авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование и разработка технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов на примере композиции ад1-бор

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ Ф.И.О Преображенский Евгений Владимирович Название диссертации Исследование и разработка технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов на примере композиции АД1-бор Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением» Отрасль наук

и Технические науки Шифр совета Д 212.110.05 Тел. ученого секретаря (499)141-9495 E-mail a_paltievich@mati.ru Предполагаемая дата защиты 24 февраля 2011 Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 523А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им.

К.Э.Циолковского в сети Интернет 21 января 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Р. Палтиевич

На правах рукописи

Преображенский Евгений Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ОБОЛОЧЕК ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ КОМПОЗИЦИИ АД1-БОР Специальность 05.16. «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва

Работа выполнена в «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Галкин Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шелест Анатолий Ефимович кандидат технических наук Соломоник Яков Львович

Ведущая организация: ОАО «НИИ Стали»

Защита диссертации состоится 24 февраля 2011 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д.212.110.05 в «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского по адресу 121552, г.

Москва, ул. Оршанская, д.3, ауд. 523A.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» – Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского.

Автореферат диссертации разослан « 21 » января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Палтиевич А. Р.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие машиностроения, энергетической, авиационной, космической и других отраслей промышленности опирается на разработку и использование деталей из новых материалов, способных повысить наджность и срок службы изделий, снизить их материаломкость, улучшить несущую способность конструкций. К классу деталей, удовлетворяющих этим требованиям, в том числе принадлежат армированные оболочки.

Возросшие требования к эксплуатационным характеристикам глубоководных аппаратов, работы над самолтом следующего поколения, планы по созданию к 2015 году Российской космической станции, программа освоения дальних планет – привели к обширным исследованиям и практическим испытаниям изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). В частности, это касается оболочек из алюминиевой матрицы, упрочненной борными волокнами.

Преимущества бороалюминия определяются высоким уровнем удельных прочности и жсткости, способностью длительно работать в условиях знакопеременных нагрузок и при повышенных температурах. Благодаря этим достоинствам армированные оболочки нашли применение в узлах конструкций, подвергающихся интенсивному нагреву, для кожухов, юбок ракетного двигателя, переходных отсеков, трубных опор и стабилизаторов. Эффективна работа бороалюминиевых оболочек в качестве силовых элементов, так как замкнутый цилиндрический контур способен выдерживать нагрузку без потери устойчивости более длительно, чем профили незамкнутого контура.

Важно отметить, что на свойства получаемого композита существенно влияет способ его производства. Применительно к изготовлению оболочек можно выделить: компактирование с использованием термоупругого пресса, методы волочения, раздачи, прессования и др. Однако перечисленные процессы имеют несколько недостатков: недостаточно большую производительность, снижение прочности из-за термоциклирования, низкий выход годного, высокую стоимость оснастки, сложность наладки оборудования. К тому же, для производства оболочек относительно большого диаметра применяется многостадийный процесс, включающий сборку армированных секций с помощью клпки. При этом ухудшаются механические характеристики и герметичность изделия.

Поэтому актуальной задачей является разработка новых технологических процессов производства бесшовных продольноармированных оболочек, к числу которых следует отнести метод обкатки.

В связи с этим цель настоящей работы заключается в исследовании и разработке научно-обоснованной технологии производства продольно армированных цилиндрических оболочек из ВКМ на примере композиции АД1-бор обкаткой за один проход.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Анализ процесса обкатки армированных оболочек за один проход.

2. Изучение процесса компактирования сборной заготовки по схемам осадки и обкатки с помощью математического моделирования.

3. Создание программного обеспечения для автоматизированного расчта основных технологических параметров.

4. Проектирование и изготовление оснастки для производства армированных оболочек обкаткой.

5. Экспериментальная проверка результатов исследования, изучение структуры и свойств полученных изделий.

6. Разработка технологического процесса получения оболочек из АД1-бор.



Научная новизна:

1. Разработана методика анализа процесса компактирования оболочек из ВКМ на базе метода конечных элементов. Выявлены закономерности заполнения ячеек композита с учтом изменения шага укладки армирующих волокон и саморегулирования структуры.

2. Показано, что положение нейтрального сечения при обкатке может быть рассчитано по формуле Экелунда-Павлова.

3. Предложена функциональная зависимость расчта напряжения компактирования и полного усилия обкатки с учтом реологических свойств материала и основных технологических параметров процесса, в том числе для случая асимметричной обкатки.

Практическая значимость работы:

1. Спроектирована и изготовлена установка для обкатки, обеспечивающая постоянство прикладываемого усилия при компактировании.

2. Разработан технологический процесс обкатки армированных оболочек, позволяющий получать бесшовные изделия за один проход. На способ производства армированных оболочек получен патент РФ на изобретение № 2209131, приоритет от 21.11.2001.

3. Создано программное обеспечение для расчта основных технологических параметров процесса обкатки и для построения конечно-элементных моделей компактирования ВКМ.

Достоверность работы подтверждается хорошей сходимостью данных, полученных в ходе математического моделирования, с результатами проведенных экспериментов, а также применением апробированных методов исследований и программных комплексов численного решения.

Апробация работы. Тематика работы обсуждалась на 8 всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», Волгоград, 2001 г.;

Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2004 г.;

Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002 г.;

конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003;

Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2007 г. Результаты диссертации представлены на международном авиакосмическом салоне МАКС-2005 (г.

Жуковский).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в работах – в том числе 2 статьи в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ.

По результатам работы получен патент РФ на изобретение № 2209131.

Объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, глав, основных выводов и списка использованной литературы, включающего наименования. Изложение занимает 155 страниц машинописного текста, содержит 75 рисунков, 16 таблиц и приложение.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проведнного исследования и указаны задачи, решнные во время разработки нового технологического процесса производства оболочек из ВКМ.

В первой главе дано подробное описание композиционных материалов, их свойств и эксплуатационных характеристик. На основании обзора российских и зарубежных литературных источников определены способы производства армированных оболочек и перспективы их использования. Показано, что при разработке новых технологических процессов изготовления изделий из ВКМ наиболее рационально применять систему критериальных выражений и методы математического моделирования.

Производство армированных оболочек обкаткой предлагается осуществлять в следующем порядке. Заготовка из ВКМ собирается на валке или на пустотелой оправке, разогревается до требуемой температуры, сжимается валками с заданным усилием и затем компактируется за один проход (рис. 1).





P P Рис. 1. Предлагаемая схема сборки заготовки и обкатки ВКМ:

1 – плазменная лента;

2 – фольга;

3 – валок Во второй главе приведены сведения о применяемых материалах, методах исследования и об используемом программном обеспечении.

Для анализа процесса обкатки применялся метод конечных элементов.

Математическое моделирование проводилось в программе ANSYS.

В лабораторных опытах заготовка собиралась из чередующихся слов алюминиевой фольги АД1 (толщиной hф = 10100мкм) и плазменных лент с борными волокнами (толщина hПЛ 210мкм, диаметр волокна df = 140мкм, шаг укладки S0 = 180мкм). Обкатка осуществлялась за один проход в валках радиусом при скорости деформирования 1мм/с. Температура R = 27мм, Vоб компактирования составляла 480520°С. Из полученных армированных оболочек резкой на электроискровой установке изготавливали образцы для лабораторных исследований. Механические испытания образцов проводили на разрывной машине «Instron». Микроструктуру ВКМ изучали на оптическом микроскопе «Neophot» (увеличение до х2000). Травление для фракционного анализа осуществляли в 30% водном растворе NaOH.

В третьей главе представлена методика и результаты анализа технологического процесса обкатки ВКМ.

Для исследования процесса обкатки применялась система критериальных выражений. Очаг деформации при обкатке можно условно разделить на две зоны (рис. 2): в первой происходит полное уплотнение заготовки ВКМ, а во второй – адгезионное взаимодействие е компонентов.

I II R hдоп / H0 H hдоп / Рис. 2. Схема очага деформации при обкатке оболочек из ВКМ с условным разделением на две зоны: I – зона полного уплотнения сборной заготовки;

II – зона дополнительного обжатия, необходимая для обеспечения процессов адгезии компонентов ВКМ;

(1 – сборная заготовка;

2 и 3 – соответственно верхний и нижний валки).

Требуемая для обкатки степень деформации зависит от минимально необходимой фк, обеспечивающей физический контакт компонентов, и дополнительной деформации hдоп, требуемой для формирования прочной связи:

hдоп ФК H Минимально необходимая деформация определяется по первому критерию с учтом коэффициента неплотности заготовки КНП и изменения шага укладки волокон S:

K НП S S ФК 1 S S Дополнительная деформация hдоп лимитируется вторым критерием, т.е.

величиной приложенного давления, которое не приводит к разрушению волокон.

Для е расчта предлагается использовать преобразованную формулу Целикова:

sc hдоп * 1 * 4H f где *f – прочность волокна при поперечном сжатии;

sc – сопротивление деформации матричного материала;

* H1 H 0 1 ФК hдоп – конечная толщина стенки оболочки из ВКМ;

2 R hдоп – показатель, зависящий от коэффициента tg ( 2 / 2) hдоп трения на границе заготовка – инструмент.

Необходимое время для установления прочной связи компонентов ВКМ tА определяет скорость обкатки VОБ согласно третьему критерию:

R hдоп VОБ tA Как показали расчты, для прохождения адгезионного взаимодействия компонентов ВКМ АД1-бор (при радиусе валков R = 251000мм) скорость обкатки не должна превышать 10 мм/с.

Четвртый критерий задат температурный интервал компактирования. Для ВКМ АД1-бор он выбран в пределах 480520°С, что характеризуется высокой пластичностью матричного материала и отсутствием заметного термического разупрочнения волокон.

Таким образом, критериальная система позволила оценить величину некоторых из основных технологических параметров. Для точного определения усилия обкатки и более детального изучения процесса компактирования применялось математическое моделирование, которое базировалось на методе конечных элементов.

Основными моделями для анализа стали: осадка ВКМ в штампе и непосредственно обкатка композиционного материала в валках (рис. 3).

Достоверность конечно-элементных моделей ВКМ подтверждена хорошим совпадением результатов моделирования с имеющимися опытными данными и с теоретическими расчтами по осадке ВКМ в штампе.

3 а) б) Рис. 3. Конечно-элементные модели обкатки (а) и прессования (б) ВКМ:

1 – нижний валок;

2 – матричная фольга;

3 – волокно;

4 – плазменная лента;

5 – верхний валок;

6 – рабочая плита;

7 – контейнер.

Главной целью моделирования являлось определение усилия обкатки, выбранного в качестве основного управляющего параметра процесса. Для его расчта необходимо знать площадь контактной поверхности и распределение давления по дуге захвата:

P pcp B0 ld, где pср – среднее контактное давление по дуге захвата ld;

В0 – ширина заготовки ВКМ (без учта уширения).

Т.к. на каждый элементарный i-ый объм сборной заготовки из ВКМ на границе с инструментом действуют силы трения k и давление компактирования * i, то уравнение равновесия можно записать в виде:

sc Pi sci cos i k sin i, * где k sc – напряжение контактного трения на поверхности заготовки и * i инструмента (плюс – для зоны отставания, минус – опережения);

sc – напряжение компактирования.

* i Следовательно, для расчта полного усилия обкатки требуется знать напряжение компактирования, протяжнность зон отставания и опережения, величину уширения при обкатке и некоторые другие факторы, влияющие на процесс компактирования ВКМ.

Для определения протяжнности зоны отставания использовалась конечно элементная модель обкатки. Моделирование соответствовало предлагаемому способу производства оболочек и включало две стадии: на первой валки сжимали заготовку с выбранным усилием, на второй – задавалось их вращение, тем самым совершалось компактирование ВКМ.

Рассматривая скорости перемещения узлов конечно-элементной модели, удалось определить протяжнность зон отставания и опережения (рис. 4).

V, мкм/с 149, 147, 145, 143, нейтральное компактное строение сечение 141, 139, 137, 135, зона отставания зона опережения 133, ld 13 23 33 Направление прокатки слой 1 слой 2 слой 3 слой 4 слой Рис. 4. Соотношение скоростей слов ВКМ по дуге захвата ld Как показало моделирование, нейтральное сечение появляется в заготовке до момента е полного уплотнения. А нейтральный угол достаточно точно определяется по известной формуле Экелунда-Павлова, используемой при прокатке традиционных металлов и сплавов:

0 n 1 0, 2 где n, 0 – нейтральный угол и угол захвата соответственно.

Для анализа возможного уширения заготовки ВКМ при компактировании использовалась трхмерная конечно-элементная модель с начальной шириной заготовки B0 = 100 мм. Установлено, что при обкатке уширение составляет менее 0,1%, поэтому принято решение в расчте усилия его не учитывать.

Усилие обкатки напрямую зависит от напряжения компактирования. Для его исследования использовалась модель осадки ВКМ, поскольку в этом случае наиболее легко определить зависимость напряжения от степени деформации заготовки. Кроме того, изучалось влияние начального смещения волокон соседних рядов, числа плазменных лент n, а также объмной доли волокон Vf (рис. 5).

Моделирование показало, что в наибольшей степени напряжение компактирования * зависит от объмной доли волокон, и эта связь близка к sc линейной. Число плазменных лент n практически не оказывает влияния на требуемое усилие. Начальное смещение соседних рядов волокон в сборной заготовке является случайной величиной, поэтому для дальнейших расчтов выбран вариант, соответствующий максимальной величине напряжения * и, sc следовательно, обеспечивающий то давление, которое будет достаточным для уплотнения композита независимо от начального расположения волокон.

sс, МПа sс, МПа sс, МПа * * * 70 n = n= 00 S S n = n= 50 0,1 S 0,1 S n = n= 0,2 S S 0,2 40 0,3 S S n = n= 0, 0,4 S S 0,4 n = n= 0,5 S S 0, 30 10 10 ФК ФК Vf 0 0 0 0,5 1 0 0,5 1 0% 15% 30% 45% а) б) в) Рис. 5. Зависимость напряжения компактирования от начального положения соседних рядов волокон (а), числа плазменных лент (б) и объмной доли волокон (в) Для определения напряжения компактирования предлагается использовать следующее аппроксимирующее выражение:

3 A B C, * sc ФК ФК ФК где A, B, C – коэффициенты аппроксимации;

для АД1-бор (Vf = 25%):

А = 136МПа, В = -167МПа, С = 75МПа.

Полученные при моделировании данные легли в основу формулы для расчта полного усилия обкатки. Учитывая протяжнность зон отставания и опережения, отсутствие уширения, а также реологические свойства материала, выраженные через коэффициенты А, В, С, усилие можно рассчитать по формуле:

n * 0 P p cp B0 l d B0 R Pi d B0 R sci cos k sin d sci cos k sin d, * 0 n После интегрирования полученное выражение имеет вид:

2 R 3 2 R 2 R P B0 R A K1 B K2 C K3, H H H 0 ФК 0 ФК 0 ФК 3 13 1 где K1 0 sin 0 cos 0 sin 0 cos 3 0 0 cos 2 0 cos 4 0 3 cos 2 8 8 4 1 1 cos 0 cos 3 0 cos 4 n cos 0 cos 3 n cos 2 0 sin 2 n cos 3 0 cos n ;

4 4 1 1 K 2 sin 0 sin 3 0 0 cos 0 cos 3 0 cos 0 2 cos 2 0 cos 3 n 3 3 ;

cos 0 sin 2 n cos 2 0 cos n 1 1 K 3 0 sin 2 0 sin 2 0 2 cos 2 0 cos 0 sin 2 n cos 0 cos n.

2 4 Согласно расчтам, предложенная формула хорошо согласуется с 1-й стадией процесса производства оболочек – осадкой ВКМ в валках (рис. 6а).

Pi, МПа Pi, МПа - - Pi sci cos k sin P sci cos k sin * * i - - - - - - -20 - - - 0 ld ld расчт по аппроксимирующей формуле расчт по аппроксимирующей формуле моделирование обкатки в Ansys моделирование обкатки в Ansys усредннное значение в ячейке (Ansys) усредннное значение в ячейке (Ansys) а) б) Рис. 6. Распределение удельного усилия (по дуге захвата) при начальном сжатии заготовки ВКМ валками (а) и непосредственно при обкатке (б) Для стадии обкатки имеется значительное расхождение в результатах расчта и данных моделирования (см. рис. 6б), поэтому предлагается добавить в формулу корректирующий множитель, который учитывает величину скорости деформации по дуге захвата:

Pi sci cos k sin 0,5 i, 0, * 2 VОБ H1 tg где i – скорость деформации в данном сечении.

2R (1 cos ) H1 В этом случае разница в расчтах не превысит 10%.

Анализ с помощью метода конечных элементов позволил выявить и другие особенности компактирования ВКМ.

Установлено, что послойные деформации близки друг к другу (коэффициент неравномерности приблизительно равен единице). Это хорошо совпадает с опытными данными по прокатке сборных заготовок ВКМ.

Выявлены зоны затрудннного течения материала матрицы ВКМ. Области композита, расположенные у поверхности волокна в месте соединения плазменной ленты и прокладочной фольги, заполняются в последнюю очередь.

Поэтому при проведении металлографических исследований данные области могут использоваться для оценки качества готовой армированной оболочки.

Моделирование также показало, что обкатка продольноармированных оболочек сопровождается процессом саморегулирования структуры ВКМ и ростом шага укладки волокон. Анализ подтвердил тенденцию к перемещению волокон на равноудалнное расстояние (т.е. выстраивание их в «шахматном порядке»). Рост шага укладки, согласно полученным результатам, зависит от протяжнности очага деформации и объмной доли волокон. Предложено аппроксимирующее выражение, которое дат возможность оценить изменение шага укладки при однопроходной обкатке:

S S A2 V f, R где A2 = 50 коэффициент аппроксимации (для R = 251000мм, Vf = 2050%).

Трхмерная модель обкатки позволила выяснить, что изгиб волокна в направлении выхода материала из валков незначителен (при недеформируемом инструменте), а напряжения, возникающие вдоль оси волокон, на порядок ниже предела их прочности на растяжение и не должны приводить к их разрушению.

Кроме того, с помощью метода конечных элементов подтвердилось, что максимальные напряжения действуют перпендикулярно оси волокон и достаточно точно рассчитываются по критериальной системе. Стоит отметить, что волокна практически на протяжении всего процесса обкатки находятся в условиях всестороннего сжатия, что благоприятно сказывается на сохранении их целостности.

Очередной задачей исследования являлась оценка возможности получения армированных оболочек большого диаметра. Для решения этой проблемы обкатку предлагается проводить на пустотелой оправке, с размещнным внутри е валком (рис. 7).

R 2 h1 / h2 / R а) б) Рис. 7.Схема процесса (а) и очаг деформации (б) при обкатке с использованием оправки:

1 – верхний валок;

2 – оправка;

3 – заготовка ВКМ;

4 – нижний валок Моделирование показало, что в этом случае с достаточной для инженерных расчтов точностью для определения основных технологических параметров по ранее представленным зависимостям вместо радиуса валков можно R использовать приведнный радиус инструмента RПР:

2 R1 R RПР, R1 R где R1, R2 – радиусы валка и оправки соответственно.

Наиболее корректно данная зависимость работает, если отношение радиуса оправки к радиусу валка не превышает 3:1. Также необходимо отметить, что при ассиметричной обкатке (т.е. при использовании оправки) из-за разности скоростей и переменного радиуса гиба возможно искажение формы готовой оболочки из ВКМ. Следовательно, после компактирования может потребоваться дополнительная операция – правка полученного изделия.

Компьютерное моделирование процесса обкатки дало детальное представление о ходе деформирования ВКМ и позволило получить функциональные зависимости для расчта основных технологических параметров.

В четвёртой главе объяснена технология производства армированных оболочек, представлена конструкция установки для обкатки и приведены результаты экспериментальной проверки разработанного процесса.

Для повышения эффективности проведения расчтов и построения моделей в работе использовалось специально разработанное программное обеспечение (рис. 8). Оно позволяет определить полное усилие процесса обкатки, а также строить конечно-элементные модели для Ansys, и осуществлять анализ процесса компактирования различных композиций, в том числе отличных от АД1-бор.

Рис. 8. Интерфейс приложения для расчта основных технологических параметров процесса обкатки ВКМ и построения моделей для Ansys Экспериментальные исследования проведены на специально спроектированной и изготовленной лабораторной установке, конструкция которой позволяет благодаря нажимным болтам компактировать заготовку с постоянным усилием (рис.

9). Процесс проводился с заданной Рис. 9. Оснастка для производства скоростью обкатки за один проход. Для оболочек из ВКМ обкаткой реализации процесса обкатки заготовка ВКМ собиралась на валке, который затем размещался в установке. После чего вся сборка помещалась в печь для нагрева. В этой связи габариты установки были ограничены размерами рабочего пространства печи, при этом радиус валков составил 27мм.

Для разработанной конструкции установки для обкатки с валками радиусом 27мм, полное усилие при компактировании заготовки ВКМ толщиной H0 = 1,4мм и шириной B0 = 110мм, согласно расчту, составило 8кН.

Для проверки найденного усилия проведн ряд опытов как по расчтному значению, так и с отклонением от него. Также в ходе экспериментов рассматривалось влияние скорости обкатки на качество получаемого композита.

В результате экспериментов с отклонением от расчтных параметров выяснилось: при недостаточном усилии (отклонение 25%) не удатся достичь компактного строения композита, на фрактограммах (рис. 10а) отчтливо видны пустоты в зонах затрудннного течения металла. При завышенном в 1,5 раза усилии (согласно данным фрактографического анализа) большинство волокон не выдерживают нагрузку и разрушаются. Скорость обкатки влияет на схватывание компонентов ВКМ: при слишком высокой скорости не хватает времени для адгезии, поэтому на изломе образца видна поверхность волокон с неустановившейся связью (рис. 10б). При скорости ниже расчтной удатся получить качественные оболочки из ВКМ, но при этом уменьшается производительность процесса.

х100 х а) б) Рис. 10. Вид поверхности разрушения образцов ВКМ, полученных при недостаточном усилии (а) и при завышенной скорости обкатки (б) После обкатки по расчтным параметрам волокна равномерно распределены по объму композита (рис. 11а), подавляющее их большинство (90%) сохранили свою целостность, по микроструктуре образца (рис. 11б) можно судить о степени компактности и хорошей связи компонентов ВКМ. Прочность композита близка к расчтным значениям: например, при объмной доли волокон Vf = 25% предел прочности ВКМ составил sc = 830МПа.

х х а) б) Рис. 11. Микроструктура образца из АД1-бор, полученного по расчтным параметрам процесса обкатки При проведении лабораторных экспериментов последовательность операций соответствовала разработанной технологии и включала в себя:

контроль исходных материалов (плазменных лент и алюминиевой фольги);

их резку, очистку и обезжиривание;

смазку инструмента;

сборку заготовки ВКМ на валке методом намотки;

сборку установки и е нагрев;

передачу усилия и непосредственно обкатку с требуемой скоростью;

разборку боковой стенки;

снятие готовой армированной оболочки;

обрезку кромок;

контроль. По разработанной технологии получена партия изделий.

Таким образом, разработан новый технологический процесс производства бесшовных оболочек из ВКМ обкаткой за один проход. Обкатка позволяет получать армированные изделия компактного строения, с качественной связью компонентов ВКМ, сохранением сплошности и исходной прочности волокон, их равномерным распределением по объму композита. На разработанный способ производства оболочек обкаткой получен патент Российской Федерации на изобретение № 2209131.

Общие выводы 1. С помощью критериальной системы исследована возможность производства бесшовных цилиндрических оболочек из ВКМ обкаткой за один проход. Очаг деформации условно разделн на 2 зоны: в первой достигается полное уплотнение заготовки композита, во второй происходит адгезионное взаимодействие компонентов ВКМ. В соответствии с этим, используя критериальные выражения, рассчитаны минимально необходимая степень деформации и скорость обкатки с учтом температуры процесса. Для композиции АД1-бор рекомендован температурный интервал компактирования 480520°С.

Согласно расчтам, при соблюдении изотермических условий требуется, чтобы скорость обкатки не превышала 10 мм/с, а деформация – максимально допустимой, определяемой поперечной прочностью волокна. Отмечено, что при контроле величины обжатия заготовки в валках существует вероятность разрушения волокон, поэтому в качестве основного управляющего параметра технологического процесса обкатки выбрано усилие компактирования.

2. Методом конечных элементов смоделирован процесс осадки заготовки ВКМ из АД1-бор в закрытом контейнере. Получено аппроксимирующее выражение для расчта напряжения компактирования в зависимости от степени деформации сборной заготовки. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние, возникающее в ходе уплотнения ВКМ. Установлено наличие зон затрудннного течения матричного материала – данные области могут использоваться для оценки степени уплотнения готового композита. Изучены напряжения, возникающие в волокне при компактировании. Подтверждена эффективность применения плазменных лент, заключающаяся в относительном равенстве послойных деформаций и равномерном распределении волокон по объму ВКМ.

3. Проведн конечно-элементный анализ процесса обкатки ВКМ.

Установлено, что при компактировании в валках появляются зоны отставания и опережения, причм нейтральное сечение расположено в месте, предшествующем полному уплотнению композиционного материала. Выяснено, что обкатка продольноармированных оболочек сопровождается ростом шага укладки волокон и их незначительным изгибом. Во время компактирования наблюдается процесс саморегулирования структуры ВКМ, а уширение заготовки практически отсутствует. По результатам анализа предложена формула для расчта изменения шага укладки волокон в зависимости от протяжнности очага деформации.

4. Рассмотрен способ производства армированных оболочек относительно большого диаметра с использованием пустотелой оправки. Установлено, что для расчта основных технологических параметров следует применять приведнный радиус инструмента (валка и оправки).

5. Получена формула для нахождения полного усилия обкатки ВКМ с учтом геометрии заготовки и инструмента, сил трения и реологических свойств материалов композиции при заданных температурно-скоростных условиях компактирования. Разработана методика для расчта основных технологических параметров процесса обкатки. Для автоматизации вычислений создано специальное программное обеспечение, в которое дополнительно заложена функция для построения конечно-элементных моделей и проведения анализа различных композиций ВКМ.

6. Спроектирована и изготовлена установка для обкатки ВКМ.

Особенностью конструкции является возможность поддержания постоянного усилия, вращение валков с требуемой невысокой скоростью (от 0,1 мм/с до мм/с), и разборная боковая стенка для облегчения снятия готовой армированной оболочки. Изотермические условия должны обеспечиваться дополнительными нагревательными устройствами.

7. Разработан технологический процесс производства оболочек из ВКМ обкаткой за один проход и изготовлена опытная партия изделий. Армированные оболочки, полученные по расчтным параметрам, имеют компактное строение, волокна равномерно распределены в матрице, большая их часть (90%) сохранила целостность и исходную прочность. Между компонентами ВКМ установлена качественная связь, механические свойства композита близки к расчтным. На способ производства оболочек из ВКМ получен патент Российской Федерации на изобретение № 2209131 (приоритет от 21.11.2001).

Публикации по теме диссертации 1. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Палтиевич А.Р., Преображенский Е.В.

Способ получения армированных полых цилиндрических изделий из волокнистых композиционных материалов. Патент Российской Федерации на изобретение №2209131 (приоритет от 21.11.2001).

2. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Палтиевич А.Р., Преображенский Е.В.

Новые процессы производства армированных оболочек и гнутых профилей из волокнистых композиционных материалов на металлической основе. Тезисы докладов Международной конференции «Слоистые композиционные материалы», Волгоград, 2001, с. 41.

3. Преображенский Е.В. Разработка и моделирование технологического процесса производства цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов XXVIII Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2002, с.14.

4. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Разработка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Научные труды «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского. Вып. 5(77), 2002, с. 16.

5. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Разработка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2002, с.62-63.

6. Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Разработка новых технологических процессов производства гнутых профилей и цилиндрических оболочек из волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов конференции «Международная неделя металлов», Москва, 2003, с.27.

7. Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Конструирование технологической оснастки с применением современных систем автоматизированного проектирования. Тезисы докладов XXIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2003, с.16.

8. Мануйлов В.Ф., Соколов А.В., Нуждин В.Н., Преображенский Е.В.

Разработка принципов однопроходной прокатки изделий из волокнистых композиционных материалов. «Технология легких сплавов» №2-3, Москва, 2003, с. 62-69.

9. Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Разработка и математическое моделирование технологических процессов изготовления оболочек и профилей из волокнистых композиционных материалов. «Цветные металлы» №5, 2003, с.60-65.

10. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Математическое моделирование процесса компактирования волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов первой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2003, с. 31.

11. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Повышение эффективности разработки технологического процесса производства оболочек из волокнистых композиционных материалов. Сборник материалов третьей Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва, 2004, с.

142.

12. Преображенский Е.В. Преимущества обкатки перед другими способами получения оболочек из волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов XXX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2004, с. 24.

13. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Информационные технологии при изучении процессов получения изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2004, с.

22-23.

14. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Исследование хода компактирования сборной заготовки в процессе производства оболочек из волокнистого композиционного материала. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 2004, с. 6-7.

15. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Распределение напряжений и деформаций при компактировании волокнистых композиционных материалов.

Научные труды «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского. Вып. 8(80), 2005, с. 62 67.

16. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Концепция проектирования электронных макетов волокнистых композиционных материалов (ВКМ) для конечно-элементного пакета Ansys. Тезисы докладов Всероссийской научно практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве», Москва, 2005, с.87.

17. Галкин В.И., Нуждин В.Н., Преображенский Е.В. Использование волокнистых композиционных материалов как элементов жсткости. Сборник трудов 4-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакалнные материалы и покрытия», Москва, 2005, с.29-33.

18. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Оптимизация процесса моделирования волокнистых композиционных материалов. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ технологий в производстве», Москва, 2007, с.93-94.

19. Галкин В.И., Преображенский Е.В. Перспективы получения бесшовных оболочек из волокнистых композиционных материалов обкаткой "Технология машиностроения", №8, 2008, с. 9-14.

Подписано в печать 17.01.2011 г.

Печать трафаретная Усл.п.л. – 1, Заказ № Тираж: 75 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 115230, Москва, Варшавское ш., (499) 788-78- www.autoreferat.ru

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.