Выбор метода придания формы изделия.

 

Наиболее простым способом по аппаратурно-техническому оформлению является выкладка, которая применяется для изготовления малонагруженных изделий различных габаритов и конфигураций. Процесс выкладки в большинстве случаев осуществляется вручную, особенно при получении деталей со сложной поверхностью. Он состоит из следующих основных операций (рис.4):

а) подготовка формы для выкладки 1 - удаление загрязнений, остатков отвержденного связующего, ремонт поверхностных дефектов;

 

Рис.4. Структура технологического пакета при выкладке:

1 – форма; 2 - ограничитель; 3 – антиадгезионный слой; 4- формуемое изделие; 5 - разделительная перфорированная пленка; 6 – впитывающий слой; 7 – цулага; 8 – дренажный слой; 9 - вакуумный мешок; 10 – клапан вакуумной системы; 11 – герметизирующий слой.

 

б) нанесение на поверхность формы разделительного антиадгезионного слоя 3;

в) послойная упорядоченная укладка заранее раскроенного и расшлихто­ванного наполнителя в виде тканей, лент или ровинга на поверхность фор­мы с нанесением и пропиткой связующим каждого слоя 4 и прикаткой неже­стким валиком с целью уплотнения пакета и удаления воздушных включений;

г) формирование технологического пакета, заключающееся в последова­тельной укладке следующих слоев:

- перфорированная разделительная пленка 5,

- впитывающий слой из ткани объемного плетения 6,

- перфорированная цулага 7,       

- дренажный слой 8;

д) на последнем этапе на технологический пакет устанавливается вакуум­ный мешок 9 (если последующее формование предполагает создание избыточ­ного давления на формуемое изделие) и герметизируется жгутом 11.

В качестве антиадгезионного слоя используются полимерные пленки и специальные смазки.

Нанесенные напылением или полированием парафиновые покрытия явля­ются превосходными антиадгезионными смазками для композитов, отверждающихся при температурах ниже 121°С. При более высоких температурах парафин вызывает разрушение и обесцвечивание слоистого пластика. В этих случаях рекомендуется применять фторированные углеводороды.

Сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, используемый в ка­честве антиадгезионной смазки, образует на поверхности формы сплошную пленку. Условием эксплуатации такого покрытия является поддержание темпе­ратуры отверждения не выше 177°С; при более сильном нагреве оно разруша­ется, выделяя высокотоксичный корродирующий фтор.

Политетрафторэтилен ("тефлон") - стабильное полимерное вещество, ко­торое часто вводят в состав антиадгезионных смазок, работающих при темпе­ратуре выше 260°С, Такая смазка не образует на поверхности формы сплошной пленки, но частички "тефлона" обеспечивают надежное сухое смазывание, га­рантирующее отделение от нее отвержденного изделия.

Силиконовые смазки используются до 204°С, однако следует избегать их применения, поскольку они способствуют отслаиванию от КМ вторичных по­крытий и слоев, являясь при этом устойчивыми загрязнителями.

За рубежом выпускается антиадгезионная смазка на базе силановой смолы, которая стабильна до 482°С.

Из полимерных пленок для этих целей применяются пленки из целлофана, лавсана, ПВС, полиэтилена, полиэтилентетрофталата "Майлар", найлона и фторопласта. Использование этих пленок в качестве антиадгезионных и разделительных слоев допускается только с одним изгибом или плоских.

Раскрой наполнителя производится согласно карте раскроя, обеспечивающей максимальный КИМ.

Послойная укладка выкроек должна производиться в строгом соответствии со схемой выкладки, определяющей расположение каждой выкройки на по­верхности формы и направление армирования в каждом слое. При укладке с перекрытием его величина определяется из условия равной прочности одно­слойного ПКМ и соединительного шва на сдвиг.

При выборе материала для изготовления формы одним из основных крите­риев является соответствие температурных коэффициентов линейного расши­рения этого материала и ПКМ.

По значению этого коэффициента ближе всех к композитам стоит сталь. Она обладает и другими ценными свойствами: превосходной износостойкостью, способностью работать при повышенных температурах и хорошей теплопроводностью.

Наиболее благоприятными для изготовления форм свойствами характеризуется керамика. Она имеет самый низкий коэффициент теплового расширения, а по теплостойкости почти не отличается от закаленной инструментальной ста­ли. Однако при температуре окружающей среды керамика хрупкая. Она должна быть защищена от повреждений в процессе обработки - например, стальным кожухом.

Стальные формы с керамическими вставками и без них наиболее широко применяются в производстве высококачественных композиционных материа­лов. Благодаря низкому коэффициенту теплового расширения керамические вставки обеспечивают высокую точность укладки в форме компонентов слои­стого пластика. Такие формы очень удобны для производства больших партий соотверждаемых конструкций, в которых клеевой шов отверждается одновре­менно с пластиком. Однако дороговизна этой оснастки требует достаточного объема производства изделий, при котором амортизация ее стоимости сохранит конкурентоспособной цену на выпускаемую продукцию. В противном случае для изготовления форм желательно использовать менее дорогие материалы.

Алюминиевые формы относятся к наименее дорогой оснастке, изготовляе­мой из литых и ковких металлов. Несмотря на то, что алюминий имеет луч­шую теплопроводность, чем сталь, полученные из него формы менее долго­вечны и, кроме того, обладают слишком большим температурным линейным расширением.

Получаемые гальванопластикой никелевые формы, используемые более 20 лет, представляют собой плотную конструкцию без пор, с хорошо отполиро­ванной формующей поверхностью. Температурный коэффициент линейного расширения никеля того же порядка, что и у стеклопластиков. Такие формы ус­пешно применяются для формования различных деталей самолетов.

Для успешного применения форм из сталистого чугуна требуется, чтобы толщина всех стенок была почти одинаковой, иначе при термообработке форм, конфигурация и поперечное сечение которых резко изменяются, литой металл может растрескаться или покоробиться. Теплопроводность сталистого чугуна сравнительно низка. В местах изменения толщины стенок формы температура может колебаться в широких пределах, что затрудняет контроль процесса от­верждения формуемого композита.

Легкоплавкие сплавы, фазовые изменения которых происходят выше тем­ператур отверждения ПКМ, обычно отливают в заранее подготовленные корковые формы и гальваноформы.

Для изготовления оснастки из слоистых пластиков может быть использо­ван любой из описанных материалов.

 

Выбор метода формования.

 

Формование - это этап технологического процесса, при котором происходит отверждение связующего. В этот период создается конечная структура материала, формируются его свойства, и фиксируется форма изделия.

Отверждение связующего является результатом роста молекул и образования полимерной сетки под воздействием катализатора (отвердителя) и соответствующих внешних условий. При этом выделяют две характерные стадии отверждения:

- начальную - до формирования полимерной сетки;

- конечную - в процессе формирования полимерной сетки.

Эти две стадии отделены друг от друга так называемой фазой гелеобразования.

Фаза гелеобразования соответствует такому моменту, когда связующее утрачивает способность переходить в текучее состояние и растворяться, т.е. теряет свою жизнеспособность и технологические качества. Это одна из наиболее важных технологических характеристик процесса отверждения.

На определенном этапе отверждения вязкость связующего увеличивается до уровня, соответствующего вязкости твердого тела.

Все свойства его резко меняются:

- уменьшается удельный объем,

- увеличивается твердость,  

- возрастает сопротивление деформации.

Жидкое связующее переходит в стеклообразное состояние. Температура, при которой происходит это явление, называется температурой стеклования. Стеклование не является фазовым переходом, т.к. матрица сохраняет аморфную структуру и с термодинамической точки зрения может рассматриваться как переохлажденная жидкость.

Характерным параметром связующего является также точка деструкции, при которой начинается заметное разложение матрицы, сопровождающееся разрывом молекулярных связей. Устойчивость к деструкции характеризуется термостойкостью, которую следует отличать от теплостойкости, отражающей способность полимера к размягчению.

Параметры формования.

 

Для того чтобы обеспечить нужные качества композиту, необходимо создать определенные условия для отверждения свя­зующего и его сцепления с армирующим материалом.

Температурный режим обеспечивает необходимые условия для полимери­зации связующего. Повышенное давление необходимо для плотной укладки слоев армирующего материала, удаления излишков связующего и для более прочного сцепления связующего с арматурой.

К основным технологическим параметрам относятся: давление, темпера­тура, скорость их изменения по времени и степень отверждения.

Конкретной комбинации связующего и арматуры будут соответствовать свои параметры. В процессе производства их величину необходимо строго вы­держивать.

Классификация способов формования.

 

В настоящее время существует много различных способов формования изделий из ПКМ. Это объясняется разнообразием свойств исходных компонентов композитов, а также различными требованиями к прочности и другим параметрам изделий.

 

 

Рис.5. Классификация схем формования.

 

Для получения нашей детали мы выбрали пневмо-гидрокомпресснонные методы формования, а именно автоклавное формование.

Пневмо-гидрокомпрессионное формование объединяет группу методов, в которых рабочей средой, осуществляющей давление на поверхность препрега, является газ или жидкость. Другими характерными признаками являются нали­чие эластичной герметичной диафрагмы и создание вакуума под диафрагмой со стороны препрега.

Автоклавное формование - формуемое изделие поме­щают в специальное оборудование - автоклав, где создается избыточное давление.

 

Рис.6. Формирование в автоклаве:

1 – форма; 2 – препрег; 3 – эластичная мембрана; 4 – уплотнители;

5 – тележка; 6 – рельсы; 7 – корпус автоклава; 8 – крышка.

 

Автоклав (рис.6.) представляет собой герметичную емкость в виде проч­ного, цилиндрической формы корпуса 7 с открывающейся крышкой 8.

В автоклаве может создаваться избыточное давление до 15 атмосфер и температура до 300°С. Давление создается или с помощью насосов, или за счет испарения жидкого азота; температура - с помощью электрических нагрева­тельных элементов или аэродинамическим нагревом специально спрофилиро­ванных мощных вентиляторов.

Автоклавы имеют числовые системы управления, позволяющие изменять и поддерживать давление и температуру в соответствии с заданным законом. Типовые автоклавы для авиационного производства имеют диаметр до 3 метров и длину 10-12 метров. Наибольший по размерам автоклав (производство Фирмы Scholz (ФРГ)) установлен на УАПК. Его диаметр около 6 метров, а дли­на рабочей камеры 21 метр.

Автоклав является универсальным оборудованием. Он позволяет осуществлять формование изделий различного конструктивного исполнения, в том числе больших размеров и сложной конфигурации. При этом давление на лю­бой части поверхности изделия одинаково.

К недостаткам следует отнести большую стоимость автоклава и большие энергетические затраты в пересчете на одну деталь. Особенно в случае, если за­грузка объема автоклава неполная. Кроме того, автоклав является взрывоопасным объектом. Мощность взрыва пропорциональна объему и давлению в емкости.

Тем не менее, автоклавное формование является наиболее распространенным в авиационной промышленности.