Технология изготовления изделий из композиционных материалов

Изделия из полимерных композиционных материалов могут быть получены различными способами. В промышленном производстве наибольшее распространение получили метод намотки и прессования. Прессование может осуществляться с использованием смеси предварительно нарубленного волокна и полимерного связующего. Может быть также применен способ предварительной выкладки армирующей основы с последующей пропиткой связующим и прессованием. При нарубке волокна его оптимальная длина определяется из условия равнопрочности разрыва волокна и выдергивания его из матрицы. При предварительной выкладке волокна прочность изделия из КМ будет выше, т.к. волокно располагается по направлениям силовых потоков, возникающих при эксплуатационных нагрузках и, следовательно, более полно воспринимает нагрузку. Однако производительность при этом методе ниже, чем при прессовании изделий из массы полимера и рубленного волокна.

Наиболее широкое распространение получил метод намотки. При этом существует метод сухой и мокрой намотки. Рассмотрим метод мокрой намотки. Намотка осуществляется на оправку, установленную на станок с числовым программным управлением. Этот метод носит также название метода спиральной намотки. Имеются промышленные станки российского производства: для крупногабаритных изделий КУ-319, для малогабаритных – СНП-2. Указанные станки имеют пять степеней свободы, что позволяет обеспечивать намотку изделий сложной конфигурации. При этом за счет пяти координат, по которым имеют возможность перемещаться исполнительные элементы станка, может быть обеспечено изготовление изделий достаточно сложной конфигурации с требуемым профилем толщины стенки. Вместе с тем этот метод изготовления подходит для изделий, по форме близких к телам вращения. Элемент станка, называемый лентоукладчик, имеет четыре степени свободы: перемещение по трем координатам в пространстве и вращение вокруг своей оси. Пятая координата обеспечивается вращением оправки в центрах станка, на которую осуществляется намотка изделия. Оправка может быть одноразовой или многоразовой. Одноразовая оправка изготавливается из дешевых материалов, например, из гипса. Для обеспечения требуемой точности и частоты поверхность оправки обрабатывают механическим путем. Многоразовая оправка изготавливается, как правило, из стали. Для того, чтобы в процессе изготовления композиционный материал не прилипал к оправке, ее поверхность покрывается специальным составом, например, жаростойким фторопластом. Укладка композита на поверхность оправки осуществляется по заранее разработанной программе. При этом схема намотки разрабатывается таким образом, чтобы армирующая основа располагалась по направлениям силовых потоков. После намотки изделия на оправку в соответствии с разработанной программой и расчетной схемой намотки, оно направляется в печь на полимеризацию. Процесс полимеризации длится 3-4 часа при температуре 130 С. После полимеризации изделие на оправке отправляется на механическую обработку отдельных поверхностей. Следующим этапом является съем с оправки или ее удаление из готового изделия. Заключительным этапом является контроль качества поверхностей изделия и соответствия геометрических параметров требуемым.

Недостатком изложенного способа изготовления является то, что это производство с вредными условиями. Пары связующего создают неблагоприятные в экологическом плане условия производства. Более прогрессивной и экологически благополучной является технология намотки препрегом. Препрег – это предварительно сформированная, пропитанная и частично полимеризованная лента. Препреги получают в специальных герметичных башнях. Техпроцесс изготовления с использованием препрегов принципиально ничем не отличается от метода мокрой спиральной намотки и носит название метода сухой намотки.

14. Механическая обработка. Технико-экономические параметры технологических процессов механической обработки.

14.1 Сущность процесса механической обработки.

Технологический процесс обработки конструкционных материалов резанием состоит в снятии с заготовки слоя металла (припуска на механическую обработку) режущим инструментом для придания заготовке требуемой точности размеров и качества поверхности.

Главные показатели при механической обработке деталей - точность размеров и шероховатость поверхности. От этих показателей зависит надежность и долговечность машин. Основными технологическими процессами обработки резанием являются: точение, строгание, сверление,

фрезерование и шлифование.

Вследствие различных погрешностей, неизбежно возникающих при любой обработке, детали не могут иметь номинальные размеры. Ограничивая погрешности в определенных пределах, можно обеспечить не только беспригонную сборку, но и функционирование изделия с высокими эксплуатационными показателями. Точность детали по геометрическим параметрам укрупненно характеризуется пятью видами отклонений: размеров, формы, расположения, волнистостью, шероховатостью. Такая классификация облегчает нормирование погрешности и упрощает производственный контроль.

При нормировании точности размеров деталей различают нормальные, действительные и предельные размеры. Разность между предельным и номинальным размером называется допуском. По международной системе допуски обозначаются JT.Допуск является показателем,характеризующим точность и отражающим затраты на обработку. Чем меньше допуск, тем выше точность, тем более трудоемка обработка заготовки. Относительный уровень точности размеров регламентируется квалитетами. Для размеров от 1 до 10000мм установлено 19 квалитетов точности (JT0,JT1…JT17). Значение допуска возрастает с увеличением номера квалитета. При механической обработке точность изготовления деталей изменяется в диапазоне отJT14доJT5.

Шероховатость поверхности, под которой понимают совокупность неровностей поверхности, оценивают на базовой длине. Для количественной оценки шероховатости установлен комплекс показателей, при определении которых используют единую базу - среднюю линию. Шероховатость задается при разработке изделия и оценивается классом чистоты.

Точение. Процесс резания характеризуется следующими режимами: скоростью резания, подачей, глубиной резания.

,

где V – скорость резания, м\мин, D – диаметр заготовки в мм, n – число оборотов заготовки в минуту.

S - подача. Подача – это путь, пройденный режущим инструментом относительно обрабатываемой заготовки за 1 ее оборот.

t- глубина резания. Это толщина срезаемого слоя металла с обрабатываемой поверхности заготовки за 1 проход резца.

- машинное время. Это время, в течение которого происходит снятие с заготовки припуска металла.

,

где L -длина обрабатываемой поверхности в мм, h - припуск на механическую обработку в мм.

Процесс точения осуществляется на токарных станках или на станках с числовым программным управлением. Виды обработки металлов резанием различаются между собой конструкцией режущего инструмента и характером движений, совершаемых инструментом. При точении наружных и внутренних поверхностей деталей главным движением является вращение вокруг своей оси детали. Режущий инструмент (резец) перемещается линейно вдоль оси обрабатываемой детали. Материалы, применяемые для изготовления режущего инструмента, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью, прочностью, ударной вязкостью. Этими свойствами обладают легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы.

Строгание – грубый низкопроизводительный вид обработки резанием с большой толщиной срезаемого слоя металла. Этот метод используется для обработки крупных заготовок с горизонтальными или наклонными плоскостями. Инструментом служат строгальные резцы, которые перемещаются линейно вдоль образующей поверхности. Заготовка при этом неподвижна.

Сверление – это процесс формирования сквозных и глухих отверстий, нарезание резьбы, применяемый инструмент – сверла, зенкеры, развертки, метчики и др. Инструмент вращается вдоль своей оси. Для формирования резьбы служат метчики.

Фрезерование – высокопроизводительный метод обработки резанием, осуществляемый многолезвийным инструментом, называемым фрезой. Этим методом осуществляют обработку как плоских, так и фасонных поверхностей. Фреза вращается вокруг своей оси, заготовка остается неподвижной. В зависимости от формы и размещения режущих кромок фрезы бывают радиальные, торцевые, дисковые и т.д.

Шлифование – это процесс обработки резанием поверхностей деталей абразивным инструментом. Процесс шлифования характеризуется высокими скоростями резания и малой толщиной снимаемого слоя металла. Шлифование обеспечивает высокую точность и чистоту поверхности. Применяется для обработки закаленных сталей, чугунных отливок, зачистки проката, окончательной обработки деталей. В качестве режущего инструмента применяется шлифовальный круг, состоящий из высокотвердых зерен с режущими кромками (алмазных, корундовых и др.) и полимерной или на основе карбидов связки. Шлифовальные круги являются самозатачивающимся инструментом. В процессе резания выделяется большое количество тепла, поэтому срезаемые частички металла сгорают.

14.2. Технико-экономический анализ технологического процесса механической обработки

1. Штучная себестоимость изготовления одной детали.

,

где а - сумма текущих затрат, приходящихся на 1 деталь, b - единовременные расходы на изготовление партии деталей в плановый период, N - количество деталей в партии.

2. Себестоимость заданной партии деталей.

,

,

где m – стоимость материалов и технического топлива, З – зарплата основных рабочих.

,

где t_штi – штучное время i – ой операции, B_i - тарифная ставка i –ой операции, n -число операций.

Р – накладные расходы текущего характера и амортизации отчисления по оборудованию, а также расходы на освещение, отопление, режущий и мерительный инструменты, расходы на административно- управленческий аппарат и вспомогательных рабочих.

,

где З_H - зарплата наладчиков оборудования, C_i - стоимость i - ой единицы спецоснастки, K_i- коэффициент, учитывающий срок службы оснастки и расходы на ее эксплуатацию.

Проведем экономическую оценку двух вариантов технического процесса механической обработки, которые отличаются величиной одновременных затрат и прежде всего стоимостью специальной оснастки. Изготовление оснастки экономически оправдано при достаточно большой программе производства. Основным преимуществом использования оснастки является повышение производительности труда.

На рис. 14.1 представлены графики изменения себестоимости обработки детали для двух вариантов технологического процесса в зависимости от объема производства.

 

 

 

Рис.14.1. Изменения себестоимости обработки детали

 

,

 

Определим критический объем производства N_кр. Для случая N< N_кр экономически целесообразен первый технологический процесс. Для случая N>N_кр – второй технологический процесс. При N_кр S₁=S₂, .

15. Технологические процессы получения заготовок методами литья

15.1 Сущность процессов литья.

Литьем получают детали из чугуна, стали, магниевых и других сплавов. Литье – это дешевый способ получения заготовок.

Процесс литья заключается в том, что расплавленный металл заливается в заранее приготовленную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации соответствует размерам заготовок.

Литейные формы бывают одноразовые и постоянные, которые применяются многократно. Одноразовые же после каждой отливки разрушаются. Для получения качественных отливок сплавы должны обладать следующими свойствами: хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой, малой ликвацией (неоднородностью химического состава и структуры по толщине). В песчано-глинистые формы осуществляется 60% всех отливок. Кроме того, имеются технологии литья в кокиль, под давлением, центробежным способом, по выплавляемым моделям.

 

15.2. Технологические процессы получения отливок в разовые песчано-глинистые формы

 

Технологические процессы получения отливок в разовые песчано-глинистые формы включают ряд операций, связанных с изготовлением формовочной и стержневой смесей, изготовлением модельной оснастки, стержней, сушки, формовки и т.д.

Изготовление песчано-глинистой формы является трудоемким, грязным процессом. Он используется в единичном и опытно-экспериментальном производстве. Недостатком литья в песчано-глинистые формы является низкая точность, плохое качество, необходимость последующей механической обработки. При этом объем механической обработки достаточно большой.Следует также отметить, что структура металла при таком виде литья характеризуется большой неоднородностью,наличием внутренних дефектов и напряжений. Припуск на последующую механическую обработку большой. Это приводит к повышенному расходу металла.

 

 

15.3. Литье в многоразовые формы.

 

Этот вид литья предполагает получение отливок в металлической постоянной форме – кокиле. Кокили изготавливаются из чугуна, стали, алюминия. Бывают разъемные и неразъемные кокили. Наиболее распространены разъемные: с горизонтальными и вертикальными плоскостями разъемов. Для литья широко применяют карусельные машины, которые позволяют получить несколько отливок одновременно и обеспечивают высокую производительность труда.

Преимущества этого вида литья в сравнении с литьем в песчано-глинистые формы: более высокая точность и производительность, качество изделий, прочность за счет быстрого охлаждения и мелкокристальной структуры отливки. Припуск на последующую обработку минимален, что позволяет отнести этот вид получения заготовок к ресурсосберегающему.

 

Литье под давлением

 

Литье под давлением – это высокопроизводительный процесс получения отливок из сплавов черных и цветных металлов. Суть метода состоит в заполнении формы жидким металлом под давлением поршня.

Бывают поршневые машины с горячей и холодной камерой прессования. За счет заполнения формы жидким металлом под давлением повышается качество готового изделия и производительность. Резко сокращается вероятность наличия остаточных пустот при литье.

 

Центробежное литье

 

Это производительный процесс изготовления отливок в виде тел вращения (трубы, втулки и т.д.). Суть метода заключается в заполнении вращающейся формы жидким металлом. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются последующей механической обработкой. Это обусловлено тем, что плотность неметаллических включений ниже плотности черных металлов. Ось вращения у литейных машин может быть горизонтальной или вертикальной.

Преимущества этого вида литья следующие: высокая производительность, экономичность и качество отливок.

 

15.4 Литье по выплавляемым моделям

 

Этот вид литья применяют для получения отливок высокой точности, например, лопаток турбин. Однако, это дорогостоящий процесс, отличающийся высокой стоимостью материалов. Технологический процесс литья по выплавляемым моделям включает следующие операции: изготовление модели отливки из легкообрабатываемого сплава, например, алюминиевого; изготовление пресс-формы по металлической модели; прессование моделей из легкоплавкого материала, например, парафина, стеарина и т.д.; нанесение огнеупорного состава (керамическая суспензия из кварцевого песка и смолы); обработка горячим воздухом с температурой 150-200^оС для удаления легкоплавкой модели; прокаливание полученной формы при 800-850^оС; заливка формы жидким металлом. Очистку формы от остатков керамического покрытия производят выщелочиванием с последующей промывкой горячей водой.

Оболочковое литье

Оболочковое литье можно отнести к разновидности (упрощенному варианту) литья по выплавляемым моделям. Оно применяется в массовом и крупносерийном производстве заготовок из стали, чугуна, алюминия и медных сплавов. На поверхность предварительно нагретой до 200^оС металлической модели, которая прикреплена к подмодельной плите, насыпают формовочную смесь (кварцевый песок и 6-7% бакелитовой образуется синтетической смолы) затем все это вместе прокаливают при температуре 300^оС в течение 1-2 минут. Смола расплавляется и смоляно-песчаная форма толщиной 5-8 мм. Полученную форму снимают с металлической модели в виде двух полуформ. Оболочковые полуформы скрепляют и заливают жидким металлом.

 

 

16. Технология пластической переработки металлов

 

16.1 Механизм пластической деформации металлов

 

При воздействии внешних нагрузок на изделие его материал проходит различные стадии деформирования. На рис. 15.1 представлена диаграмма деформирования металла под воздействием внешних сил.

Рисунок 16.1. Деформирование металла под воздействием внешних сил

 

На рисунке по осям отложены напряжения () и относительная деформация металла (). Напряжения – это внутренние силы, возникающие в металле под действием внешней нагрузки, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения. Относительная деформация определяется соотношением прироста линейных размеров изделия в результате воздействия внешней нагрузки к начальным его размерам.

Участок кривой ₀₂ является участком упругой деформации. При снятии внешней нагрузки форма изделия восстанавливается. Участок ₀₂ - _вр характеризуется пластическим деформированием материала изделия. При этом кристаллическая структура материала нарушается, появляются внутренние дефекты в виде сдвига кристаллов друг относительно друга по кристаллографическим плоскостям. Это приводит к снижению прочности изделия, коррозийной стойкости, пластичности и т.д. для восстановления этих свойств проводят рекристаллизационный отжиг, который обеспечивает перекристаллизацию материала. Материал хорошо поддается пластической переработке, если выполняется условие: =0,4-0,5.

При достижении напряжениями значения _вр происходит разрушение материала.

Методы пластической деформации позволяют получить заготовки, максимально приближенные по своей форме к форме готовой детали с минимальным припуском для последующей механической обработки.

Пластичность материала зависит от следующих факторов:

- состав материала;

- температуры, при которой происходит деформирование материала;

- степени деформирования.

Процессы пластической переработки материалов можно разделить на следующие: прокатка, штамповка, ковка, волочение.

 

Прокатка

 

Прокатке подвергается до 90% выпускаемой стали. Сортамент прокатной продукции делится на 6 групп: профили простой геометрической формы (прямоугольник, квадрат, круг), профили сложной формы (швеллер, тавр, двутавр и т.д.), листовой прокат (тонколистовой, толстолистовой), трудный прокат, периодический прокат, в котором геометрическая форма и площадь поперечного сечения по длине проката меняется, специальный прокат. Прокатка осуществляется на прокатных станках.

Основными технико-экономическими показателями прокатного производства являются.

1. Расход материала на 1 т готовой продукции.

,

где а, в, с –потери на угар, обрезы, брак, - вес готового проката, т.

2. Скорость прокатки.

м\мин,

где Д- диаметр валков прокатного стана, n – число оборотов валков в мин.

3. Часовая производительность прокатного стана.

,

где Т – периодичность прокатки, с (время прохождения готовым элементом проката фиксированной точки на прокатном стане), В – масса одного слитка, т, К_р – коэффициент потерь.

Кроме указанных, могут быть и другие показатели, в частности, мощность главных приводов прокатного стана, расход энергии и др.

 

Штамповка

 

Штамповка заключается в пластической деформации заготовки в объеме, ограниченном специальной оснасткой, называемой штампом. Штамповка подразделяется на объемную и листовую. При объемной штамповке деформация заготовки осуществляется между двумя элементами штамповой оснастки: матрицей и пуансоном. Пуансон представляет собой подвижный элемент оснастки, матрица – неподвижный.

Объемной штамповкой можно получать детали сложной конфигурации, высокой точности и качества поверхности. Максимальный вес паковки для объемной штамповки может достигать 3 т. листовой штамповкой изготавливают детали простой конфигурации либо плоские такие, как шайбы, накладки, скобы и т.д. При листовой штамповке часто используются вырубные штампы. Этот вид штамповки хорошо поддается автоматизации и отличается высокой производительностью.

 

Ковка

 

Применяется для изготовления крупногабаритных изделий, например, коленчатых валов судовых двигателей. Ковку называют свободной, т.к. деформация осуществляется ударным инструментом и не ограничивается объемом штампа. Под воздействием молота осуществляется локальная деформация заготовки. Под воздействием серии ударов молотом заготовка приобретает требуемую форму. В отличие от штамповки при ковке заготовка получается с низким качеством поверхности и точности размеров. Припуск на последующую механическую обработку достаточно большой.

 

Волочение

 

Волочение – это процесс формирования заготовки путем протягивания через отверстие волоки. Волока – это инструмент для формирования требуемого профиля поперечного сечения заготовки. Материал волоки должен иметь высокую твердость, износостойкость и прочность, чтобы обеспечить сохранность геометрических параметров при многократном нагружении в процессе формирования изделия. Исходной заготовкой является катанный или прессованный металл. Волочением получают проволоку или прутки различного профиля.