Выбор технологической схемы для производства изделий из ВКМ

Цель и задачи занятия

Цель занятия — освоить методику составления технологической схемы

Задачи занятия

1. Выбрать и рассчитать ингредиенты ВКМ

2.Выбрать схему армирования ВКМ

3.Выполнить конструкторско-технологическую проработку изделия из

ВКМ

4.Выбрать технологический процесс изготовления изделий из ВКМ

5.Составить технологическую схему процесса

Введение

В существующих учебниках и специальных изданиях чаше всего при­водят описания известных технологических схем, т.е. последовательность операций и аппаратов, через которые протекает сырье, превращаясь в конеч­ный продукт, дают режимы (давление, температура и т.д.), приводят данные о размерах и мощности оборудования, экономическую информацию. Однако отсутствуют данные о том, как создавался технологический процесс, какие ступени развития прошел, какие показатели стремились достичь и каких дос­тигли. Все эти вопросы входят в стратегию разработки технологического процесса. Эмпирически сложившаяся методология создания технологического процесса включает последовательное выполнение работ на различных стади­ях (этапах). Разработку начинают с поисковых исследований, лабораторных исследований, проектирования и конструирования пилотных установок, их эксплуатации и получения исходных данных для проектирования укрупнен­ного производства. В эту последовательность вписываются этапы создания опытных партий продуктов, их испытаний и методик анализа, оценки у по­требителя, экономический анализ и создание систем автоматического регу­лирования и управления. Поэтому основная задача технолога — научиться хорошо разбираться в научных и технических вопросах, совокупность кото­рых определяет содержание любого технологического процесса, научиться мыслить категориями цельного процесса с учетом требований к качеству технологических разработок. Технолог-разработчик должен хорошо разби­раться в современных тенденциях развитии технологии, что крайне важно для правильной постановки задачи при выборе направления работ, при опре­делении технических решений в ходе разработки процесса. Только при такой постановки вопроса с учетом стратегии разработка технологических процес­сов возможно разработать эффективную технологическую схему практиче­ски любого производства, в том числе и производства изделий из ВКМ.

Теоретическая часть

Технология производства любого вида продукции — это совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него целевого про­дукта. Совокупность последовательных операций, протекающих в соответст­вующих машинах и аппаратах (оснащенных средствами контроля и управле­ния) при соблюдении технологических режимов, в сочетании с подробным их описанием, называют технологической схемой.

Как правило, разработку технологической схемы проводят под конст­рукцию конкретного изделия, которое должно отвечать определенным тре­бованиям. В случае незначительных изменений в конструкции известного изделия производят корректировку и уточнения отдельных этапов и опера­ций технологического процесса и технологической схемы. При создании из­делий из новых материалов и принципиально новой конструкции разработку технологической схемы процесса производства изделий из ВКМ осуществ­ляют согласно схемы (см. рис. 3).

При разработке технологической схемы необходима тесная взаимо­связь этапов с целью их корректировки и уточнения при конструировании ВКМ, изделий из него, выборе технологии и аппаратурном оформлении все­го технологического процесса. Естественно, на первой стадии возможна только принципиальная разработка технологической схемы, заключающаяся в схематичном изображении отдельных операций предполагаемого техноло­гического процесса без указания используемого оборудования, режимов и т.д.

 

Рис. 3. Разработка технологической схемы производства изделий из КМ

Стройная и полная технологическая схема может быть получена при последовательном решении задач каждого этапа, взаимного согласования полученных результатов, их уточнения и корректировки и оформлении ком­плекта технологической документации.

В соответствии с техническим заданием (ТЗ) проводят предваритель­ную проработку нескольких вариантов конструкции изделия.Для каждого варианта конструкции производят выбор ингредиентов КМ, совместное со­четание которых позволит создать КМ с заданным уровнем механических свойств.

Выбор ингредиентов и их возможных сочетаний производят в соот­ветствии с методическими указаниями к лабораторной работе по курсу «Строительная механика» (Метод., указания: Богатеев Г.Г. «Изучение проч­ностных характеристик элементов строительных конструкций из ВКМ в за­висимости от технологических факторов» — Казань, КГТУ, 1998 г.).

Выбор ингредиентов КМ

Основными характеристиками для выбора волокнистого материала яв­ляются относительная стоимость С=Ц-р/0в и удельные прочность-oVp и уп­ругость Е_в/р (Ц —цена, р — плотность волокнистого наполнителя, -с_в и -Е_в — прочность при растяжении и модуль упругости соответственно).

С учетом комплекса требований ТЗ и при C=min, -ав/р⁼п1ах и •Ев/р=тах осуществляют выбор наполнителя.

При выборе геометрической формы наполнителя учитывают их влияние на распределение нагрузки в композиции, на механизм разрушения КМ, а также учитывают размеры и конструкцию изделия, условия эксплуа­тации и др.

Для изделий малой толщины и сплошной конфигурации предпочти­тельнее использовать высокодисперсные наполнители (порошки и т.д.), т.к. они легко распределяются в связующем.

В случае использования волокнистого наполнителя (волокна, нити, жгуты) прочность наполнителя в изделии используется максимально.

Замена монолитных волокон полыми (капилярными) позволяет резко увеличить проч­ность и жесткость изделий присжатии иизгибе, однако их использование в изделиях, работающих на растяжение, не эффективно.

Выбор оптимального диаметранепрерывных волокон осуществляют по формулам:

(при растяжении)

(при сжатии)

где — толщина слоя связующего между волокнами;

— относительное удлинение при разрыве матрицы и волокна со­ответственно;

—разрушающее напряжение при сжатии однонаправленного КМ;

G — модуль сдвига связующего.

При создании КМ с требуемыми выбор оптимального соотношения ингредиентов осуществляют по зависимостям:

и

,

 

где и V_B — пределы прочности и объемная доля волокон в КМ;

— предел текучести матрицы;

и Е_м — модуль упругости волокна и матрицы соответственно.

Для полной реализации механических свойств волокон в КМ необхо­димо соблюдение условия

Определение оптимальной степени наполнения производят из соот­ношений или по номограмме (см. рис. 4).

 

Диаметр волокна,мкм

Рис. 4. Зависимость толщины пленки связующего от диаметра волокон

при однонаправленном расположении волокон и различной

степени наполнения.

и

,

 

Где — минимальная толщина прослойки связующего между волок­нами;

D — диаметр волокна;

V_BV — объемное содержание волокон;

коэффициент капиллярности; d н

и — внутренний и наружный диаметры полого волокна.

Выбор схемы армирования осуществляют на основании данных о распределении силового поля и характера нагружения, направлений и значе­ний действующих сил, углов армирования и количество волокон в каждом направлении.

В общем случае при выборе схем армирования придерживаются сле­дующих принципов:

— ориентация элементарных волокон или нитей в КМ одномерна в направлении вектора приложенной нагрузки;

— объемное содержание волокон должно быть большим и стремить­ся к своему предельному значению;

— волокна в системе равнонагружены и работают одновременно;

—число перекрещивающихся слоев (для многослойных КМ) долж­но быть одинаковым;

— волокна (слои) должны быть качественно склеены между собой.

При использовании в качестве наполнителей тканых материалов в ос­новном придерживаются вышеприведенных принципов. При этом учитыва­ют (для конкретных условий эксплуатации КМ) и вид прилагаемой нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).

Таким образом, выбирая форму, размеры и материал наполнителя, можно получить достаточно точные данные о том, из какого материала дол­жен быть второй компонент КМ.

Выбор матрицы (связующего). Полимерная матрица является важ­нейшим компонентом КМ, определяющим его технологические и эксплуата­ционные свойства. В качестве матрицы в КМ используют отверждаемые эпоксидные, полиэфирные и др. термореактивные смолы, а также полимер­ные термопластичные материалы. Матрица (связующая композиция) должна обладать определенным комплексом свойств, среди которых можно выде­лить:

— наличие реакционно-способных функциональных групп (-С-С-,
-СООН,-SН и др.) О

—достаточная для переработки вязкость;

—хорошая смачивающая способность по отношению к материалу на­полнителя и хорошая адгезия;

—адгезия матрица — наполнитель должна быть больше когезионной прочности связующего;

—обладать высокой скоростью отверждения;

—не выделять при отверждении низкомолекулярных побочных про­дуктов;

—должна обеспечивать идеально-упругое поведение материала КМ и др.

Для улучшения физических, механических, технологических и специ­альных характеристик КМ в состав связующего вводят наполнители, добав­ки, пластификаторы. Пластификаторы, в свою очередь, должны обладать следующими основными свойствами:

—способностью совмещаться с полимерами;

—малой летучестью;

—способностью проявлять пластифицирующее действие при повы­шенной температуре;

—химической стойкостью, которая должна быть не ниже, чем у пла­стифицируемого полимера;

—не должны экстрагироваться из полимера.

Такая последовательность выбора ингредиентов КМ позволяет проек­тировать и создавать композиционные материалы с заданными свойствами, выбирать прогрессивные технологические процессы переработки КМ в из­делия.

Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, орга­нические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Одним из основных требований, предъявляемых матричным материалам, является условие непрерывности по всему объему КМ.

Другой компонент — наполнитель является прерывным, разделенным в композиции и считается усиливающим или армирующим.

Такими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порош­кообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

КМ характеризуется следующими признаками:

—состав и форма компонентов КМ определены заранее;

—компоненты, присутствуют в количествах, обеспечивающих задан­ные свойства материала;

— материал является однородным в макромасштабе и неоднородными в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними су­ществует явная граница раздела).

При использовании в КМ высокодисперсных наполнителей, которые хаотически располагаются в материале, механические свойства таких мате­риалов одинаковы во всех направлениях. Такие материалы называют изо­тропными.

Ориентирование наполнителя (обычно волокнистого) обуславливает анизотропию свойств (т.е. различие механических свойств материала в раз­ных направлениях).

При однонаправленной ориентации волокон КМ можно считать трансверсально-изотропными; они имеют плоскость изотропии yz, пер­пендикулярную направлению армирования вдоль оси х (рис. 5).

Рис. б. Модель ортотропного композиционного пластика

 

Рисунок5-Модель однонаправленного(трансверсально-изотропного)композиционного пластика с основными схемами распределения напряжений

Другой разновидностью ориентированных КМ являются ортотропные материалы, армируемые волокнами или тканями с продольно-поперечной укладкой (рис. 6). В этих КМ образуются три взаимно ортогональные плос­кости симметрии механических свойств (ху, xz, zy).

В общем случае композиционные материалы представляют собой гете­рогенные системы, состоящие из двух или более фаз, между которыми есть четкая граница раздела. Каждый компонент в КМ сохраняет свои индивиду­альные свойства и имеет свое конкретное назначение. Как правило, матрица воспринимает нагрузку и передает ее наполнителю.

Варьируя типом наполнителя и матричного материала, их взаимодей­ствием и схемой расположения в КМ, можно получать изделия с заданным сочетанием механических свойств (рис. 7).

 

Рис. 7. Новый комплекс свойств КМ

На заключительной стадии из нескольких отбирают один из вариантов изделия с соответствующими ингредиентами КМ и производят отработку конструкции изделия на технологичность, т.е. производят конструкторско-технологическую проработку. Такую проработку производят в соответст­вии с ГОСТ (14.201-73), который устанавливает основные задачи, последова­тельность их решения, систему технологичности изделия и стадии их опре­деления.

Конструирование изделия — это комплексное решение системы взаимосвязанных и взаимообусловленных задач, связанных с обеспечением:

— конструктивно-геометрической определенности (задачи синтеза
конфигурации изделия);

—механической организации (разработка несущей конструкции изде­лия);

—технологичности изделия;

—вибростойкости и ударопрочности;

—химической стойкости к агрессивным средам и т.д.

—технико-экономической эффективности и конкурентоспособности.

Изделие из ВКМ может быть представлено как система деталей опре­деленного функционального назначения. Некоторые детали системы могут быть выполнены из металлов, другие — из неметаллических материалов (ке­рамика, полимеры и др.), а основные детали — из ВКМ.

Затем производят рационализацию и оптимизацию конструкции из­делия, т.е. производят ее совершенствование.

Для окончательного варианта конструкции производят технико-экономическую оценку.

Выбор технологического процесса получения ВКМ и переработки его в изделие осуществляют с учетом природы и структуры выбранных ин­гредиентов КМ, видом используемого полуфабриката (препрега), конструк­ции изделия, метода формования и обработки, назначением изделия и усло­виями его эксплуатации.

При разработке и выборе технологического процесса необходимо со­блюдение общих требований, а именно:

1. Равномерно распределять волокна (жгуты) в матрице, с заданным шагом, геометрией ячейки и характером армирования.

2.Обеспечивать прочную адгезионную связь между наполнителем и матрицей, а также между матричными слоями.

3.Полностью уплотнять КМ (если к изделию не предъявляют специ­альных требований).

4.Сохранять целостность волокон и их исходной прочности.

5.Обеспечивать возможность последующей сварки, пайки, склеивания и клепки.

С этой целью производят выбор последовательности выполнения тех­нологических операций в соответствующих аппаратах (установках) и составляют принципиальную схему технологического процесса производства КМ и переработки его в изделия.

Выбранная технологическая схема должна удовлетворять комплексу требований, а именно, быть:

—передовой;

—экономичной;

—обеспечивать выпуск высококачественной продукции, конкуренто­способной на рынке и т.д.

Основой технологической схемы производства является разрабаты­ваемый технологический процесс. Глубина и достаточная полнота разра­ботки выбранного процесса позволяет определить типы и количество обору­дования, потребное количество основных и вспомогательных материалов, топлива, всех видов энергии, рабочей силы, необходимые площади, типы и размеры зданий, сооружений и т.д.

Технологическая подготовка включает:

1.Разработку технологических процессов (операций) и определение их последовательности.

2.Выбор и расчеты оборудования и установления режимов их работы.

3.Определение потребной технологической оснастки, проектирование и изготовление специального инструментария.

4.Систему организации рабочих мест и транспортирования сырья, ма­териалов или обрабатываемой продукции.

5.Разработку прогрессивных норм затрат рабочего времени, сырья, материалов, энергии и т.д.

6.Проектирование организации технического контроля.

Принципы выбора форм технологических документов

Всякое материальное производство — это процесс создания матери­альных благ, представляет собой естественное условие человеческой жизни и является материальной основой других видов деятельности.

Промышленное производство складывается из циклов. Производст­венный цикл — период времени от запуска исходного сырья, материалов, полуфабрикатов в производство по установленному на данном предприятии технологическому процессу до полного изготовления и сдачи продукции на склад, потребителю. Производственный цикл определяется для деталей, со­ставных частей и изделия в целом и характеризуется длительностью цикла и структурой цикла, т.е. имеется в виду соотношение между длительностя­ми операций и временем перерывов в цикле.

Промышленное изделие — изделие, изготовленное промышленным способом на основе серийной технологии, обладает относительно устойчи­вой формой и свойствами законченного продукта (т.е. не является сырьем, заготовкой, элементом конструкции).

Для промышленного производства изделий разрабатывают комплекты технологической документации в соответствии с выбранным технологиче­ским процессом.

Выбор технологической документации применительно к условиям конкретного производства обусловлен следующим:

—типом и видом производств;

—стадией разработки документации;

—выбором технологического процесса для изготовления изделия и его составных частей (в том числе и ремонта);

—наличием отдельных видов специфического оборудования.

В свою очередь выбор состава форм технологических документов за­висит от объема выпуска продукции и ее номенклатуры. Для предпри­ятий с небольшим объемом производства разработку технологического про­цесса выполняют на формах маршрутных карт, а также в виде технологи­ческих инструкций.

Маршрутные карты используют на рабочих местах вместе с конст­рукторской документацией.

Предприятия, отличающиеся большим объемом выпуска изделий, ис­пользуют, как правило, операционную технологию — подробное описание выполняемых действий каждого исполнителя на рабочем месте.

Документы общего назначения

Технологическая инструкция предназначена для описания техноло­гических процессов, повторяющихся при изготовлении или ремонте изделий, правил эксплуатации средств технологического оснащения.

К таким документам относят, прежде всего, титульный лист и карту эскизов.

К документам специального назначения относят: маршрутную кар­ту, карту технологического процесса, операционную карту, карту типовой операции и т.д.

Маршрутная карта — предназначена для маршрутного или маршрутно-операционного описания технологического процесса или указания
полного состава технологических операций при операционном описании изготовления или ремонта изделия (его составных частей), включая контроль и
перемещение по всем операциям различных технологических методов в тех­
нологической последовательности с указанием данных об оборудовании,
технологической оснастке, материальных затратах, нормативных и трудовых
затратах.

Технологическая оснастка — совокупность приспособлений для ус­тановки и закрепления заготовок и инструментов, выполнения сборочных операций, а также для транспортирования заготовок, деталей или изделий.

Карта технологического процесса — предназначена для операцион­ного описания технологического процесса изготовления или ремонта изделия в технологической последовательности по всем операциям одного вида формообразования, обработки, сборки или ремонта, с указанием переходов, технологических режимов и данных о средствах технологического оснаще­ния, материальных и трудовых затратах.

Операционная карта — предназначена для описания технологиче­ской операции с указанием последовательного выполнения переходов, дан­ных о средствах технологического оснащения, режимах и трудовых затратах (применяют при разработке единичных технологических процессов).

Карта технологической информации — предназначена для указания дополнительной информации, необходимой при выполнении отдельных операций (технологических процессов) и связанной с применением уникаль­ных средств технологического оснащения, прогрессивных методов изготов­ления или ремонта изделия.

Маршрутное описание техпроцесса — сокращенное описание всех технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения без указания переходов и технологических режимов.

Маршрутно-операционное описание техпроцесса — сокращенное описание технологических операций в маршрутной карте в последователь­ности их выполнения с полным описанием отдельных операций в других технологических документах.

Технологическая операция — законченная часть технологического процесса, выполняемого на одном рабочем месте.

Технологический переход — законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического ос­нащения при постоянных технологических режимах и установке.

Технологическое проектирование начинают с разработки маршрут­ной технологии, т.е. с установления последовательности выполнения основ­ных операций и использования групп оборудования. По маршрутной техно­логии за каждым участком закрепляют обрабатываемые в нем виды продук­ции и составляют спецификации потребных для их изготовления (обработки) оборудования и материалов.

Вслед за маршрутной (в разделе технико-технологические расчеты) разрабатывают более детальную пооперационную технологию. Важнейшим требованием к технологическому процессу является ее единство, т.е., начиная от подготовки сырья и материалов и заканчивая вы­пуском продукции все процессы производства должны быть связаны в еди­ную технологию. Соблюдение этого требования является основой высоко­производительной работы проектируемого промышленного предприятия.

Практическая часть

Выбор и составление принципиальной и технологической схемы осу­ществляют в соответствии с требованиями ТЗ к изделию, а также с учетом результатов выбора ингредиентов КМ и возможных и рациональных техно­логий его создания и переработки.

ИЗ всего имеющегося парка оборудования, используемого для получе­ния ингредиентов ВКМ, их подготовки к процессу создания ВКМ и получе­ния из него полуфабрикатов, производят выбор наиболее экономичных и производительных установок (стандартного оборудования), потенциально пригодных для осуществления технологического процесса.

За основу технологического процесса выбирают схему процесса, про­веренного производственной или опытной практикой. Для наглядности и об­легчения работы целесообразно составить черновую маршрутную техноло­гию в виде схемы с указанием на каждой операции применяемого оборудо­вания по существующему техпроцессу, заданной суточной производительно­сти и предлагаемые изменения в технологическом процессе.

Технологическую схему производства составляют, начиная с фазы по­лучения ингредиентов КМ или их подготовки, и заканчивают операцией укупорки изделия и поставкой потребителю. На последующих этапах в ре­зультате технологических и технических расчетов технологическая схема может быть уточнена и несколько видоизменена.

Описание технологической схемы должно быть кратким и четким. В нем должны быть указаны последовательность производственных операций, схемы переходов обрабатываемых материалов с операции на операцию, и указаны отличительные особенности предлагаемой технологической схемы производства. В описании необходимо также указать — что дает такое (та­кие) нововведение с точки зрения улучшения технологического процесса, повышения производительности и улучшения качества изделий, уменьшения экономических затрат, улучшение санитарно-гигиенических условий произ­водства, экологичности и т.д.

При проектировании новых производств разработчик должен само­стоятельно разработать всю технологическую схему производства, опираясь на знания, полученные за время обучения в университете и при прохождении производственной практики на предприятиях отрасли.

При разработке технологических схем производства необходимо пре­дусмотреть все основные мероприятия по реконструкции действующих ус­тановок и операций:

1. Обеспечение технического прогресса внедрением прогрессивных технологических процессов.

2. Интенсификация технологических процессов и всего производства за счет использования новых высокопроизводительных видов оборудования, модернизации существующего оборудования, а также за счет применения более мощных агрегатов и узлов технологических установок.

2.Повышение качества продукции.

3.Внедрение комплексной механизации трудоемких работ на всех ос­новных и вспомогательных операциях, а также комплексной автоматизации всех производственных процессов.

4.Обеспечение безопасных условий труда и т.д.

Если изменений, вносимых в технологическую схему известного про­изводства, много, то необходимо свести их после детального обоснования в таблицу по примерно следующей схеме (форме):

Таблица 1-Перечень изменений, вносимых в технологическую схему производства

 

Наименование операции	Изменения и преимущества предложения	Обоснование
Подача заготовок Прессование	Вводится транспортер. Сокращается количество рабочих Вводится таблетировочный пресс. Повышение производительности	Расчет, стр. Расчет, стр. отчет о работе опытной установки

С учетом изложенные положений и требований составляют принципи­альную технологическую схему (каркас), на которую на последующих заня­тиях на основании выполненных исследований, выбора и расчетов оборудо­вания, материального баланса и др. будут нанесены конкретные данные по каждой операции, тип и количество оборудования, нормы расхода, загрузки и потери сырья и материалов, контролируемые параметры технологического процесса и их техническое оснащение средствами автоматизации, регулиро­вания и управления и т.д.

После уточнения и согласования с преподавателем разработанная принципиальная технологическая схема должна быть защищена авторами на практическом занятии.

При оформлении текстового материала необходимо соблюдение соот­ветствующих ГОСТ.

Контрольные вопросы

1. Цель и задачи занятия.

2.Технология производства, технологическая схема производства из­делий.

3.Основные задачи технолога.

4.Принципиальная схема разработки технологической схемы произ­водства изделия из ВКМ.

5.Конструирование изделия и отработка его на технологичность.

6.Основные требования, предъявляемые к технологическому процессу на стадии его разработки.

7.Технологическая подготовка производства.

8.Маршрутная, пооперационная технология.

9.Основные принципы создания передовых технологий.