Неметалические крепежные элементов

Как показывает опыт создания изделий с использованием полимерных композиционных материалов (ПКМ) приносит успех там, где решаются комплексные задачи. Используя полуфункциональный характер физико-химических и технологических качеств ПКМ, при известном компромиссе удается найти приемлемое решение разнообразных инженерных задач.

К числу таких инженерных задач относится и проблема резьбовых соединений конструкций из ПКМ. Необходимость обеспечить в таких конструкциях сочетание достаточно высокой прочности, радиопрозрачности, химической стойкости, близости коэффициентов термического расширения, при сохранении (желательно снижении) весовых характеристик – все это исключает применение металлического резьбового крепежа. Создание резьбовых изделий из ПКМ в основном связано с нахождением решения в области “прочность - технологичность”. Так, наибольшей прочностью обладают однонаправленные ПКМ, но не пригодные для оформления (при сохранении целостности армирующих волокон) мелких элементов резьбы. Изотропные материалы обладают технологичностью, достаточной для оформления резьбы, но, по прочностным показателям, не в состоянии обеспечить необходимую работоспособность (равнопрочность) конструкции из ПКМ в целом.

Одним из возможных направлений создания высокопрочного резьбового крепежа из ПКМ является “конструирование” ПКМ с пространственной криволинейной схемой армирования длинных (непрерывных) волокон. Изогнутость волокон обеспечивает запас деформируемости, необходимой для оформления резьбы без разрыва волокон. Некоторое снижение прочностных показателей в продольном направлении сопровождается возрастанием этих показателей в поперечном направлении (особенно повышается сдвиговая прочность), что создает возможность достижения равнопрочности, например, винта по срезу витков резьбы и разрывной прочности тела винта. Практическое решение заключается в получении полуфабриката – заготовки в виде монолитного пруткового профиля, калиброванного под соответствующий диаметр резьбы. Возможный метод формования – протяжка (пултрузия).

Для изготовления собственного резьбового изделия – винта, болта, шпильки – пригоден метод прессования в разъемной форме. В реализации этого способа производства резьбовых изделий большое значение имеет выбор исходных материалов: армирующих волокон и полимерной матрицы – связующего. С учетом малых радиусов скруглений элементов резьбы и неизбежной в связи с этим ломкой волокон, предподчтительно применение неломких эластичных органических волокон типа арамидных. В качестве связующего лучше использовать термопластичные полимеры, допускающие многократную переформовку, как минимум 2-х кратную: формование пруткового профиля и формование резьбы и головки винта. К числу таких термопластов относятся полиамиды, как хорошо освоенные, многотоннажные полимеры конструкционного назначения. В исследованиях использовались модельные материалы на основе полиамидов ПА-6, ПА-610 и арамидных волокон СВМ и терлон. Такие материалы, в силу своих достаточно высоких физико-механических характеристик, представляют и практический интерес, т.к. способны обеспечивать резьбовым изделиям повышенные, по сранению с существующими пластмассовыми винтами, эксплуатационные показатели. Кроме того, исходный вид обоих компонентов в виде волокон позволяет использовать преимущества так называмой “волоконной технологии” при формировании исходной заготовки. В этом случае имеется возможность создать заготовку, применяя промышленные текстильные способы производства – в виде шнуров, канатов, тросов, сплетенных из 2-х типов волокон: армирующие волокна СВМ или терлон и плавкие волокна (матрица) ПА-6 или ПА-610. Этот подход допускает в принципе применение волокон других типов и природы. Все это значительно упрощает весь процесс производства на предприятиях производителях-потребителях резьбовых изделий.

В настоящее время 2-х стадийный процесс производства резьбовых изделий (прутковая заготовка – формирование резьбы) является технически решаемой задачей. Пултрузия, как метод получения прутков, достаточно известен, но до сих пор при решении конкретных вопросов превалирует эмпирический подход. Размеры, профиль и конструкция фильер, степень и структура армирования материала, размеры получаемого профиля и другие вопросы пултрузии требуют экспериментального определения.

Технология прессования в стальных разъемных формах достаточно традиционна для переработки ПКМ и может быть признана пригодной как для подтверждения самого принципа получения резьбовых изделий из КМ с непрерывными волокнами, так и для мелкосерийного (1...5 тыс. шт. в год) производства. Также возможен вариант накатки резьбы.

Результаты механических испытаний самих винтов и 2-х типов разъемных соединений на винтах М6х1 позволяют считать, что цель – создание конструкционного (σ_b≥ 15 кг/мм² τ_ср≥20 кг/мм²) резьбового крепежа радиотехнического назначения достигнута.

Прочность болтовых соединений в композитных пластинах ограничивается хрупкостью отвержденных при температуре 177ºС связующих. Поэтому жизненно важно рассредоточить слои как можно сильнее и не укладывать параллельные слои друг на друга. Испытаниия ленты толщиной 0,010 дюйма и ленты толщиной 0,005 дюйма показали, что более широко распространенные расслоения, связанные с более толстыми слоями, по-видимому, должны быть не желательными при растягивающих нагрузках и вполне терпимыми при сжимающих нагрузках. Однако другие комбинации волокон и связующего могут вести себя по-иному.

Высокие деформации поперечных сечений, имевшие место при испытании болтовых соединений, свидетельствуют о том, что сильно нагруженные первичные композитные структуры возможны, но требуют более тщательного проектирования, чем структуры из пластичных металлических сплавов.

Применение ПКМ для изготовления винтов позволяет столь существенно повысить их прочностные свойства, что они становятся конкурентно способными с винтами не только из цветных металлов и сплавов, но и из стали 45, использование таких винтов взамен металлических целесообразно из-за ряда присущих им специальных свойств: в 3...5 раз меньшая масса, хорошие диэлектрические свойства, высокая химическая и коррозионная стойкость и меньшие напряжения в соединениях деталей из ПКМ.

Резьбовые детали из ПКМ типа термопластичных органоволокнитов (ТОВ), анизотропно упрочненных непрерывными волокнами, наряду с указанными преимуществами неметаллического резьбового крепежа, имеют существенно более высокую прочность при растяжении (более 250 Мпа), на срез (более 300 Мпа), не проявляют хладотекучести под нагрузкой и обеспечивает длительную работоспособность в нагруженых соединениях

В соединениях при нагружении винта в осевом направлении может произойти срез резьбы или разрыв винта, поэтому при производстве винтов из ТОВ важно обеспечить равнопрочность на срез резьбы и на растяжение в осевом направлении винта.