Файл: Физикотехнологические основы получения композиционных материалов.doc

---

7. Технологические особенности проектирования и изготовления деталей из композиционных материалов

7.1. Технологические требования к конструкциям изготовляемых деталей

Конструктивные особенности деталей из композиционных материалов обуслов­лены физико-механическими и технологи­ческими свойствами, способами их полу­чения. Прочностные и точностные харак­теристики деталей во многом зависят от их конструктивного оформления. Следует всегда стремиться к упрощению конст­рукции детали как по технологическим и эксплуатационным, так и по экономиче­ским соображениям. Чем проще конст­рукция детали, тем дешевле технологиче­ская оснастка, ниже себестоимость, выше производительность труда и качество по­лучаемых деталей. Габаритные размеры деталей определяют мощность оборудова­ния (пресса, литьевой машины и т.д.). При проектировании деталей с высокими тре­бованиями к точности размеров необхо­димо предусмотреть припуск на их даль­нейшую механическую обработку.

В конструкциях деталей следует избе­гать выступов, пазов и отверстий, распо­ложенных перпендикулярно к оси прессо­вания. Их следует заменять соответствующими элементами, располо­женными в направлении прессования. Процесс формообразования деталей из композиционных материалов сопровож­дается значительной усадкой, поэтому в их конструкциях нельзя допускать зна­чительной разностенности, которая вызы­вает коробление и образование тре­щин. Разностенность не должна превышать 1:3. В зависимости от габаритных размеров детали, исполь­зуемого материала и других факторов оп­тимальной толщиной стенок считается 0,5 - 5 мм, а минимальными радиусами сопряжений - 0,5 - 2 мм.

Отверстия в деталях получают при формообразовании (литьем, прессованием и т.д.) соответствующими стержнями, ус­танавливаемыми в технологической осна­стке (пресс-формах). Наличие стержней вызывает появление напряжений в дета­лях, так как они затрудняют свободную усадку материала. Отверстия лучше рас­полагать не в сплошных массивах, а в спе­циальных бобышках с тонкими стен­ками, что снижает усадку и силу обхвата стержней.

В деталях из композиций на основе пластмасс литьем под давлением и прес­сованием получают наружные и внутрен­ние резьбы, не требующие дальнейшей обработки. Минимальный допустимый диаметр резьбы для деталей из термопла­стов и пресс-порошков равен 2,5 мм, для волокнистых материалов - 4 мм. Резьбу на деталях из спеченных порошковых мате­риалов получают обработкой резанием.

---

В конструкциях деталей необходимо предусматривать ребра жесткости, кото­рые позволяют уменьшить сечения от­дельных элементов детали, снизить на­пряжения в местах сопряжения стенок различного сечения, повысить устойчи­вость и прочность конструкций. Толщина ребер жесткости у их осно­вания должна быть равной толщине ос­новной стенки детали. Для малогаба­ритных деталей роль ребер жесткости мо­гут выполнять выступы или впадины. Правильная конструкция опорной поверхности повышает жесткость всей конструкции, особенно у крупных корпусных деталей. Для этого сплошные опорные поверхности следует заменять поверхностями с выступающими бурти­ками. Общее конструктивное оформление детали необходимо выпол­нять с учетом удобства сборки этой детали с другими деталями изделия. Для свобод­ного извлечения детали из пресс-формы на наружных и внутренних поверхностях ее необходимо предусматривать техноло­гические уклоны. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения детали, обратная конусность недопустима.

Использование металлической армату­ры значительно расширяет область при­менения деталей из композиционных ма­териалов (особенно на основе пластмасс и резины). Например, в электро- и радио­промышленности прессованием и литьем под давлением получают электрические разъемники, колодки, панели и т.д. Это позволяет резко (в 10 - 100 раз) сократить трудоемкость получения таких изделий по сравнению с аналогичными конструкция­ми, собранными из отдельных элементов.

Армирование позволяет также повы­сить точность и прочность получаемых изделий. Арматуру в виде винтов, гаек, штырей и т.п. закрепляют с помощью кольцевых выточек, буртиков или канавок. Для предотвращения прово­рачивания на наружных поверхностях этих деталей делают рифления, насечку или плоские грани. Мелкую арматуру в виде пластинок (клеммы электрических разъемников) закрепляют с помощью боко­вых вырезов или отверстий. Проволочную арматуру закрепляют путем расплющивания или загибания второго конца. Конструкция пресс-формы должна надежно фиксировать ар­матуру и предотвращать возможность за­текания материала в гнезда для установки арматуры.

7.2. Технологические особенности дополнительной механической обработки заготовок

Формообразование заготовок из ком­позиционных материалов в большинстве случаев осуществляется методом копиро­вания, т.е. форма и размеры оснастки (пресс-формы) переносятся (копируются) изготовляемой деталью. Получаемые де­тали, как правило, не требуют дальнейшей механической обработки.

---

В отдельных случаях экономически целесообразно изготовлять детали меха­нической обработкой. В качестве загото­вок при этом используют листы, трубы, прутки, профили различного сечения. Иногда возникает необходимость в допол­нительной обработке заготовок, получен­ных литьем, прессованием и другими ме­тодами формообразования. В зависимости от способа воздействия на заготовку, ис­пользуемых оборудования и инструмента применяют два основных метода механи­ческой обработки: разделительную штам­повку и обработку резанием.

Основные операции разделительной штамповки при изготовлении деталей из листовых материалов - вырубка, пробив­ка, отрезка, разрезка, обрезка и зачистка. Наибольшее практическое применение имеют операции вырубки, пробивки и разрезки.

Операции разделительной штамповки выполняют с подогревом заготовки или без подогрева. В качестве оборудования используют механические или гидравли­ческие прессы.

Обработку резанием (точение, сверле­ние, фрезерование, нарезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда при формообразовании нельзя получить де­таль заданных размеров и формы.

Обработка спеченных материалов с пористостью менее 5% ничем существен­но не отличается от обработки обычных беспористых материалов. С повышением пористости материала характер процесса стружкообразования меняется. Стружка дробится на отдельные элементы, появля­ются ударные нагрузки, вибрации, снижа­ется стойкость режущего инструмента.

При обработке резанием пористых ма­териалов необходимо применять остро заточенный режущий инструмент, большие скорости резания и малые подачи. Не ре­комендуется применять обычные охлаж­дающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка мас­лом пористых заготовок перед обработкой также нежелательна, так как в процессе резания масло вытекает из пор и, нагрева­ясь, дымит. Нарезать резьбу рекомендует­ся твердосплавным инструментом. Для улучшения качества резьбы задний угол инструмента следует увеличивать при­мерно в 2 раза по сравнению с инструмен­том, предназначенным для нарезания резьбы на заготовках из обычной конст­рукционной стали.

При обработке заготовок из пористых антикоррозионных материалов нужно об­ращать внимание на состояние поверхно­стного слоя. В целях предотвращения воз­можности закрывания пор необходимо использовать хорошо заточенный и дове­денный режущий инструмент. Допусти­мый износ инструмента по задней поверх­ности должен быть уменьшен в 1,5 - 2 ра­за по сравнению с общепринятыми нор­мами при обработке конструкционной стали. Не допускается шлифование абра­зивными материалами во избежание попа­дания абразивных частиц в поры.

---

Для обработки тугоплавких и жаро­прочных материалов применимы электро­физические и электрохимические методы обработки аналогичных литых материалов.

Значительные сложности возникают при обработке МКМ, так как они в своем составе содержат относительно "мягкий" материал матрицы и сверхпрочные и твер­дые волокна и нитевидные кристаллы. Традиционные способы механической обработки оказываются непригодными. В отдельных случаях для обработки таких материалов применяют лазерные, плаз­менные, электроэрозионные и другие спе­циальные методы обработки.

При обработке резанием композицион­ных материалов на основе полимеров происходит разрушение поверхностной смоляной пленки. Это приводит к сниже­нию химической стойкости и повышению влагопоглощения обработанных деталей. Поэтому обработку резанием следует применять только в необходимых случаях.

Особенности строения и физико-меха­нических свойств пластмасс существенно влияют на технологию их обработки, кон­струкцию режущего инструмента и при­способления. Пластмассы имеют более низкие механические свойства по сравне­нию с металлом. Эту особенность можно было бы использовать для повышения скорости резания. Однако низкая тепло­проводность пластмасс приводит к кон­центрации теплоты, образующейся в зоне резания. В результате этого происходят интенсивный нагрев режущего инстру­мента, размягчение или оплавление тер­мопластов, обугливание или прижог реактопластов в зоне резания. При обработке деталей из термопластов максимальная температура процесса не должна превы­шать 60 - 120°С, а деталей из реактопластов 120 - 160°С. Образующаяся теплота при обработке пластмасс отводится в ос­новном через инструмент.

Стойкость режущего инструмента раз­личная в зависимости от типа обрабаты­ваемого материала и материала инстру­мента. Незначительный износ наблюдает­ся при обработке термопластов без напол­нителя. При обработке реактопластов, особенно со стеклянными и другими по­добными наполнителями, стойкость ре­жущего инструмента значительно снижа­ется. Заготовки из термопластов (органи­ческого стекла, полистирола, фторопласта и т.д.) можно обрабатывать режущими инструментами из углеродистых и быст­рорежущих сталей. Материалы, оказы­вающие абразивное действие, обрабаты­вают инструментами, оснащенными твер­дым сплавом, алмазом, эльбором.

---