборсют/м отберстиям
Do сборочкам отберстияч
По Схемой побермхта обшобни
—| в fcncfe'M no&yuHocnw
По бнутромеи гкбериххти ойшибяи
По no6tpixocmj яаргоса
По коорЛматхо бахбим отверстиям
По СгичСд&м отверстиям
Йо Саяоб&м отберст.ъям
По юор&тотно -лахркик лучам
Рис. 3.6. Схема взаимосвязи способов базирования и методов сборки
Mtmoiu сборки
173
Способ базирования Погрешность изготовления обвода элемента оснастки, мм Техноло- гическая себестоимость сборки Площадь, занимаемая оснасткой
По базовым поверх- костям • 0.6 100 100
По базовым отвер- стям и поверх- ностям 1 1.0 60 80
По сборочным отверстиям 1 1.2 70 65
технологических баз при создании оснастки для изготовления деталей
и сборки изделия основных конструкторских баз: осей симметрии,
хорд, осей элементов продольного и поперечного набора и т.п. Принцип
постоянства баз заключается в соблюдении общности основных базовых
поверхностей и осей в оснастке для изготовления деталей и сборки узла.
Принцип совпадения баз заключается в совмещении установочных и
сборочных баз путем расположения фиксаторов сборочной оснастки по
установочным базам, использованным при изготовлении детален.
Точностные и экономические характеристики некоторых способов
базирования приведены в табл. 3.4.
Данные табл. 3 4 свидетельствуют о несомненных преимуществах
способов базирования по отверстиям с точки зрения экономических
показателей. Базирование по отверстиям имеет также ряд технических
преимуществ.
наличие развитой инструментальной базы для точной обработки
базовых отверстий с помощью координатно-расточных станков с ЧПУ.
оптических и лазерных систем- В табл. 3.5 приведены погрешности
сборки при разной длине оснастки
Таблица 3.5
Средства монтажа Погрешность сборки при разной длине оснастки мм
до 25 м до 50 м до 100 м
1 содсзкчсский прибор (нивелир) Визирная трубка 4 0.1 1 0,07 — —
Инструментальный стенд с про- граммным управлением • о.з — —
Лазерное центрирующее измери- тельное устройство • 0.02 1 0.05 4 0.36
174
Г з б л к ц a 3.4
Время сборки Металлоем- кость ос- настки Трудоем- кость из- готовления оснастки Себестои- мость изготовле- ния оснастки Количество оснастки
%
100 100 100 100 100
85 45 30 35 40
80 24 30 25 35
Простота конструкции сборочной оснастки например формы
для выклейки, в свою очередь, создаст благоприятные условия для
механизации и автоматизации процессов. К таким процессам можно
отнести наложение клеевых пленок па форму и их вырезку, наложение
на форму углеродных лент, вырезку и обрезку контура отформован-
ной детали
Изготовление крупногабаритных узлов клеевых конструкций
из металлов и неметаллов, таких как створки шасси, гондолы, различные
обтекатели, шнтки, панели интерьера пассажирских самолетов, свя-
зано с использованием крупногабаритной оснастки Как правило, ос-
настка для автоклавного формирования имеет поверхности двойной
кривизны с выходом на наружные поверхности агрегатов. Необходи-
мость большой жесткости носителей размеров и средств увязки форм
приводит к созданию трудоемкой и металлоемкой оснастки со значи-
тельной массой а следовательно, удлинению цикла производства, увели-
чению его трудоемкости и стоимости.
Крупногабаритные детали из ПКМ пн смолах юрячего отверждения
изготовляются с использованием металлических пресс-форм. Использо-
вание трудоемкой и дорогостоящей оснастки в мелкосерийном произ-
водстве нерентабельно из-за сложности механической обработки загото-
вок и большого объема металла, идущего в отход. При этом значитель-
ную долю общей трудоемкости изготовления оснастки составляет трудо-
емкость слесарных работ.
Пресс-формы могут быть изготовлены из следующих материалов
гипсоцементно-пуццолановой композиции (пресс-форма любых
размеров);
керамзитоцементной композиции (пресс-форма с тонкими стен-
ками) ,
композиции на основе фурановой смолы (пресс-форма 1000Х
X 1000 мм с тонкими стенками);
175
цементно-металлическая композиции (пресс-форма любых размеров
при отсутствии тонких стенок)
Эксплуатационная стойкость всех пресс-форм, кроме пресс-форм из
гипсоцементно-пуцполановой композиции, нс более 10 запрессовок
Пресс-формы из ксрамзитоцементной композиции длиной 3700 и
2400 мм и шириной 1300 мм, используемые для получения панелей
одинарной кривизны, имеют эксплуатационную стойкость до 30 опрессо-
вок при температуре 160 ... 180° С-
При изготовлении неметаллических пресс-форм используются дере-
вянные модели из сосны и фанеры Поверхность модели шлифуется,
покрывается водонепроницаемым лаком и разделительным смазочным
материалом. Металлический каркас пресс-формы выполняется в виде
рамы, которая устанавливается на модель и скрепляется с ней струб-
цинами После чего в пресс-форму заливается керамзитоцементная
композиция.
Этот процесс обеспечивает снижение трудоемкости изготовления
пресс-формы и ее массы в два . три раза.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что наи-
более перспективными для изготовления сложных форм являются ПКМ,
в том числе стекло- и углепластики.
При использовании стеклопластика горячего отверждения трудоем-
кость и длительность производственного цикла изготовления техноло-
гической оснастки снижается вдвое.
Проблема выбора технологического процесса и его оснащения,
которые обеспечили бы минимальную трудоемкость изготовления
оснастки и деталей, оптимальную загрузку оборудования, а также полу
чеиие высокого качества деталей, может быть решена с помощью фор-
мализованного описания этих деталей и технологических процессов их
изготовления, отражающего специфику создания конструкций из ПКМ
и учитывающего возможность использования вычислительной техники,
особенно при значительном объеме применения новых материалов.
Одним из первых шагов при этом должно быть создание конструк-
торского классификатора
ВФ Забашта предпринята попытка создания классификатора эле-
ментов самолетных конструкций из ПКМ- В 1-й класс системы классифи-
катора включены не только элементы узлов и агрегатов самолета, изго-
тавливаемые из ПКМ в настоящее время, но и элементы из ПКМ, кото-
рые являются перспективными (в первую очередь, элементы из ПКМ
с основой из угяя.боро- и органопластиков).
В 1-й класс входят
1-й подкласс функциональные характеристики элементов с рас-
пределением по областям применения,
2-й подкласс — уточненные данные об элементе с точки зрения рас-
положения его частей, тип структуры, вид соединений, используемых в
нем н оформление торцев и кромок;
176
3-й подкласс — конструкция элементов, формы поверхностей, по-
перечных сечений сведения о наличии ослаблений
Рассматриваемый классификатор позволяет описать по конструк
тивным признакам ке только элемент, но и сборочную единицу
С помощью классификатора можно описать широко распространен-
ную панель из стекло- или углепластика одинарной кривизны, панели
хвостовой части крыла стабилизатора киля рулей, закрылков, тормоз-
ных щитов и др (рис. 3.7) Пресс-формы для изготовления наружных
Рнс. 3.7. Типовая схема мно-
гослойной панели с сотовым
заполнителем:
1 - обшивка наружная, 2 -
обшивка внутренняя, 3 -
заполнитель сотовый; 4 -
пленка клеевая
обшивок из ПКМ, как правило, выполняются с базированием по внеш-
нему контуру конструкции при этом варианты пресс-форм основаны
на различных схемах базирования. Выбор варианта пресс-формы зави-
сит от конструктивных особенностей наружных обшивок и требований,
предъявляемых к ним.
При разработке конструкций оснастки для формования деталей
Рис. 3 8 Схема пресс-формы для
изготовления внутренней обшивки
а - общий внд; б - схема укладки
герметизирующих слоев; I - цу-
лага; 2 - обшивка пресс-формы;
3 - каркас формы 4 - пленка
герметизирующая; 5 - спои стекло-
ткани
177
из ПКМ исходят главным образом из того, что оснастка должна обеспе-
чить
многократное формование детали из ПКМ при температуре 170° С
и давлении до 1 МПа
герметичность пресс-формы для изготовления деталей из ПКМ
Для обеспечения герметичности пресс-форм между слоями стеклот-
кани рекомендуется укладывать эпоксиполиамкдную или полиамид
ную пленки Толщиной 50 . - 60 мм, схема укладки которой показана
на рис. 3 8, б\
минимальную массу детали при обеспечении необходимой жест-
кости и минимальное время прогрева и охлаждения;
передачу равномерного давления по всей поверхности формуе-
мой детали и особенно в местах перехода;
противоадгезионные свойства детали и возможность наносить пов
торные покрытия на него;
четкую разметку детали и возможность сс переноса на поверхность
заготовки путем отпечатка;
быструю подготовку пресс-формы к повторному формованию
По конструктивно-технологическим признакам оснастку для
формообразования можно разделить на две группы:
к первой группе можно отнести технологическую оснастку, обла-
дающую относительно низкой жесткостью, т с. облегченную оснастку,
изготавливаемую из стеклопластиков. Оснастка этой группы использу-
ется главным образом для формования деталей простых форм типа
плоских панелей одинарной и двойной кривизны. Эта оснастка изготов-
ляется с помощью пресс-форм;
ко второй группе можно отнести технологическую оснастку, об-
ладающую относительно высокой жесткостью большой массой, постоян-
но сохраняющую требуемую форм} и допуски на формование детали.
Оснастка этой группы обладает высокой металлоемкостью. Для сс из-
готовления требуется оборудование с ЧПУ- С использованием оснастки
этой группы изготовляются детали сложных форм с многослойной
укладкой формуемого материала, детали типа носовых частей крыла,
закрылков, предкрылков и др.
Конструкция оснастки первой группы состоит из ти-
повых элементов обшивок, представляющих собой формообразующие
поверхности, закрепленные на каркасе. Каркас состоит из ложементов
(лекал), изготовленных по шаблонам с плаза или на станках с ЧПУ
и смонтированных на плоских жестких рамах — основаниях. При увяз-
ке и изготовлении оснастки для формообразования обшивок из ПКМ
(рис. 3.9) единство баз обеспечивается на основе комплексной прог-
раммы с использованием станков с ЧПУ, контрольно-измерительных ма
шин и приборов
Цулага изготовляется по эквидистанте формообразующеи поверх
ности или с учетом толщины изготавливаемой на ней детали из ПКМ-
178
Для обеспечения заданной точности предварительной сборки и коорди-
нации положения всех взаимосвязанных элементов трсхслойпых кон-
струкций и оснастки в процессе их изготовления и сборки необходимо
применять одну систему базовых осей, а также один способ базирования
сопрягающихся деталей и оснастки по всей технологической цепочке
Рнс. 3.9. Схема унязкн формообразующей и сборочной оснасток программно
инструментальным методом
179
В основу программно-инструментального метода увязки поло-
жена математическая модель поверхности- По этой модели разрабаты-
вается управляющая информация и программа.
Для обеспечения единой базы пресс-формы для внутренней обшнвки
выклеиваются с использованием вкладыша, так же как пресс-формы
для наружной обшивки В основу схем увязки формообразующей и
сборочной оснасток на основе единой базы с технологическим вклады-
шем для раздельных форм (рис- 3 10) положен нлазово-шаблонный ме-
тод, при котором применяется единая система базовых поверхностей
и осей для всех элементов оснастки.
Схема пресс-формы для изготовления внутренней обшивки приве-
дена на рис- 3.8, а. Технологический вкладыш (рис. 3.11) можно изго-
товить с применением совмещенных форм (рис. 3.12) Для осуществле-
ния увязки формообразующей и сборочной оснасток необходимо из-
Рис. 3.10. Схема увязки формообразующей н сборочной оснасток с технологичес-
ким вкладышем для раздельных форм
180
готовление двух болванок для наружной и внутренней обшивок. Из-
готовление болванки по теоретическому контуру внутренней обшивки,
а также рубильников и ложементов требует значительных трудовых зат-
рат, и поэтому зти работы выполняются на станках с ЧПУ. Первичная
оснастка — болванка, используемая для изготовления пресс-форм,
может быть подвергнута контрольному измерению на контрольно-из-
Рис. 3.11. Типовое сечение макетного тех-
нологического вкладыша.
1 - деталь формуемая; 2 - обшивкаложс-
мептная; 3 - ПКМ 4 - обшивка вспомо-
гательная; 5 - заполнитель сотовый;
6 - поверхность базовая основной ос-
настки; 7 - линия обреза детали
Рис. 3.12. Схема увизки формообразующей и сборочной оснасток иа основе еди-
ной базы с технологическим вкладышем дли совмещениих форм
181
мерительных установках, а также на инструментальном стенде. Для
уменьшения гигроскопичности поверхность болванки после обработки
покрывается эпоксидным лаком.
В качестве примера оснастки второй группы можно
рассмотреть приспособление для склеивания носовых частей закрылка,
представляющих собой многослойную конструкцию с сотовым запол-
нителем одинарной кривизны переменной площади сечения (рнс. 3.13).
Носовая часть закрылка имеет следующие конструктивные особенности.
сотовый заполнитель нз алюминиевою сплава с шестигранной со-
товой ячейкой, имеющей длину стороны 2.S мм и высоту 9 мм;
Рис. 3.13. Схема приспособзсипя
для екзеипания носовых частей зак-
рылков:
1 пресс-форма из литой заготов-
ки; 2 поверхность рабочая пресс-
формы, 3 - плоскость разьема
пресс-формы; 4 — разьс.м герме-
тизирующий. 5 — балка с прижи-
мом для создания тавлеиия при зв-
токлавном формовании; 6 каме-
ра для создания давления; 7 -
деталь формуемая, 8 - ленте с
липким слоем 9 мешок ваку-
умный
обшивки из алюминиевого сплава;
по наружной обшивке установлен дублер (лента) из алюминиевого
сплава;
носок панели имеет малый радиус кривизны.
При изготовлении отсеков носовых частей закрылка по техн логин
изготовления многослойных конструкций с сотовым заполнителем с
применением автоклавного склеивания имеются случаи нспроклея меж-
ду обшивками (наружной и внутренней) и сотовым заполнителем
Причиной нспроклея является недостаточное давление при склеи-
вании на контактирующие поверхности. Из-за неравномерного рас-
пределения сил прижатия обшивок нет контакта между склеиваемы-
ми элементами носовой части в приспособлении.
Для исключения этого явления разработан оптимальный вариант
технологической оснастки, который отличается тем, что пресс-форма
182
(см. рис. 3.13) цля выклейки и формообразования изготовлена из
литой заготовки, обладающей высокой жесткостью. Внутренняя поверх-
ность обрабатывается по заданной программе на станке с ЧПУ и зачи-
щается. Для изготовления изделия с высокой точностью на поверх
иости пресс-формы выполняется разъем.
В пресс-форме устанавливается продольная балка, на которой кре-
пятся ложементы и камера для оснастки давления при автоклавном
формовании. Для исключения температурных короблений к продольной
балке крепится металлическая рама, а пресс-форма закрепляется через
овальные отверстия. Камера 6 изготовляется из двухслойной прорези
нсиной ткани, проклеенной ио всей поверхности. Она имеет два шту-
цера для подачи сжатого воздуха и контроля давления Требуемое дав-
ление на склеиваемые поверхности обеспечивается с помощью ка-
меры 6. Особое значение для обеспечения высококачественного склеи-
вания имеет постепенное повышение давления на склеиваемые поверх-
ности.
Для обеспечения полного проклеивания склеивание производится
в два перехода. При первом переходе склеиваются наружная поверх-
ность обшивки дублер и металлический сотовый заполнитель. Вместо
внутренней обшивки через разделительный слон устанавливается цу-
лага. изготовленная из алюминиевого сплава и отформнрованная по
внутреннему контуру сотового заполнителя. Режим автоклавного склеи-
вания первого перехода приведен в табл. 3.6.
Таблица 36
Температура. ° С Давление в вакуумном мешке. МПа Давление в автоклаве, МПа Давление в камере, MIh
20 0.01 ... 0.02 0 0
20 0 0 0,20
20... 30 0 0.5 0.20
80 .. 170 0 0.25 0.20
175 0 0.25 0.20
После склеивания по первому переходу производится механичес-
кая обработка скосов сотового заполнителя под углом 30° в соответ-
ствии с чертежом.
Нри втором переходе склеиваются все остальные входящие детали.
При склеивании производится защита обшивок от затеков клея лептон
с липким слоем или второпластовой пленкой. После расположения сбор-
ки в приспособлении для склеивания и укладки дренажных слоев и ва
куумного мешка со штуцерами создастся давление в вакуумном мешке
0,01 ... 0,02 МПа, минимальное для обеспечения поэтапного прилегания
183
обшивки к сотовому заполнителю и боковым поверхностям приспособ-
ления. Режим автоклавного склеивания по второму переходу приведен
в табл. 3.7.
После окончательного выклеивания носовая часть закрылка зачи-
щается от затеков отвержденного клея и обрезается по контуру.
Таблица 3.7
Температура, ° С Давление в вакуумном мешке, МПа Давление в автоклаве, МПа Давление в камере. МПа
20 0.01 ... 0,02 0 0
20 0 0 0,25
20... 80 0 05 0,25
80.. 170 0 0,5 0 30
175 0 0.25 0,30
Рассмотренное приспособление обеспечивает высокое качество
склеенных многослойных конструкций. Контроль технического про-
цесса изготовления оснастки состоит из контроля качества применяе-
мых материалов и параметров препрегов, контроля процессов полу-
чения заготовок обшивок, формования обшивок, сборки оснастки.
3.3. ТОЧНОСТЬ МОНТАЖА ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕРЬЕРА
В ПАССАЖИРСКИХ САЛОНАХ
Для отделки интерьера современных широкофюзеляжных самоле-
тов применяются различные конструктивные элементы (панели борта
багажные полки, потолочные панели, перегородки и др.). На монтаж
элементов интерьера затрачивается много времени, поэтому работам
по сокращению сроков монтажа уделяется особое внимание при тсхно-
ЛО1ИЧССКОЙ подготовке производства.
Применяются различные методы монтажа элементов интерьера
с базированием на линии, опорные точки, сборочные и координатно-
фиксирующие отверстия, но все они не дают значительного эффекта в
решении вопросов взаимозаменяемости и сокращения сроков монтажа.
Наибольший эффект обеспечивает метод с базированием на лазерные
лучи н коордииатно-фиксируюшие отверстия.
Использование этого метода позволяет осуществить монтаж эле-
ментов конструкции интерьера с применением упрощенной технологи-
ческой оснастки. Крупногабаритные стенды превращаются в упрошен-
ные сборочные стенды, отдельные устройства которых базируются на
специальных сборочных тележках. Эти тележки располагаются внутри
собираемого агрегата и могут перемещаться по направляющим вдоль
всего стапеля. Устройства на тележках позволяют в сочетании с лазер-
184
ным измерителем перемещений и устройством для разворота луча на
90° обеспечить монтаж элементов конструкций в плоскостях попереч-
ных и продольных сечений.
Монтаж элементов интерьера с помощью лазерной центрирующей
измерительной системы (ЛЦИС) осуществляется на стапеле общей
сборки фюзеляжа с закрытыми и зафиксированными рубильниками
или на внестанельном стенде на предварительно отнивелированпом
фюзеляже.
Основой ЛЦИС является координатная система из опорных лазер-
ных лучей, выстроенная в фюзеляже на координатной технологической
оснастке.
Базой для построения координатной системы приняты плоскости
фюзеляжа плоскость симметрии и строительная плоскость Монтаж
элементов интерьера производится после выполнения следующих работ
полной сборки каркаса пола пассажирского салона и его оконча-
тельного креп 1сния с нижними опорными стойками и рельсами для
передвижных кресел;
установки технологических настилов по всему полу салонов.
Процесс монтажа элементов интерьера заключается в их установке
и креплении к каркасу фюзеляжа с помощью монтажного средства —
монтажной кассеты, направляемой по опорным лазерным лучам излу-
чателя ЛЦИС (рис. 3.14). Базой при монтаже элементов интерьера по
вертикали принята горизонтальная плоскость, проходящая через оси
опорных лазерных лучей излучателя ЛЦИС а по горизонтали — верти-
кальная плоскость симметрии. При проведении монтажа элементов
Рис. 3 14. Схем* монтаж* узлов навески элементов интерьера на базе ЛЦИС:
I — комплект технологических приспособлений со стойками в проеме переднего
аварийного выхода; 2 комплект технологических приспособлений со стойками
в проеме заднего аварийного выхода; 3 - излучатели ЛЦИС 4 - узлы фиксации
комплекта технологических приспособлений, 5 - рельсы технологические; 6 -
знаки базовые целевые; 7 - секции монтажной кассеты; 8 — линия балок кар-
каса пола; 9 - луч лазерный опорный; 10- контур интерьера
185
интерьера в пассажирских салонах с помощью ЛЦИС применяются
средства монтажа, перечисленные в табл. 3.8.
Технологический процесс .монтажа с использованием контроль-
ных шаблонов включает следующие технологические операции:
базирование технологических контрольных плит па фюзеляже;
проверку нивелировочных параметров фюзеляжа;
проверку установки и крепления фюзеляжа иа подъемниках и
рубильниках;
установку монтажной секции с базовыми штырями и крепление
ее к полу пассажирских салонов в соответствии со схемами монтажа
элементов интерьера (рис. 3.IS);
установку технологических контрольных плит в плоскостях задан-
ных шпангоутов;
установку базирующей струны и закрепление ее иа элементах кар-
та б л и ц a 3.S
Средства монтажа к контроля
Характсркстн ка
Высокоточный лазерный нивелир
со съемной пеитапризмой - на-
садкой. обеспечивающей разво-
рот луча на (90 ± 2)*, и блоком
питания
Излучатель ЛЦИС с блоком пи-
тания
Целевой визуальный знак
Мерная линейка
Технологические координатные
плиты со стойками и узлами
фиксации иа шпангоутах фюзе-
ляжа
Устройство для установки излу-
чателя ЛЦИС на технологичес-
кие координатные плиты
Секции монтажной кассеты с
комплексом съемных технологи-
ческих фиксаторов
Комплект технологических
рельсов с технологическими
опорными элементами
Контрольные шаблоны для бази-
рования технологических конт-
рольных плит, выполненных по
наружному тсотерическому кон-
туру фюзеляжа
Пределы измерения от I до 50 м;
выходная мощность излучения не
более 1 кВт; длина волны излуче
пия 0,6328 мкм; напряжение пита-
ния 220 В
Пределы измерения от 1 до 50 м;
выходная мощность излучения не более
1 мВт
С концентрическими кольцами через
I мм и крестом, центр которого соосен
с цилиндрической посадочной частью
корпуса
Пределы измерений от 0 до 1000 мм
Разрабатываются с учетом конструк-
ции фюзеляжа к условий производства
Разрабатываются с учетом осо-
бенностей конструкции
186
касов проемов фюзеляжа по линиям, нанесенным параллельно строи-
тельной плоскости фюзеляжа на стапеле его сборки;
установку на половине расстояния между технологической конт-
рольной плоскостью и базирующей струной лазерного нивелира, фик-
сирование его на тренотс и включение нажатием кнопки "Поджиг”;
выставку лазерного нивелира в горизонт на уровне базовых конт-
рольных рисок;
Ряс. 3.15. Монтажная секция:
1 - тележка; 2 механизм коррек-
ции монтажной формы; 3 - винт
ходовой; 4 форма монтажная;
5 - калибр; 6 - рама фиксации
каркасов потолков; 7-рама фик-
сации ниши язя спасательного
фальшборта; S - фиксаторы углов
навески багажных пояок; 9
форма боковая; 10 - фиксатор
профиля фальшборта; 11 - плос-
кость симметрии; 12 - плоскость
оптической координатной системы;
13 - плоскость строительная фюзе-
ляжа; 14 - линия базирования
балок пола; 15 линия техноло-
гических рельсов
установку тсхнолот ических контрольных влит целевых знаков в
базовые отверстия
установку иа лазерный нивелир насадки с пенгопризмой и совме-
щение реперной оси лазерного луча, выходящею из пенгафизмы, с
базовыми контрольными рисками.
Выстраивание лазерной координатной системы осуществляется
в следующей последовательности:
на одном комплекте технологических приспособлении устанав-
ливаются и фиксируются в базовых отверстиях лазерные коллимиро-
ванные излучатели ЛЦИС, а на другом комплекте базовые целевые
знаки (рис. 3.16);
в базовые отверстия техполот ических контрольных плоскостей
устанавливаются целевые знаки;
путем совмещения реперной оси опорного лазерного луча, выходя-
щего из пенгапрнзмы, с центрами крестов целевых знаков выставляются
контрольные тсхнолот ячеек ис плоскости относительно плоскости сим-
метрии.
Оформление результатов монтажа производится актом.
Погрешности монтажа элементов интерьера определяются расчетом
187
Рис. 3.16. Схема базирования комплекта технологических приспособлений иа
фюзеляже по базовым отверстиям:
1,2- комплекты технологических приспособлений; 3 - отвес 4 - стойка; 5 -
узел фиксации стойки, 6 - нивелир лазерный с блоком питания; 7 - трено|-а;
8 - целевой знак; 9 - пиния базирования балок пола, 10 - ось базовых конт-
рольных отверстий, 11 — отверстие базовое под целевой знак; 12 - фиксатор
контрольный технологический
на основании анализа погрешностей измерительных цепей и их сумми-
рования. Фактическое отклонение от допуска на контролируемый раз-
мер зависит от систематических и случайных погрешностей су.ммирус
мых при контроле данного размера. Систематические погрешности
являются следствием определенных причин. Эти погрешности либо пос-
тоянны, либо изменяются по определенному закону С |учайныс нот -
рсшпости являются следствием множества разных не связанных меж-
ду собой какой-либо закономерностью причин Они не поддаются стро-
гому расчету и не определяются аналитическим путем При условии, что
распределение суммарной погрешности подчиняется закону рассеяния,
достаточно близкому к нормальному, определим суммарную погреш-
ность звеньев размерной цени но формуле
o=V i. of ,
1
где о. - средняя квадратическая погрешность т-ro звена; п - число
звеньев размерной цепи.
Суммарные погрешности метода монтажа элементов интерьер-;
с применением излучателя ЛЦИС включают в себя как погрешности
базирования самого излучателя и его привязки к строительным осям
188
стапеля, так и погрешности средств измерения, которые характери-
зуют точность работы лазерных приборов и устройств. Погрешности
базирования ЛЦИС и ее привязки к строительным осям стапеля различ-
ны для разных вариантов базирования и зависят от монтажной схемы.
Данные погрешности нс характеризуют точность лазерных приборов и
устройств, они постоянны или изменяются по определенному закону и
могут быть учтены в виде поправки для принятой схемы расчета сум-
марной погрешности.
При монтаже э тементов интерьера с помощью ЛЦИС суммарные
погрешности складываются из составляющих погрешностей в заданных
поперечных сечениях фюзеляжа: по оси А' и по оси Z. Составляющие
суммарных погрешностей по осям А' и Y являются результатом воздей-
ствия переменных величин, т.с. являются случайными погрешностями.
В суммарную погрешность монтажа элементов интерьера входят:
Д1 — погрешность центрирования реперной оси луча лазерного
излучателя ЛЦИС на базовый целевой знак. Составляющие этой
погрешности в направлении осей Хм/
=Ди =±О.!мм;
д2. Дз - погрешности установки излучателя ЛЦИС и базовых це-
левых знаков в базовые координатные отверстия на ком-
лскте технологических приспособлений в районе 1-го
и 4-го аварийных выходов. Составляющие этих погреш-
ностей в направлении осей А' и Z
Д,_ - Д, _ = Д,- =Д1Г =±0,015 мм;
Д« — погрешность центрирования реперной оси луча лазерного из-
лучателя ЛЦИС на целевой знак монтажной секции. Состав-
ляющие этой погрешности в направлении осей X и Z
Д.м = Д.. =• ± 0.1 мм;
4Х 4г
Д$. Д6 - погрешности установки целевых знаков и базовых шты-
рей переходников в координатные отверьтия монтажной
секции- Составляющие этих погрешностей в направлении
осей A" hZ
Д._ = Д._. = Д,. = ДАГ = ± 0,015 мм.
Суммарные погрешности монтажа элементов интерьера с приме-
нением ЛЦИС но осям X и Z определяются по формулам
ДГХ = V Д’1Х + ^22х + Д2ЗХ + + Двх =
= (0.1 )2 + (O.O15)2 + (O.O15)2 + (0.1)* +"
+ (0,015)* + (0,015)*’= 0,14 мм;
189
Аг. =\/А*г + Aj, + Л2; + А2. + Л*г + A2. =
- \/(0 I)2 + (0,015)-* + (0.015)2 + (0.1) ’” +
"+ (0,015)2 + (0,015)2 = 0.14 мм.
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА
4.1. ОСОЫ-IIIIOCIH ОРГАНИЗАЦИИ
Па современном этапе развития техники первостепенное значение
приобретает научно-технический прогресс — наиболее действенный ис-
точник ускорения темпов производства, увеличения производитель-
ности труда и повышения качества продукции Успешное продвижение
вперед но пути технического прогресса в самолетостроении оирсде
ляегся. прежде всего, сокращением сроков разработок новых изделий,
их испытаний, а также внедрением новых технологических процессов,
прогрессивной технологии в области перехода от клспаио-сборочпых
конструкции к клеевым, а также от металлических к ПКМ
Наиболее важным звеном в решении указанных задач является
совершенствование технологической подготовки производства изделий
на бззе нычислитсльной техники, создание автоматизированных систем
проектирования и ведения технологических процессов. Содержание
работ по тсхноло! ической подготовке производства новых изделий, в
которых значительная часть деталей изготовлена из ПКМ, зависит от
большого числа факторов: сложности и новизны конструкций детален
из ПКМ, масштаба их производства, наличия экспериментальной базы,
уровня механизации работ при выполнении отдельных операций изго-
товления деталей из ПКМ, наличия специализированного оборудования
на производственных участках и др Многие факторы влияют ис столь-
ко на содержание работ по технологической подготовке производства,
сколько иа трудоемкость, длительность производственного цикла и
качество изделий. Содержание работ но технологической подготовке
производства непрерывно изменяется, а объем их расширяется в связи
с повышением сложности создаваемых самолетов, необходимостью по-
вышения их качества, надежности, долговечности и снижения стои-
мости.
Практика деления технологической подготовки производства иадва
последовательно выполняемых этапа (первый этап — конструирование
нового изделия и изготовление опытной партии и второй этап — под-
готовка серийного производства самолетов) не позволяет сократить
сроки создания нового изделия и одновременно повысить его качество
190
и надежность. В последнее время отрабатывается система технологи-
ческой подготовки производства - прн совместной работе предприятий
опытного и серийного производства при освоении новых изделий и
особенно деталей из ПКМ. В отдельных случаях серийные заводы берут
на себя значительный объем работ по изготовлению технологической
оснастки.
В связи с увеличением объема деталей из ПКМ, используемых в
новых изделиях, и особенно иа шнрокофюзеляжных самолетах, в кото-
рых масса деталей из ПКМ достигла 15% от массы планера, резко воз-
росло значение качества технологической оснастки: форм, пресс-камер,
обогреваемых оправок и др. Широкое использование деталей из ПКМ
в конструкции швнера потребовало создания нового специального обо-
рудования, сокращающего ручной труд и повышающего качество этих
деталей. Применение ПКМ позволяет значительно увеличить габаритные
размеры изделия и одновременно сократить число входящих деталей.
Это. в первую очередь, сказывается на изменении конструкции техно-
логической оснастки, се габаритных размерах, а также иа технологии ее
изготовления.
Изготовление крупногабаритных конструкций, таких как створки
шасси и гондол двигателей, зализы крыла с фюзеляжем, люки, панели
и др., связано с изготовлением крупногабаритной технологической ос-
настки. Как правило, оснастка для формования при вакууме и высоком
давлении имеет поверхности двойной кривизны с выходом иа наружные
обводы агрегатов. Необходимость большой жесткости носителей раз-
меров и средств увязки форм приводит к созданию трудоемкой при
изготовлении и металлоемкой оснастки со значительной массой. Все
зто вызывает удлинение цикла производства, увеличение его трудоем-
кости и стоимости. Анализ отечественной и зарубежной литературы по-
казал, что наиболее перспективными материалами для создания оснаст-
ки являются ПКМ, в том числе со стекло- и углепластиковыми армиру-
ющими материалами.
При использовании стеклопластика горячего отверждения вместо
металла трудоемкость и длительность производственного цикла изго-
товления объемной технологической оснастки значительно снижаются.
Формы для изготовления наружных обшивок из ПКМ обычно выпол-
няются с базированием по внешнему контуру конструкции, при этом
варианты форм основаны иа различных схемах базирования. Выбор
варианта формы зависит от конструктивных особенностей наружных
обшивок и требований, предъявляемых к ним. В комплект технологи-
ческой оснастки, как правило, входит форма для изготовления наруж-
ных обводов и цулага для формообразования внутреннего рельефа
изделия. Цулага передает давление на формуемую деталь при формова-
нии при вакууме или высоком давлении.
Форма состоит из типовых элементов — обшивок, представляющих
собой формообразующие поверхности. Обшивки закреплены на каркасе.
191
Каркас представляет собой набор ложементов (лекал), изготовленных
по шаблонам с плаза или на станках с ЧПУ и смонтированных на плос-
ких жестких рамках — основаниях.
Цулага изготавливается по эквидистанте формообразующей поверх-
ности с учетом толщины изготавливаемой на ней детали из ПКМ. Для
обеспечения заданной точности изготовления сложных панелей (рис. 4.1)
необходимо применять единую систему увязки базовых поверхностей,
Рис. 4.1. Схема конструкции формы для изготовления
панели из ПКМ:
1 — лекало - шаблон нижний, 2 — шаблон верхний;
3 - вкладыш технологический; 4 — форма нз ПКМ
для наружной обшивки; 5 — форма из ПКМ для внут-
ренней обшивки; 6 — каркас, 7 — элемент крепления
каркаса; А - ширина детали
Рие. 4.2. Схема увязки оснастки плазово-шаблонным методом с применением едн
нон системы базовых поверхностей и осей
192
осей для координации положения всех взаимосвязанных элементов
оснастки как в процессе их изготовления, так и в процессе склеивания.
Применение единого способа базирования сопрягающихся детален и
оснастки по всей технологической цепочке обеспечивает повышение
точности характеристик, а также уменьшает рнзпотолщинность. Для
осуществления увязки формообразующей и сборочной оснасток пда-
зово-шаблопным методом (рис. 4.2) необходимо изготовление двух
болванок для наружной и для внутренней обшивок.
Для повышения точности увязки и изготовления форм юбразую-
щей стеклопластиковой оснастки для изготовления обшивок из ПКМ
(рис. 4.3) обеспечивается единая база. Единство баз обеспечивается
на основе комплексной программы с помощью станков с ЧПУ. конт-
рольно-измерительных машин. Чтобы получить управляющую информа-
цию, необходимо иметь типовые технологические процессы изготов-
ления и контроля элементов оснастки (шаблонов, болванок, рубиль-
ников. технологических вкладышей и др.) с применением ЭВМ и
станков с ЧПУ (рис. 4.4) Для проектирования типовых формообразую-
щей оснастки, оснастки для склеивания, а также для разработки техно-
Рис. 4.3. Схема процесса
увязки и изготовления фор-
мообразующей стсклоплас-
тиковой оснастки для изго-
товления обшивок из ПКМ:
I изготовление болванки;
II - изготовление титя наруж-
ной обшивки формы iiy.-iaiii;
III изготовление каркаса
для внутренней обшивки
формы; IV сборка формы
без снятия обшивки с бол-
ванками; V изготовление
наполнителей для вкладыша;
VI - изготовление вкладыша
с оклейкой его стеклотка-
нью; VII изготовленне
цулаги; VIII выклейка тех-
нологической прокладки;
IX изготовление внутрен-
ней обшивки формы; X из-
готовление каркаса для внут-
ренней обшивки иулзпг XI
сборка формы; XII изго-
товление iiynani; I - шаб-
лон; 2 обшивка; 3 - цу-
пага; 4 пуансон; 5 -
форм для наружной обшив-
ки; 6 - прокладка техноло-
гическая; 7 вкладыш;
8 - форма для внутрен-
ней обшивки; 9 обшив-
ка формы
7. Крысин
193
Рис. 4.4. Схема получения управляющей информации
логических процессов их изготовления можно сформулировать ряд
общих требований:
материал оснастки должен обеспечить многократное формование де-
талей из ПКМ при температуре 170 °C и давлении до 1 МПа;
стеклопластиковая оснастка — обшивка формы должна сохра-
нять герметичность при формообразовании деталей.из ПКМ;
рабочие поверхности формы должны иметь противоадгезионные
свойства;
разметка на формах должна быть четкой, чтобы ее можно было
переносить на деталь путем отпечатка;
рабочие поверхности формы не должны вызывать реакцию образо-
вания пригаров в месте контакта с уплотнительным жгутом гермети-
зации в процессе автоклавного формования;
после автоклавного формования, во время демонтажа вакуумного
мешка, остатки жгута должны легко сниматься;
194
оснастка должна иметь минимальную массу для быстрого прогрева
и охлаждения;
оснастка должна иметь достаточную жесткость чтобы сохранять
геометрические размеры и физико-механические характеристики в
процессе се эксплуатации;
формующие листы и цулаги следует изготовлять путем обтяжки,
штамповкой из цветных сплавов или при больших габаритных раз-
мерах обшивок и последующих усадках при автоклавном формовании
из стеклопластика или армированных пластмасс;
стеклопластиковыс формы для наружных обшивок следует вык-
ладывать и формовать на болванках, а для внутренних — на болванках,
оправках или нсскослепках. При этих процессах толщины обшивок сле-
дует выдерживать в пределах 4...8 мм, а цулаг - в пределах 2...3 мм;
стеклопластиковыс обшивки и цулаги нужно изготовлять путем
выкладки па болванке стеклоткани с пропиткой основой н последую-
щем полимеризацией автоклавным формообразованием при t = (120 ±
±5)” С и давлении до 0,5 МПа;
для обеспечения герметичности форм между осями стеклоткани
рекомендуется прокладывать эпоксиполнамцдную или полиамидную
пленку толщиной 30 50 мкм;
для обеспечения герметичности торцы обшивок и форм следует
покрывать герметизирующим материалом;
на формах должны быть базовые отверстия для фиксации шабло-
нов, изготавливаемых из прозрачного материала, с нанесенной коорди-
натной сеткой и с отметкой мест установки узлов, накладок и т.п;
форму следует изготовлять из набора опорных шаблонов (лекал и
обшивок);
крепление обшивок форм к угольникам, установленным на
ложементах — шаблонах каркаса, следует выполнять за пределами
рабочей зоны с установкой обрезиненных гаек и нанесением герметика
под головки винтов и заклепок с двух сторон;
на формах следует устанавливать быстросъемные прижимы и рези-
новые прокладки для герметизации диафрагм. В нерабочих герметич-
ных зонах обшивок форм следует устанавливать штуцера нз расчета
одни штуцер на 1 м2 площади обшивки. На рабочие поверхности об-
шивок форм необходимо наносить информацию (линию обреза детали,
линию технологических припусков, оси установки дополнительных
элементов);
для обеспечения легкого снятия отформованных детален, пула! па
поверхность формы одинарной кривизны следует наносить нротиво-
адгезионный слой — полипропиленовую пленку, на поверхность формы
двойной кривизны - раствор компаунда. При необходимости поверх-
ность до нанесения противоадгезиоиного слоя может быть прошпак-
левана выравнивающими пастами, а для уменьшения гигроскопичности
поверхности нужно покрыть эпоксидным лаком.
7
195
Рис. 4.5. Схема увязки и изготовлении оснастки для формования обшивок из ПКМ.
1 - лекало каркаса; 2 - форма; 3 - цулагз; 4 - фалыидсталь; 5 - шаблон контура, 6 - форма с заполнителем, 7 - форма с цулагой;
8 - оснастка; 9 - плаз конструктивный; 10- эталон поверхности; 11 - форма в сборе
Изготовление стеклопластиковой оснастки требует применении
специализированного оборудования для изготовления форм методом
выклейкн и формованием
Для обеспечения увязки 1сометричсских размеров элементов ос-
настки используется теоретический плаз агрегата сборочного узла, на
котором увязываются отдельные сечения, переносимые па оснастку с
помощью шаблонов. Схема увязки и изготовления оснастки для фор-
мования обшивок сложной формы из ПКМ приведена на рис. 4.5-
Контроль технологического процесса изготовления стеклоплас-
тиковой оснастки состоит из контроля применяемых материалов
(основы ПКМ и армирующего материала), параметров препрегов, заго-
товок обшивок, процессов формования обшивок и сборки оснастки
4.2. РОБОТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
Процесс изготовления клеевых изделии характеризуется техноло-
гией и организационной формой. Технология определяется составом,
методами и последовательностью выполнения технологических опера-
ций. Организационная форма применительно к участку определяется
способами ведения технологического процесса, сочетаниями во времени
и пространстве операций изготовления деталей и узлов, закрепленных
за участком
Организационная форма производственного процесса во многом
определяет эффективность использования орудий груда, рабочего вре-
мени. а также маршрута движения изготовляемых изделий на пред-
приятии. Организационная форма производственного процесса находится
в тесной взаимосвязи с технологией производства. Технология раз-
рабатывается исходя из требований, предъявляемых к организационной
форме Так, чем более совершенна форма, гем тщательнее должна быть
разработана технология, чтобы обеспечивалась максимальная упификз
ция изделии, прямолинейность маршрутов обработки деталей, наи-
большая ритмичность производства и т п.
Кроме того, организационная форма взаимосвязана с системой
оперативного планирования и управления, особенно при их автомати-
зации- Производственный процесс склеивания, как и другие процессы
сборки является объектом управления, поэтому чем совершен-
нее его организационная форма, тем более эффективна должна быть
система управления им, включая и технические средства управления.
Особенно важна организационная форма, когда при склеивании
используются автоматизированные устройства и роботизированные
системы, управляемые от ЭВМ
Перспективы развития роботостроения связаны с решением ряда
технологических вопросов:
197
созданием легких и прочных материалов, которые включают как
органические, так и неорганические композиции, что повлечет за собой
снижение размеров и массы роботов;
использованием мощных источников энергии, таких,как генерато-
ры нз ядерном топливе или топливные элементы, которые позволят
роботам перемещаться с большой свободой:
разработкой высококачественных небольших приводов, позволяю-
щих создать более рациональные конструкции роботов;
созданием небольших первичных преобразователей с хорошими
характеристиками для опознания образцов (искусственные глаза, уши
и 1.д.);
улучшением систем управления роботами путем использования
достижений в области технологии микроЭВМ:
совершенствованием систем связи (дистанционною управления)
путем внедрения волоконной оптики, беспроводной связи и др.;
использованием высокоэнсргетнческих методов обработки, таких
как резка лазерным лучом, сварка, для снижения нагрузки па робот
и решения проблем проектирования;
использованием биомеханического ввода информации в систему
управления, приводящего к упрощению конструкции корпуса робота.
Поскольку предпосылкой реализации максимально возможной
прочности клеевого соединения является соответствующая подготовка
склеиваемых поверхностей, то, естественно, много работ посвящено
исследованию влияния этой операции на качество соединения и изуче-
нию связи свойств поверхностей с прочностью соединения. Основная доля
затрат при выполнении клеевых соединений приходится па подготовку
поверхностей. В нашей стране и за рубежом уделяется много внимания
внедрению роботизированных линий по химической подютовке поверх-
ностей.
Подготовка поверхности должна обеспечивать прочность сцепления
клея с деталями, большую, чем собственная прочность клея. Только
такое соотношение прочностей обеспечивает полное использование проч-
ностных характеристик клеевого слоя. Для получения подобного соот-
ношения используются методы химико-гальванической обработки
поверхности: травление в растворах хромосерной кислоты, анодирова-
ние в хромовой кислоте, а также хроматизированис. Только химичес-
кая или гальваническая обработка с последующим нанесением грунтов
и красок позволяет получить покрытие, которое дает надежную защиту
от коррозии и обеспечивает высокую активность пограничного слоя
при склеивании.
Травление в хромосериой кислоте применяется для алюминия и
его сплавов, за исключением сплавов с высоким содержанием крем-
ния. Этот процесс приводит к активизации поверхностей и увеличивает
эффективную площадь склеивания.
Анодирование в хромовой кислоте служит для создания поверх-
198
постного защитною слоя, который повышает стойкость к коррозии,
а также обеспечивает высокую прочность сцепления нри нанесении
клеев и красок. Толщина окисного слоя, которая образуется при об-
работке в хромовой кислоте, находится в пределах 3 ... 6 мкм. Для
динамически нагруженных детален следует учитывать, что в результате
анодирования снижается сопротивление усталости и прочность на исти-
рание
Слой окнелов, образовавшийся в результате обработки, состоит
из почти нс имеющего нор поверхностного слоя (диэлектрического)
и тонкого верхнего слоя с небольшими порами. Слон окислов препят-
ствует коррозии и. так как норы имеют незначительные размеры, яв
лястся идеальной основой для грунтовок, красок и клея. Следует об-
ратить внимание на то. что поры со временем закрываются поэтому
краску или клен следует наносить в определенный период (после аноди-
рования) для обеспечения хорошей адгезии
Хроматизирование является химическим процессом обработки
поверхности без подвода электрического тока и выполняется в ваннах
с погружением деталей в раствор хромата. В результате обработки
получают слой толщиной 0,1 ... 0,3 мкм. Этот слой является хорошим
подслоем для красок. Краски нужно наносить на поверхность ие позд-
нее чем через 10 ... 16 ч после хроматизирования.
Хроматизирование обеспечивает хорошее сцепление с грунтами,
но противокоррозионные свойства хроматизированного слоя ие очень
высоки Для повышения противокоррозионных свойств используются
грунты и краска. Следует учитывать, что хроматизированный слой
быстро истирается
В отечественной промышленности действуют роботизированные
линии по химической подготовке поверхностей деталей под склеива-
ние Технологический процесс подготовки поверхностей следующий:
1 Обезжиривание водными растворами тринатрия фосфата или
органическими растворителями. Время обработки 3 5 мин. Прн этой
обработке удаляются смазочные материалы и маркировочные знаки
2. Промывка в теплой воде. На I мг обезжириваемой поверхности
затрачивается 15 л воды, температура воды не более 20° С.
3. Промывка в холодной воде. На 1 м2 обезжириваемой поверх
ности затрачивается 25 л воды.
4. Осветление в 15 ... 30-процентном растворе азотной кислоты в
течение 2 .. 5 мин.
5. Повторная промывка в холодной воде (см. п. 3).
6 Травление в растворе бихромата натрия
7 Повторная промывка в теплой воде (см. п 2).
8. Повторная промывка в холодной воде (см. п. 3).
9 Повторное осветление в растворе серной кислоты (см. п. 4)
10. Повторная промывка в холодной воде (см. п 3)
11. Анодирование в хромовой кислоте.
199
12. Повторная промывка в теплой воде (см. п. 2).
13. Просушка при температуре 20... 50 ° С.
За рубежом подготовка поверхностей деталей из алюминиевых
сплавов под склеивание производится по следующей технологии, вклю-
чающей пиклинг-процесс (травление раствором серной кислоты).
1. Обезжиривание в парах трихлорэтилена при температуре 120° С
для удаления с поверхности жировых пятен и различных загрязнений.
2. Погружение в щелочной моющий состав на 8 ... 12 мин. Темпе-
ратура состава 60... 80° С.
3. Промывка в холодной воде при температуре 20° С в течение
5 ... 10 мин.
4. Травление в ванне в течение 20 ... 30 мин при температуре
65 ... 70° С в растворе, имеющем следующий состав: серная кислота,
бихромат, вода.
5. Промывка в дисциллированной воде в течение 3 ... 5 мин.
6. Сушка при температуре 65 ... 75 ° С до испарения жидкости.
7. Нанесение на свежеподготовлеиную поверхность грунта.
Описанные технологические процессы управляются автоматически
по заданной программе без участия человека. В задачу оператора, кото-
рый обслуживает автоматические линии подготовки поверхностей,
входят навеска деталей на зажимы, снятие их и передача иа упаковку
в полиэтиленовую тару.
Обезжиривание парообразным трихлорэтиленом применяется для
всех материалов, кроме титана, его сплавов и сталей. Трихлорэтилен —
негорючий органический растворитель.
Маркировку материала перед обезжириванием необходимо снимать
с помощью органических растворителей. Выдерживать детали в парах
трихлорэтилена следует до окончания процесса конденсации, т.е. пока
происходит образование капель.
При сильном загрязнении жирами можно провести предваритель-
ную обработку поверхности щелочными растворителями в ваннах.
Для получения хороших результатов при пиклинг-процессе после
обезжиривания поверхности подвергаются травлению и очистке. С
поверхности удаляется прочная неравномерная окисная пленка.
Проверка качества поверхности под склеивание производится
на образцах. Испытания производятся на отдир, причем сила отдира
должна действовать пер 1ендикулярно к клеевому шву. Склеивание
образцов производится по режиму склейки сборочных узлов: температу-
ра (160 ± 5)° С; давление приблизительно 1 МПа, время выдержки
(25 ± 5) мии. Испытание рекомендуется проводить при постоянной
скорости нагружения. На одну партию клея испытывается приблизи-
тельно шесть образцов.
Важной проблемой является обеспечение стабильности клеевых
соединений в условиях повышенной влажности. Прочные клеевые соеди-
нения легко могут разрушаться при действии влаги. Высокая прочность
200
клеевых соединений при высокой влажности получена при низких
значениях плотности электрического тока при анодировании. Во время
испытаний при низкой влажности влияние режимов анодирования не об-
наружено.
С помощью трансмиссионной электронной микроскопии установ-
лены не только различия в топографии слоев окислов на образцах, из-
готовленных при различных плотностях тока, но и появление в разру-
шенном образце клеевого соединения алюминиевого сплава, анодирован-
ного при высоких плотностях тока, тонких светлых полос непосред-
ственно поверх слоев оксидов. Сделан вывод, что слой оксида менее
стоек к действию воды и более чувствителен к механическому деформн
рованню, чем полимер внутри клеевого слоя.
Имеется ряд гипотез такого феномена. Согласно одной из них гра-
ница раздела препятствует риулярной полимеризации полимера —
клея Макроструктура поверхности разрушения свидетельствует о на-
личии при склеивании адгезии, а макроструктура очень тонких срезов
поперек образца — о наличии когезии в полимере вблизи слоя оксида.
Клеевые соединения, изютовленные после химического травления
образцов из алюминиевых сплавов, разрушаются но слою оксида, кото-
рый пропитан полимером. В этом случае к снижению влаюстойкости при-
частны как слой оксида, так и полимер - клей.
Существующие гипотезы напряженного состояния клеевых соеди-
нении металлов нс позволяют разработать методы расчета клеевых
соединений на прочность, пригодных для практического применения при
различных видах нагружения. Исходя из положений современной теории
пластичности и рассматривая клеевое соединение, состоящее из двух
соединений металлических элементов и тонкой клеевой прослойки как
изотропную систему, сформулировали критерии для оценки гипотез
напряженного состояния клеевых соединений и определения области их
возможного применения [ 16].
Для равномерного распределения клея но поверхности широко
используются промышленные роботы. Многие клеи обладают высокой
вязкостью и содержат высокотемпературные полимеры. При работе с
этими клеями требуется экструзионное оборудование. Контроль тем-
пературы при разливе выполняется роботами, которые на больших
площадях рабочих поверхностей быстро и с высокой точностью по
толщине разливают клен но режимам заданным ЭВМ
За рубежом разработаны устройства, которые могут быть приме-
нены в различных производствах для смешивания двухкомпоненг-
иых клеев, в том числе высоковязких и высокоабразивных. В ФРГ
разработаны устройства для нанесения плавких клеев с высокой вяз-
костью при температуре нагрева более 200° С Емкости в устройствах
могут вместить 5 и 18 кг клея, производительность расплавления сос-
тавляет 12 или 25 кг/ч. Клеи подаются с помощью шестеренного насо-
са по обогреваемому шлангу длиной 1,2 ..3 м на конце которого
находится пневматический вентиль или ручной пистолет
201
В ГДР создан в трех вариантах пистолет для нанесения клея-рас-
плава В камеру пистолета загружается до 100 г гранул клея. В течение
15 .. 20 мин при температуре 210° С происходит расплавление гранул
и образуется расплав, который подастся в рабочую зону с помощью
сжатого воздуха.
В ФРГ разработаны два робота для нанесения клея на детали авто-
мобилей, размещаемых параллельно. Значительные работы проведены
в создании роботов для загрузки высокоскоростных современных
прессов. Эти роботы обладают шестью степенями свободы и могут
выполнять поворот иа 180° Использование робота позволяет решить
проблему загрузки прессов гибкой автоматизированной системы.
Осваивается также робот, оснащенный усовершенствованными
программирующими устройствами и манипуляторами- Для повышения
точности повторения положений и простоты технического обслужива-
ния прессов в роботе имеется преобразователь. Робот нмее! систему
самодиагностироваиия, которая позволяет определять пробой мощного
транзистора и повреждение соединительных проводов манипулятора.
Для фирмы "liopTpon” разработан робот-нортал для автоматиза-
ции технологических процессов изготовления стабилизатора из ПКМ
Этот робот применяется для раскроя заготовок, фасонного фрезерова-
ния и сверления изделий из ПКМ на углеродном армирующем материале.
Фирма ’’Нортроп” использует ножницы, совершающие возвратно-пос-
тупательное движение под контролем ЭВМ. Эти ножницы используются
для раскроя различных ПКМ при получении заготовок.
Для укладки раскроенных слоев из ПКМ фирма "Нортроп” устанав-
ливает роботы. Эти роботы могут ’’распознавать” форму и ориентацию
изрезанных заготовок из графитоэпоксидной ткани, доставляемых
по монорельсовому механизму. Робот проверяет доставленные заготов-
ки, укладывает их на основание технологической оснастки в соответ-
ствии с их волоконной ориентацией и качеством Создав автоматизи-
рованную производственную линию, фирма ’’Нортроп” планирует пос-
тавку вертикальных стабилизаторов и изготовление киля из 1рафиго-
эпоксидного материала.
Хотя в настоящее время фирма ’’Нортроп” использует в основном
графитозпоксидиый материал, ее специалисты считают, что будущее
за гибридными материалами, в состав которых кроме трафитовой осно-
вы мотут входить стекловолоконная и кевларовая пряжи. Гибридные
материалы, как показывают испытания, имеют более высокую вынос-
ливость, и они уже применяются в качестве ограничителя трещин. Раз-
работана управляемая с помощью ЭВМ рабочая ячейка оперативной памя-
ти, которая полностью автоматизирует процесс изготовления заготовок
из ПКМ. При разработке была проведена унификация технологических
операций. Было выделено шесть типовых операций, выполняемых
в автоматическом режиме'
1. Распределение по поверхности стола для раскроя iipenpei овой
ткани из ПКМ.
202
2- Раскрой и разрезание ткани ио форме, заданной программой.
3. Транспортировка раскроенных заготовок на рабочие места для
выкладки на форме.
4 Укладка необходимого числа слоев раскроенных заготовок в
соответствии с запрограммированной схемой ук ядкн.
5. Обрезание излишков заготовки на форме и создание контура
будущего изделия.
Рис. 4.6. Схема поточной автоматизированной линии для изготовления из угле-
пластиков панелей кили самолета Л310:
1 - ЭВМ управляющая; 2 установка дня резания струей воды под высоким
давлением; 3, 5 - манипуляторы; 4 — машина намоточная; 6 - хранилище опра-
вок; 7 - установка для контроля намоточных оправок, 8 стол подготовки
намоточных оправок на укладочную машину; 9 - машина укладочная для вык-
ладки обшивок; 10- обшивка с оправками; 11 автоклав, 12- стенд для де-
монтажа оправок, 13,15 конвейеры возврата оправок; 14 стенд для очистки
оправок
203
6 Контрольная проверка — определение качества укладки и кон-
тура.
Фирма ’ Эрбас Ипдзетри” разработала автоматизированную линию
для изготовления панелей киля из уменластиков для самолета АЗ 10
(рис. 4.6) Отрезание препрегов, намотка их на оправку намоточного
станка, установка намоточных оправок нз предварительно выложен-
ную обшивку, укладка лапок стрингеров, обжатие оправок и полимери-
зация панелей выполняются автоматически с помощью ЭВМ. Объем
ручного труда на этой линии сведен до минимума.
Механизированная выкладка препрега с углом укладки слоев 5°
применяется для изготовления деталей двойной, а также одинарной
кривизны и заключается в автоматизированном изготовлении отдель-
ных препрегов, слоев препрега, переносе слоев препрега на обработан-
ную адг сливным составом форму и прикатке их к форме.
Требования по технологичности изделий при их конструировании
зависят от содержания технологического процесса. Так, при технологи-
ческом процессе выкладки радиус закругления должен быть не менее
5 мм, а допуск на угол ориентации — в пределах 1
Режимы выкладки зависят от характеристик применяемого преп-
рега. Параметры режимов изменяются в следующих диапазонах: ско-
рость изменяется в пределах 1 10 м/мин, температура — в пределах
20 .. 120° С, давление — в пределах 0,05 ... 0,15 МПа на 1 мм ширины
препрега.
При автоматизированном процессе выкладки радиус закругления
определяется видом механической обработки отвержденного пластика
а ориентация армирующего материала задастся послойно, при этом
изменение угла ориентации в одном слое не допускается Контроль ав-
томатизированного процесса выкладки выполняется в каждом слое по
показателям, приведенным в табл. 4.1.
Автоматизированная линия изготовления заготовок обшивок из
yi лезпоксидпых материалов разработана фирмой "Бритиш Аэроспсйс”
Таблица 4.1
Показатель Используемые приборы и инструменты Допустимая погрешность контроля
Скорость выкладки Приборы установленные па 1 0,1 м/мии
пульте
Давление прикатки То же 10,5 Па
Температура прикатки ±5’С
Сила натяжения препрега 1 Н
Угол ориентация Шаблон или угломер 0.5°
204
Рис. 4.7. Схема аптоматизированнон пинии изготовлении заготовок обшивок из
углезпокепдного материала, разработанного фирмой "Бритиш Аэросиейс”:
1 - станок для выкладки препрега; 2 форма; 3 - раскрой препрега; 4 — уст-
ройство дня резания препрега; 5 стол для комплектования заготовок; 6 - хо-
лодильник; 7 - стенд для подготовки вакуумного мешка: 8 - столы для формо-
вания и сборки; 9 - автоклав; 10 - стенд для подготовки препрега, 11 - отделе-
ние храпении и подготовки форм
(рис. 4.7) Процесс выкладки осуществляется автоматизированной
системой, управляемой ЭВМ. На этой линии смонтирован автоклав для
формования заготовок.
Выполненные пакеты препрега для передачи на формование можно
хранить на стеллажах при температуре в цехе 18 ... 25° С и относительной
влажности до 75%, Пакеты хранятся завернутыми в полиэтиленовую
пленку, под которую закладывается бирка с указанием номера чертежа,
но которому он изготовлен, даты выпуска, номера партии полуфабри-
ката.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ, ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА
И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
5.1. КОНТРОЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ И ТИПОВЫЕ ДЕФЕКТЫ
Появление самолетов, скорость которых в три раза превышает
скорость звука, вызвало необходимость разработки термостойких
клеев.
При больших скоростях полетов используются полиамидные и
205
полибснзимидазолытыс клеи Кроме того, появились новые клеи, ра-
бо|зюшие при температуре 232° С до 30000 ч, при температуре 371° С
до 200 ч и при температуре 457 ... 538° С до 10 ч.
Поверхность космического корабля "Спейс шаттл'’ оклеена плит-
ками. Плитки соединены с корпусом корабля крсмнийоргапичсским
клеем. Плитки изготовлены на основе селнкона. потому что темпера rv-
Рис. 5.1 .Схема процесса склеивания и его контрола
206
ра клеевого слоя на орбите 112° С, а при спуске в слоях атмосферы под-
нимается до 260° С. При гаком перепаде температур наносится опреде-
ленное число слоев грунтовки, что обеспечивает снижение разности ко-
эффициентов теплового расширения алюминиевого сплава, нз которого
изготовлен корпус, и плиток.
Для получения клеевого соединения высокого качества выпол-
няются (рис. 5.1)
1. Контроль компонентов клеев.
2 Контроль процесса нанесения грунтов и режимов их сушки.
3 Контроль режимов склеивания (температуры, давления, врс
мени полимеризации и вакуумирования).
4. Определение прочностных характеристик на образцах.
Для оценки прочности клеевых соединений действует система про-
ведения испытаний (рис. 5.2). На прочность клеевого соединения силь-
но влияет направление приложенной силы. Испытания на прочность при
силе, направленной перпендикулярно плоскости соединения, выпол-
няются на образцах, приведенных на рис 5 2, д В этом случае предел
прочности при растяжении является довольно большим Предел проч-
ности нри испытании на скалывание (рис. 5 2, е) или на расслоение
(рис 5 2, ж и з) очень низкин Когда клеи находится в стекловидном
состоянии, которое характерно для эпоксидных клеев, предел проч-
ности на сдвиг с растяжением достигает 10 МПа. в то время как предел
Рис. 5.2. Образцы для испытания при
оценке качества склеивания и схемы
нх нагружении
а - испытание на сдвиг с растяжением,
б — йены талии из сдииг при сжатии;
в - испытание нз ударную вязкость;
г - испытание из кручение; д - испы-
тание на растяжение, е - испытание
на скалывание, ж испытание на
расслоение под углом 180°,' з - испы-
тание из расслоение под углом 9(Г,
и - испытание на изгиб
207
прочности при расслоении выше 0.1 МПа получить сложно. Испытания
на изгиб (рис. 5.2, и) проводятся иа слоистых образцах, имеющих боль-
шую площадь соединения. Исходя из этого при проектировании необ-
ходимо учитывать схему нагружения узла и создавать благоприятные
условия работы клеевого соединения.
5. Контроль клеевого соединения на сплошность неразрушаюшими
методами (ультразвуковым, рентгеновским, путем термографии и др.).
Для подтверждения стабильности прочностных характеристик
клеевого узла в процессе серийного производства проводятся выбороч-
ные статические испытания до разрушения готовых клеевых узлов и
агрегатов.
Дефектами следует считать повреждения в структуре материалов,
которые ухудшают их физико-механические характеристики, установ-
ленные ГОСТами, ТУ и нормалями. Допустимыми обычно считаются
дефекты, ухудшающие физико-механические характеристики в пределах
погрешностей инженерных расчетов и погрешностей измерений, выпол-
няемых при механических испытаниях. Дефекты, которые возникают
в ПКМ, часто нс имеют эквивалента в металлических узлах
Рассмотрим типовые производственные дефекты в наиболее перс-
пективных конструкциях, изготовленных из ПКМ Анализ дефектов
позволяет сделать вывод, что причиной их возникновения при изготов-
лении изделий является несоблюдение технологии подготовки сырья,
неудовлетворительное состояние технологического оборудования, нару-
шение технологии изготовления и последующей термообработки из-
делии.
Надо отметить, что обнаружить форму дефектов в ПКМ труднее,
чем в металлических клеевых конструкциях, да и механизм разрушения
конструкций из ПКМ сложнее, чем конструкций из металла. Относитель-
но недавно начали применять методы иеразрушающего контроля ПКМ,
разработанные для оценки качества клеевых конструкций.
Армирующие материалы (стеклоткани, стекловолокна, углерод-
ные волокна), а также основы, применяемые для изготовления ПКМ,
должны соответствовать ГОСТам, ТУ и нормалям. Основа должна иметь
строго нормированные вязкость, содержание летучих веществ, а также
степени желатизации и однородности Вязкость основы обеспечива-
ется соответствующим содержанием в ней отвердителей и пластифи-
каторов Стеклоткани применяются для изготовления, конструкций, ис
входящих в силовую схему планера и агрегатов. Для этих конструкции
не требуется особенно строгий контроль качества. Углепластики в
последние годы нашли широкое применение при изготовлении лопастей
вертолетов, роторов.
Методы контроля и средства для выявления имеющихся дефектов
необходимо дифференцировать в зависимости от значимости изготов-
ленных деталей и узлов Посторонние включения, т.е мелкая шлаковая
пыль, земля, мелкие щепки, обрывки стекловолокна и другие вклю-
чения, попадая под слой стеклоткани, мешают его уплотнению при по-
208
лимсризации. В районе этих включений остается воздух или собирается
смола. К подобным дефектам приводит низкая культура производства
Значительное влияние на качество стеклопластиков оказывают
несовершенство конструкции и техническое состояние технологичес-
кого оборудования, а также контрольно-измерительных приборов.
Неравномерность обогрева или охлаждения изготовленного изделия
приводит к образованию поверхностных вздутий, расслоений, трешин,
короблений и избыточной пористости материала. Это особенно заметно
при изготовлении крупногабаритных деталей, изделий сложной кон-
фигурации и значительной толщины.
В ряде работ [2, 3. 4J дана классификация технологических дефек-
тов стеклопластиков, возникающих из-за отклонений от заданных
режимов при изготовлении конструкций. Известны и другие классифи-
кации дефектов стеклопластиков. Например, в работе [ 16] все дефекты
разделены иа два класса. К первому классу относятся дефекты, воз-
никающие в стеклопластиках при изготовлении изделий. Ко второму
классу относятся нарушения сплошности полимерной основы.
Необходимо знать, в каких условиях будут работать изделия
из ПКМ Возможно, что один и тот же материал, имеющий некоторые
дефекты, в одних условиях будет работать удовлетворительно, а в
других — в нем могут развиваться имеющиеся дефекты. Исходя из
этого дефекты можно разделить на два класса дефекты, неразвиваю-
щисся при работе конструкций из ПК.М, и дефекты, развивающиеся в
процессе эксплуатации и вызывающие ухудшение эксплуатационных
характеристик, а иногда приводящие к катастрофическим последст
виям [9]
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся наружные и внутренние
дефекты ПКМ (табл. 5.1).
Таблица 5-1
Дефект Внешние признаки Причина возникновения
Внешние дефекты
Дефекты в отвержденной смоле Наличие неровно- стей на поверх- ности изделия, волнистость Небрежная подготовка поверх- ности рабочей оснастки (особен- но из древесины), сдвиг Неза- полимеризованных верхних сло- ев материала
Дефекты иа поверхности раздела осно- ва - армиру- ющее волокно Наличие расслое- ний и пустот Нарушение технологии подготов- ки тканей к пропитке смолами
8. Крысип
209
Продолжение табл. 5 1
Дефект Внешние признаки Причина возникновения
Раковины Появление иа по- верхности полос- тей различных форм Наличие воздуха в основе .боль- шой объем летучих растворите- лей, нарушение режима прес- сования
Трещины в декоративном слое Следы разрушения в переходе между счсннями разых радиусов Повышениис содержание осно- вы,увеличение местных напряже- ний. деформация в процессе полимеризации
Выделение текстуры на поверхност- ном слое Появление неров- ностей Наличие инородных включений иа по - всрхиости Недостаточное содержание осно- вы в поверхностном слое, недо- статочная толщина пллкнровоч кого слоя, выдавливание стек- лоткани на поверхностный слой Низкая культура производства
Неровности поверхности Отставание верх- него слоя от ос- новою материала, наличие воздушных пузырей Плохая пропитка верхнею слоя изделия или препрега, наруше- ние технологии укладки верхних слоев
Разрыв воло- кон в поверх- ностном слое Отклонение толщины ма- териала от номинальной Следы разрывов и Ошибки в схеме укладки прсп- наличие трещин рсга. особенно в эонах сечения большого радиуса и в эонах перехода от них к сечениям малою радиуса Внутренние дефекты Местное утонение Неправильная дозировка основы конструктивного и армирующего матерала» его элемента неравномерная укладка сдвиг армирующего материала, нерав- номерное обжатие в процессе нолнмернзацнн
Пустоты (пористость) Воздушные пузырь- ки в основе диа- метром 2... 3 мм Попадание воздуха при смеши- вании компонентов основы, на- рушение режима отверждения основы при ускоренной поли- меризации. летучие растворители нс успевают удалиться из мате- риала
Воздушные включения Вытянутые округ- ленные воздушные пузыри более Змм, Неполное удаление воздуха внесенного при укладке слоев наполнителя недостаточная си-
210
Продолжение табл. 5 1
Дефект Внешние признаки Причина возникновения
расположенные МСЖДУ слоями стеклоткани ла прикатки прн формировании и полимеризации изделий осо- бенно сложных форм
Складки по- Неровности па Нарушение технологии укладки
по кон поверхности из- делий препрега, несоответствие объе- ма препрега рабочему объему и Пресс-форме
Неполная по- В течение задан- Плохое качество компонентов
димеризация иого времени от- верждения основа основы, неправильная дозиров- ка отверждающих добавок, нс
не приобретает необходимой проч- ности, адгезион- ных свойств и стойкости к агрес- сивным средам удовлетворительное перемеши- вание основы, нарушение режи- мов отверждения
Складки в Неровности по Неправильный раскрой эагото
концевых со- единениях изделия краям изделия вок препрега, неправильная ею укладка. излишнее число слоев препрега
Заворачива- Нхтичие складок Несоответствие объема пренре-
нис одинар- ных слоев препрега на поверхности изделия га < бъему формы
Изготовление конструкций из ПКМ включает несколько этапов.
Так, при изготовлении панелей крыла и стабилизатора, стенок лонже-
ронов и нервюр с усиливающими элементами вначале формируются
обшивки, профили стрингерного набора, усиливающие элементы. Затем
отформованные элементы проходят неполную полимеризацию, сборку
в "сыром” виде. Окончательная полимеризация проходит при сборке
узла - склеивании, т.с. при адгезии основы. Адгезия может иметь место
между ПКМ и ПКМ, ПКМ н металлом, а также между ПКМ и сотовым
заполнителем [3].
При склеивании основой - адгезивом проверяют:
нет ли посторонних частиц, повреждений и ошибок при сборке
слоев армирующего материала;
подготовку поверхности к склеиванию;
нет ли включений, разрывов в слое адгезива;
режимы отверждения;
режимы наложения слоев препрега, г с следят за снятием ззщит-
8
211
ных пленок с препрегов, убеждаются, что не образовались пустоты при
наложении слоев препрега и др.
Дефекты могут возникнуть и развиваться в эксплуатации при стати-
ческих перегрузках ударах, перегревах и т и. Микроскопические де-
фекты трудно выявить в процессе изготовления деталей. Состояние
конструкций из ПКМ может изменяться под действием молнии, ударов
птиц и камней, эрозии от дождя и града. Менсе очевидными являются
ухудшения, вызываемые влажностью, особенно при длительной экс-
плуатации.
Гидросмесь, топливо н масло оказывают незначительное влияние
на ПКМ, особенно с основой из эпоксидных смол.
У многих ПКМ влага может диффундировать в основу Если в
ПКМ имеются пустоты, непроклси, то скорость диффундирования
значительно возрастает. Появившаяся в ПКМ влага увеличивает его
гигроскопичность. Влага замерзает при низких температурах или прев-
ращается в пар в условиях сверхзвукового полета, и это может привес-
ти к разрушению ПКМ. Особенно опасно, когда влага находится на гра-
нице армирующего материала и основы. Гигроскопичность ПКМ умень-
шается с улучшением качества основы, а также ио мере совершенство-
вания технологии укладки слоев препрега и отверждения
Неровности, раковины, трещины, загрязнения , а также растрески-
вания поверхностного слоя сказываются на прочности ПКМ не сразу,
а по истечении некоторого времени. Они приводят к оголению основы,
что увеличивает гидрофобность и, следовательно, ослабляет прочност-
ные свойства ПКМ Большинство исследователей технических служб
предприятий отрасли оценивают эти дефекты интегрально как "порис-
тость”
Согласно результатам испытании образцов на разрушение проч-
ностные свойства многослойных ПКМ не зависят от числа рас-
слоений. пор, воздушных пузырьков, а определяются их суммарной
и
площадью S /., где С — площадь отдельного дефекта в процентах от
г =1 ' 1
площади ПКМ Расслоения считаются допустимыми, когда их суммарная
п
площадь 1 Г- меньше или равна 20 см2 на поверхности ПКМ площадью
/=1 '
0,5 м2, которая составляет 0,4% от площади соединении слоев ПКМ
при условии, что дефекты отстоят друт от друга на 5 см. Допустимые
расслоения или норма расслоений Л р определяются формулой
л
i =1
N <---------- «00,
Р /.•
гдсР— исследуемая площадь образца.
212
Норма пористости устанавливается из предположения, что поры
распределены в материале равномерно. Норма пористости N вычисли*
ется в процентах от объема материала по формуле
р Ч1 41
=И—(-+-)] ЮО.
Ч ₽1 Р1
где р — плотность стеклопластика, q — масса образца; q,. q2 — масса
армирующею материала и основы; рх и р2 — плотность армирующего
материала и основы
Специалистами США допускаются волнистые неровности со стороны
материала, обращенного к оснастке, высотой до 0,38 мм и на противопо-
ложной стороне — до 0,76 мм.
Дефекты, подобные воздушным включениям расслоениям, явля-
ются концентраторами напряжений. Они ослабляют полимерную основу,
разъединяя слон армирующего материала, и сильно влияют на проч-
ность изделия. Эти дефекты препятствуют равномерному распределению
напряжений по сечению изделия.
Трещины в основе являются концентраторами напряжений и влияют
на прочностные характеристики, так же как расслоение, с той лишь раз-
ницей, что развиваются быстрее, могут иметь разветвления и привести
к резкому разрушению основы между слоями армирующего материала.
Неполная полимеризация основы снижает твердость ПКМ, ослабляет
адгезию между отдельными слоями армирующего материала, ухуд-
шая его демпфирующие свойства, а также другие механические харак-
теристики. Увеличение объема основы по отношению к объему армирую-
щего материала приводит к увеличению массы изделий- Эксперименталь-
но установлено, что увеличение объема основы на 55 ... 58' приводит
к снижению предела прочности па сдвиг на 12 -. 15%. а предела проч-
ности на сжатие на 8 ... 10%.
Недостаточный объем основы, т.с обеднение ПКМ, приводит к
уменьшению адгезии между слоями ПКМ что создает условия для
появления расслоений.
Инородные включения вызывают искривление волокон, создают
области с повышенным содержанием смолы или вызывают скопление
пор. При циклических напряжениях включения могут образовывать
локальные области, в которых начинаются усталостные разрушении.
Таким образом, основными причинами разрушений (полных или
частичных) ПКМ являются:
разброс физико-механических и теомсгрнческих параметров осно-
вы и армирующего материала;
недостаточно хорошие адгезионные и когезионные характеристики
основы и армирующего материала;
остаточные напряжения в основе;
внутренние технолш ичсские микродефскты волокна, основы на
213
границе раздела волокна — основа (поры, трещины, расслоения, рако-
вины, складки);
поверхностные дефекты (риски, царапины, складки, оголение
основы, трещины, срез препрега, его нахлесты и др.).
5.2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
Элементы конструкции, изготавливаемые из ПКМ. соединяются между собой
и с другими деталями клеями, основой ПКМ. заклепками, болтами-заклепками
и их сочетанием.
Дня обеспечения целостности конструкции па заданный срок службы необ-
ходимо уметь своевременно выявлять дефекты Важностью этой задачи и обьяс-
пяется особое значение, которое придается развитию псразрушаюшнх методов
контроля. Эксплуатация по состоянию конструкции вместо эксплуатации в те-
чение определенного срока делает еще более важной задачу разработки иер«>
рушаюшях методов контроля и повышения их надежности.
Методы нерззрушающего контроля должны гарантировать нахождение де-
фекта с большой степенью доверительной вероятности
К неразрушающим методам контроля относятся методы обнаружения дефек-
тов типа нарушения сплошности при склеивании и неоднородности материала
без нарушения целостности изделия Псразрушаюшие методы контроля исполь-
зуются в процессе изготовления конструкций из ПКМ. Нсрззрушаюпшми мето-
дами контроля можно определить геометрию изделия, толщину сюя основы
ПКМ, выявить поверхностные и внутренние дефекты.
Имеются различные методы нсраэрушающего контроля. Наиболее распрост-
раненными являются акустические электрические, мапштные радиационные,
сгекломстрнческие. механические, оптические, тепловые, микрорадионолиовые
инфракрасные голографические методы. Каждый нз указанных методов имеет
несколько вариантов, отличающихся частотным диапазоном, способом ввода в
контролируемый объект, способом приема и регистрации колебаний, видом воз-
буждающих воздействий (непрерывные, гармонические, импульсные), типом
измеряемого параметра и т.д. Например, только акустические методы имеют
более десяти Вариантов: импульсный, вибрационный, резонансный импедансный,
акустической эмиссии, фазовый нелосиммстритый эхо-имиульс пай зеркаль-
но-теневой спектральный, поляризационный, амплитудно-временной ультраз-
вуковой. акустико-голографический и др. |5|
Основными критериями, обусловливающими выбор иераэрушающих методов
контроля, является высокая чувствительность, безопасность в работе, возмож-
ность автоматизации контрольных операций, сравнительная простота методики
контроля, возможность использования серийной аппаратуры, сравнительно невы-
сокая стоимость контроля возможность использования обслуживающего персо-
нала невысокой квалификации
Фирма Фоккер" разработала интересный метод неразрушающего контроля
клеевых конструкций, осуществляемый с помощью элсктроустройства, которое
возбуждает высокочастотные колебания, распространяющиеся в направлении дей-
ствия основных напряжений, и одновременно фиксирует реакцию клеевого шва на
нагрузку. Этот метод применяется ведущими самолетостроительными фирмами
Англин. Франции, а также США
Проверки методами неразрушающего контроля являются частью контроля,
производимого в процессе производства изделий нз ПКМ. В настоящее время все
больше деталей связанных с обшивками, изготавливаются из ПКМ с углепласги-
ковым армирующим материалом. Это лонжероны, нервюры, стрингеры и др- Они
имеют различную форму, и мнот-ис трудности при проведении контроля можно
214
решить, рассмотрев эти элементы как угловые, Т- и 1- образные секции балок,
панелей.
Части нервюр и фланцы с плоскими поверхностями можно проверять теми
же методами, что н листовой материал. хотя при этом могут потребоваться специ-
альные шаблоны
Поверхности с изгибами являются более трудными дня проверки, а на них с
наибольшей вероятностью могут возникнуть дефекты при изготовлении Если
контролируемая поверхность изделия плоская, то возможно применение узкой
ультразвуковой головки со сложной формой контактной поверхности
Проверка элементов Т образных форм достаточно проста так как волны
падают на нижнюю поверхность под острым углом, и этот угол будет зависеть
от акустического импеданса ПКМ В этом случае могут быть применены поиско-
вые головки с отражением волн от задней стенки Элементы (-образной формы
могут изготавливаться различными способами, и качество проверки будет зави-
сеть от технологии изготовления переходов этих элементов. Закрытые полости в
этих элементах обычно заполняются стеклопластиком, и проверка поверхностей
таких полостей трудна.
Фирма ” Фоккер" разработала тестер, позволяющий определить загрязнение
клеевого соединения металлических материалов. Посредством анализа показаний
счетчика можно установить характеристики клеевых соединений сборочных эле-
ментов. например определить предел прочности при растяжении. Контроль выпол-
няется контактным или иммерсионным ультразвуковыми методами, тестером
фирмы Фоккер”, методом акустической дефектоскопии радиографическим.
го»01рафическим, термическим методами, с помощью фотохромных красок и
сканирующих инфракрасных систем При использовании указанных методов в
отдельности или в комбинации можно установить качество склеивания и состоя-
ние клеевого слоя в процессе производства и эксплуатации Однако в эксплуатации
и на стадии производства агрегатов из ПКМ имеются случаи, когда выполнить
контроль нельзя. Так, нельзя в процессе эксплуатации определить, имеются Мн
усталостные повреждения конструкции, проникла ли влага в ПКМ. имеются ли
участки, пораженные гальванической коррозией, в местах соединения углеплас-
тиков с алюминиевыми сплавами или сталью, коша присутствует электролитная
среда
В данном разделе описаны методы контроля и ере детва оценки качества
выполнения деталей из ПКМ
Наиболее простым методом исраэрушающего контроля является акустичес-
кий метод. Вариантами этого метода являются:
реверберационный метод, основанный па отражении импульсов от поверх-
ности двух сред и анализе времени объемной реверберации в контролируемом
объекте
резонансный метоп. основанный на возбуждении вынужденных упругих
колебаний в контролируемом объекте или в его части и анализе параметров коле-
баний
Реверберационный метод применяется для контроля клеевых многослойных
комбинированных конструкций тина лист - лист (ПКМ - металл) при толщине
металлического листа не менее 13 мм Контроль осуществляется с помощью
дефектоскопа. При проверке комбинированной конструкции на его поверхность
накладывается полиуретановая пленка, на пленку наносится тонкий слой кон-
тактной жидкости Этот метод нельзя применять при контроле тонкостенных кои
струкций из-за сложности формирования диаграммы направленности ультразвуко-
вых колебаний в плоскости конструкции
Резонансный метод применяется для контроля качества клсиваиия конструк-
ций типа лист - лист при одностороннем подходе к конструкции и когда толщина
верхнего доступного слоя больше толщины последующих слоев. Настройка уста-
новки контроля производится из образце конструкции типа лист - лист. Основные
виды дефектов, которые могут быть выявлены в ПКМ этими методами, являют* я
215
расслоения, пустоты, разрывы в волокнах и т.п. Расслоения отображаются на ос-
циллоскопе. Стандартная головка, имеющая диаметр рабочей поверхности 10 мм.
на частотах 7,5 мГц эффективно работает на площади диаметром до 6 мм. Такне
головки могут находить расслоения длиной приблизительно 0.15 мм.
Для перемещения головки по поверхности изделия в процессе контроля
созданы механизированные установки.
Аналогичные механизированные установки действуют и иа зарубежных фир-
мах. Так, на заводах фирмы "Бритиш Аэроспейс" действует автоматическая
установка для контроля монолитности клеевой обшивки стабилизатора самолета.
Установка состоит из каркаса, иа котором смонтированы средства механиза-
ции. приводящие в движение систему контроля. Установка имеет компьютер,
позволяющий резко снизить время контроля и упростить процесс анализа. Особен-
ностью установки является способность перестраиваться при изменении толщины
изделия во время выполнения контрольных операций. Благодаря наличию ком-
пьютера можно запрограммировать работу на запись полученных результатов.
Установка позволяет выявлять и фиксировать дефекты площадью до 1 мм2 п
резко сокращает трудоемкость контрольных операций. Так, контроль обшивки
стабилизатора самолета "Хорриср" при замене тестера этой установкой сократился
с 20 до 2 ч.
В последние годы получил развитие метод акустической эмиссии, основанный
на регистрации акустических волн в твердых телах при пластической деформации
и возникновении трещит Эти волны воспринимаются поисковой головкой и
записываются па бумажную или магнитную лепту. Метод акустической змисии
используется для выявления дефектов после проведения механических прочност-
ных испытаний. Если к агрегату, изготовленному из ПКМ, приложена нагрузка,
то вследствие эмиссии воли малой длины можно обнаружить мальм повреждения.
В качестве неразрушающего метода контроля плоских изделий из ПКМ при-
меняется в основном микро радиоволновый метод, основанный на действии отра-
женных и затухающих радиоволн. ПКМ в отношении микрорадиоволи можно
принять как однородную среду, так как размеры неоднородностей весьма малы
по сравнению с длиной микрорадноволиы. Вследствие этого микрорадноволновым
методом можно выявлять различные неоднородности, включения, а также влагу
в изделиях из ПКМ большой толщины. Этим методом возможно также обнару-
жить поры, межслойиые разрушения, а также такие вкиючепия, как инти. По
чувствительности этот метод уступает акустическому методу.
Особенно часто мнкрорадиоволновый метод используется для контроля
препрега со стекло- или бороволокпом. Он может быть успешно применен для
контроля очень плотно уложенных слоев со стороны подложки, определения
перегибов волокон.
Перспективным является также магнитный метод с использованием сверх-
звукочастотных инфракрасных излучений.
Для выбора оптимальных режимов контроля производится периодическая
проверка работоспособности и настройка дефектоскопов, используемых при конт-
роле. Для этой цели используют стандартные контрольные образцы с моделями
дефектов. Образцы должны иметь те же параметры, что и контролируемые агрега-
ты, изготов яться по технологии изготовления контролируемых конструкций
и иметь размеры заготовок не менее 300 X 300 мм.
Модели дефектов, имитирующие непроклей или расслоение, могут быть
изготовлены одним нз следующих способов:
I. Между слоями с выходом на кромку образца закладывается свернутая
вдвое фторопластовая пленка или лепта из титана толщиной 0.1 мм, смазанная
противоадгезионным составом. Перед контролем пленка (лента) удаляется.-
2. Фрезеруются углубления после склеивания многослойного образца.
3. II । заданной площади, имитирующей дефект, на 2 ... 3 мм подрезается
блок сотового заполнителя.
216
4. После склеивания в многослойном образце высверливаются отверстия.
Радиационные методы — рентгенографический, радиоскопическнй. рэдиомст
рнческнй - применяются для обнаружения внутренних дефектов в материалах и
изделиях Эти методы основаны иа различном поглощении излучения дефектными
и бездефектными участками
Радиационные методы различаются по виду представления окончательной
информации. При рентгенографическом методе выявленный дефект представля
ется в виде фиксированного изображения на рентгеновской пленке. В качестве
источников излучения используются рентгеновские аппараты, укомплектованные
острофокусмыми трубками с напряжением от 10 до 100 кВ. При радноскопичсс-
ком методе изображение представляется на флуоресцирующем экране с помощью
электронно-оптических преобразователей, оптических усилителей и телевизион-
ных систем. При радиометрическом методе окончательная информация об ноли
зирующем излучении представляется в цифровом виде или фиксируется стрелкой
приборов
Рентгенографический метод может быть использован для определения кар-
тины распределения волокон п пряже, обнаружения узлов, завернутых краев
препрега, а также инородных включений Необходимым условием применения
рентгенографического метода является возможность двустороннего подхода
к контролируемому участку. С одной стороны контролируемого участка уста-
навливается источник излучения - рентгеновская трубка л с другой - регистра-
тор - пленка, заключенная в светонепроницаемый конверт.
Фирмой "Нортроп проведены сравнительные испытания по опенке эффек
тнвностн ряда методов перазрушающего контроля иа щитке закрылка. панелях
фюзеляжа размерами 610 X 610 X 25,4 мм и секциях крыла При испытаниях,
наряду с акустическим и голографическим методами, использован рентгеногра-
фический метод. Испытания показали что рентгенографический метод недостаточ-
но аффективен для оценки расслоений ПКМ. однако ои успешно может быть ис-
пользован для контроля повреждений многослойных конструкций с сотовым
заполнителем. Для контроля используются рентгеновские лучи с энертей порядка
нескольких десятков килоэлектрон-вольт при экспозиции. равной нескольким
люкс-минутам- Источник излучения располагается па расстоянии 300 ... 3000 м.м
от объекта контроля
В последние годы внимание исследователей обращено на нейтронную радиог-
рафию как новый метод перазрушающего контроля. Фирма “Воут” разработала
нейтронную радиографическую систему для контроля элементов конструкций
самолетов н ракет в полевых условиях. Система позволяет находить дефекты во
внутренних областях конструкций и определять их размеры.
Научным центром с^мрмы "Рокуэлл" разработана автоматизированная упы-
разпуховая установка для испытаний I рофнтоплаетиков, предназначенных для
использования в конструкциях ракет и самолетов. Она состоят из крупногабарит-
ного бака с иммерсионной жидкостью базового поворота >го стопа, мостика и
шести шаговых двигателей, обеспечивающих в ранги не стола, перемещение мостика
и ориентирование ультразвуковых первичных преобразователей. Мостик переме-
щается но трем осям Скорость перемещения первичного преобразователя
762 см/с.
Для управления установкой использовали миниЭВМ, микропроцессор, два
терминала с диском для хранения данных, программный дисплейный процессор.
9-дорожные магнитные ленты н видсопрмнт. В образцу для калибровки размерами
127 X63.5 X1.65 мм выполняли прорезы размерами 6.35X3.25 мм. параллель-
ныс короткой стороне, и углубления диаметром 0508 мм.
Для испытаний ПКМ. нашедших применение в транспортном космическом ко-
рабле "Спейс шаттл”, изготавливали конструкционный элемент длиной 260 мм
шириной 635 мм и высотой в центре 35 мм, а по краям 1 04 мм. На элементе
выполняли четыре отверстия диаметром 1,85 мм и одно - диаметром 6.35 мм
217
При сканировании луч захватывал область 152 X 356 мм. включающую калибро-
вочные образцы и конструкционный элемент. Относительно большой уровень
эхо-сигнала получали при использовании первичного преобразователя, имеющего
скос в одном направлении. Области ПКМ с дефектами легко обнаруживались на
экране дисплея.
Тепловые методы неразрушающего контроля используются для выявления
дефектов типа непроклеев н расслоений в тонколистовых конструкциях с тол-
цииой верхнего слоя из ПКМ до I мм Эти методы основаны на взаимодействии
теплового поля объекта с термометрическим чувствительным элементом. Пара-
метры теплового поля, преобразованные в электрические или другие сигналы,
leредаются иа регистрирующий прибор. Контроль осуществляется с помощью пло-
щадного радиационного нагревателя - тепловизора
В США для получения равномерною нагрева прогревается малая площадь
и используется сканирование лазерного луча Интенсивно разрабатываются спосо-
бы нагрева импульсным электрическим током и горячим воздухом.
Разработан метод теплового изображения. Сущность его состоит в том. что
на изделие наносится слой электропроводящего материала и слой диэлектрика,
поверхность которого обычно исследуется Поиск дефектов производится инфрак-
расной сканирующей системой. Нагрев изделия осуществляется электрическим
током, пропускаемым по токопроводящему материалу. Этот метод позволяет
исследовать 3 м за 1 с. К недостаткам этого метода следует отнеетн исобходи-
мость наличия гладкой поверхности исследуемого изделия
Размер дефекта можно определить по температурному профилю благодаря
однозначной связи между границами дефекта и скоростью изменения поверх-
ностного температурного перепада (рис. 5.3) Так как при дифференцировании
непрерывной шадк й функции точкам максимального се изменения соответствуют
экстремумы первой ее производной в качестве критерия, связанного с определе-
нием размеров дефектов при этом методе, были выбраны экстремумы Первой
производной температуры.
Перед началом проведения внутренней дефектоскопии проводится контроль
поверхностей, соединений оптическими методами Эти методы используют для
выявления поверхностных дефектов типа трещин, сколов, выпучиваний и для
выявления непроклеев и зазоров, выходящих на поверхность внешнего контура
клеевого торцевого соединения. Контроль производится с помощью лупы 4-крат-
ного увеличения.
Контроль качества трехслойных клеевых панелей с легким сотовым запол-
нителем проводится для выявления зон испроклея между обшивками из ПКМ
н заполнителем, а также возможных расслоений в обшивках из ПКМ
Для выявления внутренних и поверхностных дефектов в эонах клссклепаных
Рис 5 3 Схема определения размера
х внутреннего дефекта ПК.М:
1 - ПКМ; 2 - дефект внутренний
218
соединений многослойных конструкций из ПКМ проводится иоопсраииониый
не разрушаю! ций контроль
Технологии свсрдсипя отверстий должна обеспечивать целостность ПКМ
н клееных соединений конструкций. После сверлении многослойных конструкций
до установки крепежных элементов необходимо проводит!, оптический контроль
с целью обнаружении поверхностных дефектов (трещин, скопов выпучиваний,
отслоений) с применением луны.
Номенклатура, число и зоны неразъемных соединений, подлежащих исраз-
рушаюшему контролю, определяются в соответствии с ТУ. Контроль может произ-
водиться после выполнения всех тсхнолотнчсекнх операций изготовления не-
разъемного соединения или кооперационно. например после склеивания, после
механической обработки, до и после установки крепежа при изготовлении кон-
струкций из ПКМ
Для контроля качества склеивания многослойных конструкций с сотовым
заполнителем с углеродным волокном могут быть успешно применены голографи-
ческие методы, которые позволяют выявлять различного тина аномалии Голот-
рафии возникла на стыке он гики и радиотехники Сущность одного из вариантов
голографического метода метода голографической интерферометрии состоит
в том. 'по сравниваются два фронта волн, один из которых соответствует нсде-
формированному объекту. в второй тому же объекту, но несколько дсформи
роианному. СпрОсктнропитшт.те в одно место пространства полны образуют интер-
ференционную картину, имеющую лил leMiieparypni.ix и световых понос, форма и
расположение которых определяют степень различия фронтон или степень деформа-
ции объекта.
Методом голографической интерферометрии контролируется еилошцостьскле-
ивания многослойных конструкций, л также выявляются дефекты и многослойных
конструкциях е сотовым заполнителем. Дефекты внутри летали шит у се поверх-
ности вызывают изменение физических характеристик материла в соответствую-
щих местах. Характер деформирования дефектного участка и близлежащих об-
ластей различен.
Глубина залегания дефекта нспроклея в мпогоотойных дублированных
клееных конструкциях определяется но числу интерференционных полос, кото-
рое (метет с увеличением Шубины залегания дефектов. Используя эталоны с имею-
щим леи дефектами, расположенными па определенных гмубияэх. можно построить
каттбропочпую кривую, характеризующую заниенмость птубнтпн залегания от
числа сборочных iicmchioii. Н настоящее время ратрзботаны голографические
установки с оптическим квантовым генератором непрерывного действия Для
регистрации голограмм применяются установки, работающие в сверхвысокочас-
гонтом диапазоне.
К срслантам обработки толст рафичсской информации <и носятся устройство
инода и вывода, программа ММИИШНЗЮ синтеза результатов голографического
иссяедотыпия и программа машинного иоссг.шоннетшя голограмм.
Фирма "Нортроп” использует подвижную импульсную лазерную голографи-
ческую установку ;тля определения качества панелей и шиаигоу тон с сотовым
заполнителем, изготовленным и-з алюминиевого сплава Пренишы и шпангоуте,
например, обнаруживаются но аномалиям н интерференционной картине. Для
уменьшение отражаемости на Черную поверхность разбрызгиванием наносили бе
лос покрытие. Эго приводило к более точной идентификации трещин.
Ряд работ, проведенных в США и ФРГ. показали возможность иснольтотыпня
голографии для определения расфюсншт в ПКМ и выявления ipcnuiH, образую-
щим я в результате тпгружеипй, а также шмесообрантосн. соноставлеиня голог-
рамм. снятых с нагретых и охлажденных образцов, с целью получения данных о
термических деформациях и вызываемых ими трещшнтх. При количественном
анализе голограмм перемещение любой точки но нормали к освещенной лазер-
ным лучом поверхности </] может быть рассчитано но уравнению
219
di и X/2 • n • 0.3.
где « - порядок интерференционного кольца; X - длина волны гслий-нсотювого
лазера. ранная 632.8 нм.
Расчетная noi решность нс превышает 5 %.
С помощью экспериментальной лазерной усг-аповкн исследовали дефекты
крупногабаритных панелей из ряда ПКМ, состоящих из полиуретанового сотового
заполнителя и стсклоплаетттковой (па основе полиэфира) обшивки Изучали крип
панелей и соответствующие ему отрыв или отслоение обшивки от сотового запоя
пнтсля. В результате эксперимента удалось обнаружить небольшие отслоения,
вызванные неоднородностью склеивания поверхностей ПКМ.
Вопрос о выборе средств неразрушающего контроля изделий нз ПКМ явля-
ется акуталытым и активно разрабатывается в тыщей стране и за рубежом. Анализ
отечететвеиной и зарубежной литературы позволяет сделать следующие выводы:
1 Каждому виду изделий из ПКМ, наряду с типовыми, присущи дефекты,
характерные только для него.
2. Пет универсальных ттеразрушаютцих методов контроля ПКМ. каждый метод
имеет свои достоинства и недостатки
Нс все виды дефектов можно выявить одним нз методов тте|>азру|лэющего
контроля Например, радиационные методы не выявляют рыхлость, акустические
методы - инородные теле, складки, т ре шины и расслоения, ориентированные
параллельно волнам, а также поры диаметром менее I мм н расслоения длиной
менее I мм Следовательно для выявления всех дефектов необходимо пополь-
зовать комплекс методов неразрушающего контроля.
3. Самыми надежными методами в настоящее время являются акустические и
радиационные. Наиболее перспективными являются тепловые н голо графические
методы.
4. На контролируемые конструкции разрабатываются технолоптчевене карты
220
неразрушэющсго контроля, которые определяют метод контроля и его тех
11ОЛ0ГЯЮ.
Важной технологической операцией контроля, обеспечивающей надежную
длительную эксплуатацию многослойных конструкций с сотовым заполнителем,
является проверка агрегатов на герметичность, предупреждающая проникновение
влаги внутрь агрегата.
Технологический процесс подготовки агрегатов с сотовым заполнителем
к контролю на герметичность состоит нз следующих операций-
изготовления вакуумного мешка, укладки испытываемого агрегата, обеспе-
чения герметичности мешка-
вакуумирования мешка в течение 1 ч при давлении 0,05 МПа;
перекрытия линки, идущей к вакуумному насосу, и подачи гелия нз баллона
в вакуумный мешок;
иапоннепия агрегата гелием в течение 1 ч. мешок при этом должен взду-
ться (рис. 5.4);
извлечения агрегата из вакуумного мешка, прощрки новерхнос1и хлоп-
чатобумажными салфетками, смоченными бензином, продувки уплотнительных
профилей, застойных зон агрегата сжатым возду хом для удаления остатков гелия
и передачи агреКта на контроль.
Контроль на герметичность агрегата производится масс-спсктроме|рическнм
методом с помощью гелиевого теленскателя. Сущность этого метода контроля
заключается в том, что отвакуумиронзнный. а затем заполненный гелием агрегат
подвергается контролю на наличие гелия по выходящему из внутренних нонос-
тей агрегата гелию с помощью щупа, соединенного гибким шлангом с камерой
течеискатвля Перед началом испытаний течеискатепь настраивается по калибре
ночной течи па определенную чувствительность по чистому гелию. По показа-
ниям шкалы отмечают нсгермстнчиыс места н составляют карту-схему н с пси
передают агрегат на донолннтелы1ую Поверхностную герметизацию.
Герметизация проводится полисульфидным герметиком (рис 5.5) Для сок
ращепня цикла герметизации агрегатов необходимо следить за тем, чтобы наложе
пне первого герме гируюшего слоя было выполнено с большой тщательностью,
особенно в местах стыка элементов конструкции, около головок болтов, и эоне
навески узлов
Рис. 5.5. Типовые сечения
плоских панелей герметизи-
рованных по стыку с кар-
касом и но заделке:
1 — обшивка 2 — заполни
тель сотовый; 3 — клей;
4 - композиция вспениваю-
щаяся клеевая; 5 - стекло-
ткань; 6 - слой первый
герметика; 7 - слон после-
дующие герметика 8 - гер-
метик внутришовный
221
5.3. ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА КОНСТРУКЦИЙ
В процессе производства и эксплуатации появляются механические повреж-
дения обшивок, что приводит к воздействию влапт на внутренние части агрегата
и к ухудшению прочностных характеристик. При эксплуатации мопогослойных
конструкций с сотовым заполнителем и конструкций из ПКМ возникают типовые
дефекты, которые можно свести в следующие группы:
I. Царапины на поверхностях нссквоэные механические повреждения об-
шивки Н.Ш слоя ПКМ. возникающие при эксплуатации агрегатов. Царапины могут
быть неглубокие - менее 30 % и глубокие - более 30 % толщины обшивки
(рис. 5.6.в).
2 Вмятины деформации обшивки и сотовою заполнителя (рис. 5 6 6)
Эти дефекты возникают при эксплуатации В зависимости от размера вмятины
классифицируются:
неглубокие, ко, да гяубина h < 2,5 мм. а площадь до S < 4 ем’;
яубокне, когда Л > 2,5 мм и S > 4 см’. Глубокие вмятины можно разделить
на вмятины с дностороинсй пробоиной (в одной обшивке) и со сквозной про
войной
3. Щелевые трещины - нарушения целостности обшивки многослойной кон-
струкции с сотовыми заполнителем и обшивки из ПКМ. Причиной этих дефектов
могут быть механические повреждения лри эксплуатации В зависимости от зоны
удара трещины могут выходить на край обшивки агрегата тити находиться в зоне,
обрамленной каркасом (рис. 5.6 в).
4. Пробоины - местные разрушения в обшивке с сотовым заполнителем или
в обшивке из ПКМ Эти дефекты появляются в условиях производства или при
эксплуатации Пробоины могут быть нсскоэнымп (рис. 5 6, <)) местное разру-
шение со стороны одной обшивки со смятием сотового заполнителя и сквозными
(рис. 5.6. г) - разрушение обеих обшивок с нарушением целостности сотового
заполнителя. В результате этого дефекта происходит разгерметизация нарушение
сплошности соединения обшивки с деталями каркаса и сотовым заполнителем
В агрегатах, изготовленных с применением ПКМ пробоина не только нарушает
целостность обшивки, ио н вызывает образование трещин в зоне удара, нарушение
сплошности слоя углеродных волокон и образование ворсистости. Пробоины мо-
гут вызывать необходимость снятия ai-рсгата с изделия для ремонта или в случае
vro исрсмоптопригодносги списания и замены новым агрегатом
5 Отслоения - нарушения целостности клеевых соединений обшивка -
сотовый заполнитель, накладка - обшивка, обшивка - каркас, каркас - сотовый
заполнитель, слоев углеволокон. а также усиливающих элементов из ПКМ и дета-
лей каркаса Дефект возникает из-за механических повреждений обшивок и сото-
вых заполнителей, но может явиться следствием нарушения технологического
режима выполнения отдельных операций или накопления влаги внутри агрегата с
сотовым заполнителем и последующего замерзания (рис. 5.6. О-
Возникающие дефекты в зависимости от их размеров можно подразделить
на три руппы:
к первой ipyunc можно отнести дефекты, с которыми изделие допускается
к зсплуатэттнн без ремонта;
ко второй группе можно отнести дефекты, после устранения которых изделие
допускается к эксплуатации
к третьей группе дефектов можно отнести дефекты, с которыми изделие не
допускается к эксплуатации.
В первую группу входят дефекты, при наличии которых внешний вид изде-
лий не соответствует ТУ загрязнения отсутствие в отдельных эонах лакокрасоч-
ных покрытий наличие потертостей на наружной поверхности и др. Эти дефекты
легко устраняются в процессе эксплуатации бригадами обслуживания самолета.
Ко второй группе дефектов относятся: проколы, трещины и пробоины в
222
Рис- 5.6. Типовые дефекты:
а — царапина; б — вмятина; в — трещина, г — пробоина сквозная, д — пробоина
нссквозная; е - отслоение;/ - длина дефекта; Л - глубина дефекта, D - средний
диаметр дефекта; Лв - высота вспучивания
223
обшииках, вмятины и отслоения. Наличие этих дефектов не допускает эксплуа-
тации агрегатов так как вызывает снижение прочности, проникновение влаги
внутрь агрегата и образование конденсата Накопление вла "и в конструкциях
с сотовым заполнителем происходит либо из за нарушения сплошности в обшив
ках (трещин пробоин), либо из за отслоений и нарушения герметичности Раз
пица давлений воздуха на уровне земли и на высоте, где эксплуатируется изделие
способствует засасыванию атмосферного воздуха с водяными ларами н обраэо
ваиию и накоплению конденсата.
Наличие влаги в многослойных конструкциях с сотовым заполнителем
может вызвать:
коррозию фольги и обшивок;
разрушение сотового заполнителя а в отдельных случаях н всего ai регата
особенно при замерзании воды
отслоение обшивок от сотового заполнителя па значительных плошадях;
нарушение балансировки агре татов в системе управления самолетом.
В связи с этим удаление влаги является дней нз важнейших задач при рсмон
те Наличие влаги может быть определено визуально или рентгеновским мето-
дом.
Основанием для обследования многослойных конструкций с сотовым запол-
нителем на наличие влаги является разбалансировка агрегатов, а также подте-
кание воды в узлах навески, в стыках обшивок в Неплотных стыках обшивок с
каркасом, вспучивание обшивок, неравномерное отпотевание агрегата после полета
(в эоне наличия влаги дольше удерживаются капли конденсирующегося из возду-
ха водяного пара).
В дефектах связанных с механическими повреждениями (в проколах, трещи-
нах, пробоинах), влагу обнаруживают с помощью полимерных трубочек или xiy
тиков из фильтровальной бумаги Объемное содержание влзеи в агрегате и нас-
колько она распространилось определяется рентгеновским методом.
В третью группу дефектов входят сквозные пробонпы значительных размеров,
нарушения целостности хвостовой кромки на большой площади, мест креплений
с углами управления агрегатом в полете и др.
При ремонте многослойных конструкций из алюминиевых сплаве в с сотовым
заполнителем применяются клеи холодного и горячего отверждения.
Ремонт многослойных конструкций с сотовым заполнителем может произ-
водиться как в условиях аэродромов с целью восстановления исходной прочности
ai-регатов и их герметичности так и в условиях предприятий изготовителей или
ремонтно в сстановительных мастерских:
Рассмотрим техиологою ремонтно-восстановительных работ многослойных
конструиций с сотовым заполнителем при некоторых дефектах
1 Ремонт нри неглубоких царапинах проводится в следующей последователь-
ности
обрабатывается наждачной бумагой участок обшнвкн шириной 1С 15 мм
на всю длину царапины,
выводится царапина на всю глубину;
восстанавливается лакокрасочное покрытие согласно схеме окраски изделия.
2 Ремош при трещинах выходящих на край обшивки, но нс заходящих па
сотовый заполнитель, проводится в следующей последовательности
засвсрливается край трещины на всю толщину обшивки др клеевого слоя
сверлом ф 2 мм
эона ремонта иа расстоянии 30 ... 50 мм вокруг трещины покрывается окси-
дирующим составом и тщательно просушивается;
подготавливается заплата таким образом чтобы при наложении на дефект
она на 20 мм с каждой стороны перекрывала его
приклеивается заплата (рис 5 7), при необходимости Ъопа ремонта нагре-
вается лампами накаливания либо воздухоиа1-рсватсльпой установкой
224
Рис. 5.7. Схема установки заплат на сквозные пробоины многослойной панели
а — заплаты < динакового размера; б - заплаты разных размеров; 1 - панель
ремонтируемая толщиной Л; 2 - вставка сотового заполнителя диаметром D,
3 - заплаты диаметром D, Dt, Р2; 4 - клей вспенивающийся; 5 клей
проводятся работы чо восстановлению лакокрасочных покрытий в эоне
ремонта.
В качестве заплат нспользу югся анодированные листы - заготовки из алюми-
ниевых сплавов Контур заплаты должен быть плавной линией, край заплаты
не должен иметь заломов заусенцев. Трещин.
3 . Ремонт при односторонних Пробоинах длиной 10 ... 100 мм можно про-
водить без демонтажа агрегатов с изделия в следующей последовательности
(^ис. 5.8):
проводится механообработка обшивки н зоне пробоины (удаляются злибы
заломы. трещины, скругляются резкие переходы в пробоинах);
проводится контроль на наличие влаги в эоне пробоины с помощью полимер-
ных трубо>мк или жгутиков из фильтровальной бумаги;
сотовый заполнитель обезжиривается растворителями (бензином с аитиста
тиком) обрабатывается ацетоном и выдерживается 15 мин;
Рис. 5.8. Схема ремонта многослойного
агрегата с сотовь м заполнителем, имею-
щего одностороннюю пробоину
1 - агрегат ремонтируемый 2 - ставка со-
тового заполнителя диаметром D; 3 -
прокладка, 4 - нагреватель; 5 - пленка
для приклеивания накладок 6 - наклад-
ка компенсирующая; 7 — прижим 8 -
клей вспенивающийся
225
I
/
пробоина полностью заливается свежеприготовленным вспенивающимся
клеем. На залитую клеем пробоину укладывается полиэтиленовая пленка н нак-
ладка из алюминиевого сплава толщиной 1 мм;
клей выдерживается для отверждения;
снимаются излишки клея;
проводится подготовка поверхности агрегата к приклеиванию заплаты, для
чего зашкуривается, обезжиривается бензином и обрабатывается специальным
раствором путем наложения тампона зона приклеивания;
обработанная поверхность промывается водой для удаления остатков раст-
вора и просушивается;
на ремонтируемую зону наносится клеевая пленка, укладывается заплата из
алюминиевого сплава, пленка из полиэтилена, полипропилена или фторопласта;
клеевое соединение нагревается, клей отверждается;
излишки клея снимаются, герметизируются кромки и восстанавливается
лакокрасочное покрытие.
4 . Ремонт при сквозных пробоинах длиной до 40 мм с двусторонним подхо-
дом к зоне ремонта проводится в следующей последовательности:
удаляется лакокрасочное покрытие с ремонтируемой площади и проводится
механообработка для получения ровных кромок;
устанавливается технологическая подкладка для предотвращения вытекания
вспенивающегося клея;
свежеприготовленный клей заливается в пробоину па полную ее Шубину,
клей отверждается;
снимаются излишки клея и зачищаются кромки;
с обеих сторон пробоины приклеиваются заплаты по технологии, приведенной
в п. 3.
Ремонт сквозных пробоин длиной от 40 до 100 мм производится по техноло-
гии ремонта сквозных пробоин длиной до 40 мм, но вместо заливки вспениваю-
щегося клея приклеивается заглушка - сотовый заполнитель, а затем - заплата
Ремонт сквозных пробоин в агрегатах с односторонним подходом произво-
дится по технологии ремонта сквозных пробоин с двусторонним подходом с той
Лишь разницей, что подготовка эоны ремонта производится выборкой сотового
заполнителя на глубину пробоины.
При приклеивании накладок можно пользоваться либо грузами, либо вакуум-
ными прижимами с присосками (рис- 5.9).
В качестве нагревателей можно использовать электронагреватели (рнс- 5.10),
а также ламповые н воздушные нагреватели (рис. 5.11).
Нагревательный элемент электронагревателя представляет собой полосу из
коррозионно-стойкой стали толщиной 0.1 ... 0.15 мм Удельная мощность, переда-
ваемая нагревате (ем поверхности изделия, составляет при температуре окружаю-
щей среды - 15е С 0,5 Вт/см1. когда зона ремонта прогревается до 125° С. и
0,7 Вт/см’, когда эона ремонта прогревается до 175° С.
Мощность электронагре ателя для нагревания поверхности до температуры
125° С подсчитывается по формуле
P^O.SnR1,
где R - радиус круглой зоны.
Сопротивление электродвигателя
ги = 0.5 гЛ’/Г.
где I - сила тока. Кроме того, сопротивление нагревателя должно соответство-
вать допускаемому напряжению £7 = //^.
Ширина полосы и число полос крутого плоского электронагревателя опре-
деляются методом подбора по зависимости
гуД/а>6) = 0.5>гЯ.
226
Рис. 5 9. Схема вакуумного прижима с вакуумной присоской н камерон избыточ-
ного давления:
1 - присоска вакуумная, 2 - выводы тсрморсзнстора; 3 - выводы нагревателя;
4 - штуцер воздушного мешка; 5 - мешок воздушный' 6 выводы термопары;
7 - терморезистор; 8 - нагреватель; 9 - теплоизолятор; Ю - термопара; 11
камера воздушная; рм — давление в воздушном мсшкс;рП - давление в присос-
ке; / - расстояние от опоры до середины присоски; I. - расстояние от опоры до
середины воздушного мешка
Рис. 5 10- Схемы электронагревателя (а) и его укладки па ремонтируемую поверх
кость (б) -
1 - панель ремитируемая; 2 - электронагреватель; 3 - термопара; 4 - зона
ремонта; 5 - покрытие гибкое с нагревателем; 6 - зона давления; 7 провод под-
вода питания к электрона: рева гелю R радиус нагревателя
227
Рис. 5.11. Схема лампового (о) и воздушного (б) нагревателей'
1 - зона ремонта; 2 - устройство для перемещения ламп; 3 - камера для создания
микроклимата; 4 - труба для подачи горячего воздуха; 5 - устройство с лампами
накаливания
где („ - суммарная длина полос электронагревателя; г - удельное сопротив-
ление” b - ширина полосы; 6 - толщина полосы: К - радиус злектротш-ревателя.
Электрона) ревателн изготовляются но следующей технологии:
стеклоткань натягивается на рамку;
на стеклоткань шпателем наносится состав из клея, отвердителя и нзполпн-
теля;
элек|ропагрсвателы1ый элемент укладывас1ся па стеклоткань и покрывается
оставшейся частью стеклоткани,
стеклоткань прикатывается ро 1нк< м к электронагревательному элементу
и проверяются полосы электронагревателя на отсутствие замыкания;
закрепляются - подпаиваются выводы для подключения электронагревателя
к сети питания,
изолируются выводы, для чего вырезаются нз резины заготовки размером
20 X 30 X 5 мм, укладываются па пленку клея. и проводится термостатнровзпие
Число присосок л для создания давления при приклеивании с 40-нроцептпым
запасом определяется с учетом схемы действия сил (см. рис 5 9)
n~pMSU(0.6 рп 0.
где 5 — площадь, нз которую оказывается давление; R рзднус вакуумной при
соски.
Заключительной технологической операцией ремонта является проверка
агрегата. сборочного узла из герметичность масс-спсктрометрнчсскнм методом с
помощью гелиевого тсчсискатсля после заполнения проверяемых изделий гелием
Заполнение изделий гелием проводится в вакуумном мешке или вакуумной ка
мере после проведения предварительного вакуумирования всего изделия
228
5.4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ СКЛЕИВАНИИ И ОБРАБОТКЕ ПКМ
Клеевые работы характеризуются следующими вредными Производственными
факторами;
повышенным содержанием вредных паров и аэрозолей в воздухе рабочей
зоны;
наличием статического электричества;
повышенным напряжением источников питания электрооборудования.
повышенным уровнем вибрации;
повышенным уровнем ультразвука кош рольных установок
повышенным уровнем шума на рабочем месте;
наличием электромагнитного ноля;
повышенной температурой поверхности оборудования-
наличием подвижных частей оборудования;
наличием острых кромок и заусенцев на поверхностях деталей и оборудо-
вания.
Значения параметров микроклимата и концентрации вредных веществ
в воздухе рабочей зоны не должны превышать значений, установленных
ГОСТом. Перечень основных вредных веществ, наиболее часто выделяющихся
в процессах склеивания, приведен в табл 5.2.
Таблица 52
Вещество Предель- но до- пусти- мая концент- рация, мг/м3 Класс опас пости Токсикологическая характеристика
Эпихлоргидрин 1 2 Аллерген, раздражает слизистые обо- лочки, поражает печень и почки
Толуол 50 3 Наркотик, раздражает слизистые оболочки, действует на кровь
Ацетон 200 4 Наркотик, раздражает слизистые оболочки
Бензин 100 4 Наркотик, действует на органы дыхания
Нитрил акрило- вый 0,5 2 Действует на кровь, на сердце, на верхние дыхательные пути и на нервную систему
Бутилакрилат 10 2 Действует на нервную систему, на кровь, вызывает дерматиты, разд- ражает слизистые оболочки
Метилвинилпири- дин 0,5 2 Действует на кровь, вызывает дер- матиты, нарушает сон, вызывает головную боль
Диэлорэтан 10 2 Наркотик, действует на печень, почки, раздражает дыхательные ну-
229
Продолжение табл. 5.2
Вещество Предель- но до- пусти- мая КО1ЩСНТ- рация, мг/м3 Класс опас- ности Токсиколо1ичсская характеристика
Этил ацетат 50 3 ти. вызывает изменение сердечной мышцы Наркотик, раздражает слизистые
Фенол 0,3 2 оболочки, действует на кровь Сильный яд. действует на нервную
Бутилацетат 200 4 систему Наркотик, раздражает слизистые
Этиловый спирт 1000 4 оболочки, действует на органы дыхания Наркотик, действует на нервную
Формальдегид 0.5 2 систему, печень, сердце Действует иа нервную систему
Толуилендиизо- 0.05 2 Раздражает дыхательные пути, дей-
цианат Ацетофенон 5 2 ствует на кожу Вызывает дерматиты, изменяет ритм
Этиленгликоль 5 2 дыхания н пульс, повышает утомля- емость Вызывает хроническое отравление.
Хромо кислый 0.01 1 действует на центральную нервную систему и ночки Вызывает отравление раздражающим
стронций Уксусная кисло- 5,0 3 действием Раздражает слизистые оболочки
та Бутиловый спирт 10 3 Наркотик, раздражает слизистые
Метил этил кетон 200 4 оболочки и верхние дыхательные пути Раздражает слизистые оболочки, вызы-
Бензол 5 2 вает дерматиты Наркотик, раздражает кожу, действует иа
Трехо кись 1 2 кровь и кроветворящис органы Раздражает слизистые оболочки
сурьмы Метилстирол 5 2 Наркотик, действует на кровь
слизистые оболочки печень
Примечание. Все приведенные в таблице вещества находятся в рабочей
зоне в виде пара, кроме трехокиси сурьмы, которая в рабочей зоне находится
в виде аэрозоли.
230
Работы с пожароопасными и и репными hciucctimimh должны провопит ьея при
включенных вентиляционных системах, устройство и эксплуатации которых долж-
ны Отвечать требованиям Г<ХТ 12.4.021-75. В случае выключения вентиляцион-
ных систем работы с этими петееншмн должны быть приостановлены.
Работы по изготовлению трубопроводов из ПКМ должны выполняться в
специальных производственных помещениях. При работе с основами ПКМ должны
соблюдаться правила техники безопасности при работе с эпоксидными смолами и
материалами на их основе. Производственные участки должны оIпечать строитель-
ным и санитарным нормам и правнязм а также требованиям отраслевой нор-
мативно-технической документации Необходимо учитывать, что При выполнении
работ по изготовлению трубопроводов из стеклопластиков выделяются вредные
вещества: эпихяортплрпп, ацетон, бензин.
При ручном ................оперхносгей следует применять хлопчатобумаж
пые салфетки, ымноиы и другие материалы, нс способствующие накоплению
статического электричества
Нанесение грунтов должно, как правило, производиться механизированным
способом. При невозможности полной механизации следует использовать ручные
машины пневматические пистолеты, отвечающие требованиям I ОСТ 12. 2 010 75
Нанесение следует проводить в камере или отдельном помещении, оборудованном
местной вытяжной вентиляцией и гипрофильтром или другом устройством для
улавливания аэрозолей Во время нанесения грунтов с помощью пневматического
пистолета следует соблюдать требования, изложенные в пасЛорю на пего.
Загрязненный нря обезжиривании н нанесении клея обтирочный материал
а также твердые отходы нужно складывать в плотно закрывающуюся металличес-
кую тару, которую ио мерс заполнения, по нс реже одною раза в смену, должны
удалять из производственного помещения в специальные, опредспснные пожарной
охраной, места.
При работе с автоклавом следует соблюдать правила ио безопасности труда
при автоклавном формовании полимерных материалов.
Вес применяемые вредные вещества должны иметь установленные предельно
допустимые концентрация в воздухе рабочей зоны и токсикологическую харак-
теристику. утвержденную органами здравоохранения
Концентрации взрыво-пожароопасных веществ в местах их наибольшего
скопления нс должны превышать предельно допустимых взрывобезопасных кон-
центраций.
Исходя из особенностей технологических процессов склеивания и изготов-
ления деталей из ПКМ можно сформулировать общие требования к ним.
При создании новых и пересмотре действующих технологических процессов
склеивания для устранения вредных и опасных производственных факторов сле-
дует:
заменять вредные и пожароопасные вещества менее вредными н негорючими
веществами, разрабатывать новые составы для обезжиривания без органических
растворителей разрабатывать клен с пониженной токсичностью компонентов,
создавать теплостойкие клеи;
заменять клеи горячего отверждения на клеи холодного отверждения, снижать
температуры отверждения клеев;
заменять операции, связанные с возникновением опасных и вредных производ-
ственных факторов, операциями, при которых указанные факторы отсутствуют
создавать новые способы обезжиривания, уменьшать число операций по на-
несению клея с помощью кистей, исключать операции нанесения жидкого клея в
качестве подслоя, широко применять операции с использованием пленочных клеев
и по возможности заменять пастообразные клен на пленочные, применять техно-
логические слои из лавсана и других материалов для исключения операций зашку-
рнваиия поверхностей ПКМ перед склеиванием. заменять операции обезжиривания
нанесением адгезионных грунтов;
231
создавать более технологичные конструкции с целью исключения операции
обезжиривания путем использования свежеанодированной поверхности;
создавать токопроводящие клеи, позволяющие снять или снизить уровень
возникающего на них потенциала статического электричества;
механизировать и автоматизировать процессы склеивания (операции по от-
делению нротивоадгезионных слоев от пленочного клея, процессы обезжирива-
ния и т.д.);
своевременно удалять и обезвреживать пожаро- и взрывоопасные отходы
производства.
Технологическая оснастка, приспособления по обеспечению безопасного
производства работ, детали, на которых в процессе работы возможно образова-
ние или накапливание зарядов статического электричества, должны быть за-
землены.
232
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I - Берсудскнй В.Е., Крыснн В.Н., Лесных С.И. Технология изготовления
сотовых авиационных конструкций М Машиностроение. 1975 282 с.
2 Биди р П.П., Гершберг М.В. Контроль качества и нормы допустимых Де
фектов в стеклопластиках. Л.: Судостроение. 1972. 26 С-
3 Вавилов В.fl.. Горбунов ВИ. Тепловые методы не разрушающею контре ш
многослойных структур // Дефектоскопия. 1984. .V 4. С 5-10.
4 Гершберг MJB. Ильюшки С.В., Смирнов ВИ Нсразрушающие методы
контроля судостроительных пластиков. Л.: Судостроение, 1971.200 с.
5 Гурвнч Г.С Быстроотвсрждающиеся клен холодного отверждения. М Хи-
мия. 1972. 160 с.
6 Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей
на станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение. 1976. 288 с.
7 Кардашов Д.А. Синтетические клен М Химия 1978.502 с.
8 Кардашов Д.А. Эпоксидные клен. М. Химия. 1973. 192 с.
9 Кейгл Ч. Клеевые соединения: Пер. с ант. / Под ред. Д.А. Кардашова.
М Мир. 1971 295 с.
10 . Косинская Л.Н., Масюк Ю.П., Карташов А.В. Анализ в. няпня технических
параметрон процесса серно-кислотного анодирования алюминиевого сшива па
плотность оксидного покрытия- М : Машиностроение. 1981 351 с.
11 - Крыснн ВЦ. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении М Ма
шнпостроепне, 1980. 272 с
12 . Крыснн В Н. Технологическая подготовка авиационного производства.
М Машиностроение. 1984 200 с-
13 . Панин В.Ф Конструкции с сотовым заполнителем М Машиностроение
1982 151 с.
>4. Применение конструкционных пластмасс в производстве ЛА / А.Л. Аби-
бов Б В Бойцов. Г А Молодцов и др. -М Машиностроение 1971 186 с.
15 Технология самолетостроения А.Л. Абнбов. П.М Бирюков В В Бойцов
н др. М.: Машиностроение. 1982. 550 с.
16. Callars R., Terry G.Combisiticated eircratl structure developments combat aero-
planes // Aeronautical Journal. 1981. Vol. «5 N* 8117. P. 334 342
17. Colcum E.H Grumman expands composite copacity // Aviation Week and
Space Technology. 1984. Vol. 120. № 24. P. 67-68
18. Riggs IP. Emerging non-mctallic structural materials used Гог aircramcs and
other demonding applications // Materials and society 1984 Vol N* 2 P 351 -376.
19. Son D.R. Composites im aircraft construction // I licght international. 1981.
Vol. 119, N* 3759 P 1551-1555.
233
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.........................................................3
Введение . .........................................................4
I. Материалы применяемые для изготовления деталей ..................9
I.I. Конструкционные материалы. -- 9
1.2. Клеи.......................................................23
1.3. Препреги . . ....................................33
1.4. Материалы для изготовления вакуумных мешков................39
2. Технологические процессы изготовления изделий...................52
2.1. Типовые технологические операции, оборудование и инструмент . . 52
2.2. Типовые механизированные средства для выпоансиня отдельных
технологических операций 71
2.3. Конструктивно-технологические характеристики клеевых швов . . . 75
2.4 Модслнров пне технологических процессов склеивания . 87
2.5. Склеивание сборочных узлов . ..............................97
2.6. Формование сборочных узлов.................................118
2.7. Намотка изделий............................................137
2.8 Особенности изготовления изделий нз ПКМ .... . 149
3. Основы обеспечения высокого качества изготовления изделий ......162
3 I Точность и качество изготовления оснастки и входящих в нее де
талей..................................................-........162
3.2. Базирование и взаимозаменяемость ... 172
3.3. Точность монтажа элементов интерьера в пассажирских салопах 184
4. Технологическая подготовка производства ........................190
4.1. Особенности организации ...................................190
4.2. Роботизация технологических процессов изготовления изделий . . .197
5 Контрольные операции, технология ремонта и техника безопасности ....205
5.1. Контрольные операции и типовые дефекты................. 205
5.2. Методы и средства выявления дефектов....................... 214
5.3. Технология ремонта конструкций 222
5.4. Техника безопасности при склеивании и обработке ПКМ . .... 229
Список литературы................................................... 233
234
Производственное издание
Крысин Владимир Николаевич. Крысин Михаил Владимирович
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ, НАМОТКИ
И СКЛЕИВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
Редакторам Сухейли
Обложка художника В. А Галкина
Художественный редактор В.В Лебедев
Технический редактор Е. К Астафьева
Корректор Т В Багдасарян
Операторы .W.M. Лене. ИВ. Лоб
ИБ№5334
Сдано в набор 18.11.88. Подписано в печать 11.07.89. Т 08073
Формат 60X88 1/16 Бумага офсетная № I Гарнитура Пресс Роман.
Печать офсетная Усл печ л. 14,70. Усл. кр.-отт. 14.70. Уч.-над. л 15.75
Тираж 9770 эка. Заказ 1892. Цена 1р. 2 Ок.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство “Машиностроение’’.
107076. Москва, Стромынский нср., 4
Отпечатано в ленинградской типографии N* 4 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединении “Техническая книга" им. Евгении Соколовой
Союзполнграфнрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
191126. Ленинград. Социалистическая ул.. 14.
с оригинала-макета, изготовленного в издательстве "Машиностроение”
на наборно-нншущнх машинах