Технология производства композиционных материалов

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского "ХАИ"

кафедра 403

Пояснительная записка к домашнему заданию

по дисциплине "Технология производства изделий из композиционных материалов"

Выполнил: студент 438 гр.

Казаков М.Ю.

Проверил: доцент каф.403

Ивановская О.В.

Харьков 2015

Содержание

Введение

1. Подготовительные процессы

1.1 Подготовка армирующего материала, входной контроль

1.2 Входной контроль компонентов связующего

1.3 Раскрой армирующего материала и материала рифтов

2. Расчет количества армирующего материала и связующего

3. Выбор и подготовка к работе технологической оснастки

4. Формообразование и расчет штучного времени

4.1 Штучное время на подготовку формообразующей поверхности

4.2 Штучное время на изготовление вакуумного мешка

4.3 Штучное время на выкладку панели

4.3.1 Штучное время на нанесение разделительного слоя на поверхность

4.3.2 Штучное время на выкладку пакета слоев

4.3.3 Штучное время на подготовку детали к формованию

4.3.4 Штучное время на герметизацию детали

5. Формование конструкции

6. Механическая обработка

6.1 Параметры сверления

7. Контроль качества изделия

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время в производстве композиционные материалы приобретают все большее распространение практически во всех сферах производства. Естественно отраслью, в которой данные материалы наиболее перспективны, является авиация, где их использование обусловлено возможностью снизить вес летательного аппарата и соответственно стоимость его производства. Однако, КМ применяются также и в производстве декоративных элементов, не несущих нагрузок. В данной работе описан технологический процесс изготовления такого элемента, а именно панели обшивки салона самолета. Способ формообразования выкладка "мокрая + мокрая".

Армирующим материалом этой панели является стеклоткань Т-13-76, а матрицей - эпоксидное связующее L-285. Панель будет играть роль подвесной подставки (углубления) для монитора салона самолета. В данном случае декоративной поверхностью будет именно поверхность, на которой расположены рифты, которые также выполняют функцию увеличения жесткостных и эксплуатационных характеристик. Формообразующей оснасткой выступает плоская металлическая пластина. Стоит отметить, что панель можно условно разделить на верхнюю обшивку, рифтовое подкрепление и нижнюю обшивку. Обе обшивки изготовлены методом ручной выкладки в одном технологическом процессе, который также включает укладку рифтов. Суммарная толщина обшивки составляет 6 мм. При ее производстве использовано 24 слоя стеклоткани (20 - нижняя обшивка, 4 - верхняя обшивка).

Механическая обработка заключается в обрезке технологических припусков и сверлении отверстий под крепления.

Качество изготовления панели обеспечивается соблюдением требований КД и технологических режимов на всех этапах изготовления. Все операции технологического процесса изготовления конструкции производятся по техническому документу и подлежат приемке отделом технического контроля.

Проверка качества готовой панели проводится с использованием методов неразрушающего контроля.

По рекомендациям изготовление панели производится 2 рабочими.

композиционный материал армирующий конструкция

1. Подготовительные процессы

Производство изделий из КМ начинается с подготовительных технологических процессов: контроль исходной арматуры, контроль и приготовление компонентов связующего, контроль материала рифтов и других дополнительных материалов. Проверке армирующих материалов по внешнему виду подвергают 5% от объема входного контроля, проверке по физико-механическим показателям подвергают 10%.

 

1.1 Подготовка армирующего материала, входной контроль

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, аппретирование.

Контроль исходной арматуры заключается в испытании ее на соответствие товарно-транспортной накладной (паспорту по ГОСТ 28006-88), ширина армирующего материала, поверхностная плотность ткани (ГОСТ 3811-72, 3812-752), разрушающие напряжения при растяжении, толщина монослоя, мм (технологическая инструкция), нанос аппрета, % от массы (ТУ6-06-И 106-83), влажность фактическая, % от массы (ГОСТ 6611, 4-73), воспламеняемость ткани. Физико-механические характеристики стеклоткани Т-13-76 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики ткани Т-13-76.

Толщина, мм	0,25±0,03
Ширина, мм	1000
Предел прочности, МПа	190
Плотность, кг/м3	2500
Поверхностная плотность, кг/м²	0,32

Ткань должна быть принята техконтролем предприятия-изготовителя. Изготовитель должен гарантировать соответствие ткани требованиям стандарта при соблюдении потребителем условий транспортировки и хранения, установленных стандартом.

В качестве материала рифтов используется пенополиуретан.

Перед применением все компоненты должны пройти входной контроль на соответствие паспортным данным.

 

1.2 Входной контроль компонентов связующего

Перед использованием компоненты связующего проходят контроль в целях проверки срока годности и заданных паспортных свойств. От каждой партии связующего берут пробу для контроля плотности, концентрации и вязкость связующего, поверхностное натяжение связующего и смачиваемость твердого тела. Аналогичные испытания проводят после хранения ранее приготовленного связующего перед запуском в работу. Плотность определяют с помощью ареометра с точностью до 0,001 г/см³, температуры - термометром с точностью до 0,5 С. Концентрацию связующего определяются по результатам измерения плотности и температуры согласно номограмме. Вязкость раствора связующего определяется методом падающего шарика, с точностью достаточной для технологических расчетов. Поверхностное натяжение связующего определяют методом взвешивания капли с помощью прибора сталагмометра, заполненного используемым раствором и обеспечивающего свободное падение капель под действием силы собственного веса в результате превышения ею сил поверхностного натяжения в момент отрыва капли. Смачиваемость твердого тела жидкостью характеризуется значением краевого угла смачивания. Результаты контроля записывают в журнал и паспорт.

Готовое связующее должно поставляться в производство с биркой, на которой указываются марка, дата изготовления, номер партий компонентов и номер партии связующего.

 

1.3 Раскрой армирующего материала и материала рифтов

Перед выкладкой панели необходимо произвести раскрой армирующего материала и материала рифтов. Данная операция проводится на специальных раскройных столах с использованием ножа. ножниц, линейки. Раскрой выполняется в соответствии с чертежами. Предусматривается оставлять припуск на механообработку.

Схема раскроя приведена в маршрутной карте в карте эскизов, а также в чертеже, входящем в документацию. Для разметки воспользуемся лазерным аппаратом LAP.

2. Расчет количества армирующего материала и связующего

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой [0/90].

Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1.

Имеем общую длину ткани, учитывая ее ширину, можем посчитать затраченную площадь ткани:

S_затр = 22.42 м²

Рассчитаем потребную площадь, то есть площадь панели, учитывая количество слоев ткани, необходимой для укладки:

S_потр = 27.14 м²

Теперь, зная потребную и затраченную площади тканей, можно определить коэффициент использования материала (КИМ):

Рассчитаем массу АМ, воспользовавшись формулой:

где ρ - поверхностная плотность ткани Т-13-76;

S_{потр -} потребная площадь ткани.

m= 0,32·22,42 = 7.174 кг.

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле:

,

где - масса необходимого для пропитки связующего, кг;

 - масса пропитываемого армирующего материала, кг;

 - процентное содержание связующего в КМ, K_c = 57%;

 - коэффициент технологических потерь, .

Рассчитаем массу каждого компонента связующего по формуле:

,

где - масса искомого компонента связующего, кг;

 - масса необходимого для пропитки связующего, кг;

 - удельное массовое содержание искомого компонента в рецептуре связующего, масс. ч.

Используя рецептуру связующего L-285, запишем:

смола L-285 - 100 масс. ч.;

отвердитель H-285 - 40 масс. ч.;

замедлитель полимеризации NLC-10 - 0.5%;

Замедлитель полимеризации применяется, чтобы продлить время, в течение которого связующее сохраняет допустимое для выкладки значение вязкости (чтобы предотвратить преждевременно начало полимеризации). Масса смолы L-285:

Масса отвердителя H-285:

Масса замедлителя полимеризации NLC-10:

3. Выбор и подготовка к работе технологической оснастки

Качество конструкций с рифтами (КР) (прочность, герметичность, чистота поверхности и т.д.) во многом определяется качеством элементов оснастки, качеством используемых материалов и технологией изготовления.

При проектировании и изготовлении оснастки следует учитывать различие коэффициентов линейного температурного расширения оснастки и стеклопластиков при нагревании. В данном случае используется связующее холодного отверждения, которое подвергается термообработке при сравнительно невысокой температуре. Поэтому разница КЛТР не так сильно влияет на применяемую оснастку.

Рабочая формообразующая поверхность оснастки должна быть герметичной, иметь разметку контура детали, линий технологического припуска, установки усиливающих элементов и другую информацию. Разметка должна обеспечивать возможность отпечатка ее на деталь в процессе формования. Оснастка должна отвечать определенным требованиям, это:

возможность сохранения своей формообразующей поверхности при ее многократном использовании;

возможность нанесения антиадгезионного покрытия;

материал оснастки должен быть химически нейтрален к композиту;

материал оправки должен обеспечивать необходимую жесткость и температурную устойчивость к температурным режимам формования изделий;

легкость удаления.

Формообразующая обшивка оснастки должна сохранять герметичность при вакуум-автоклавном формовании во всем температурном диапазоне эксплуатации, выводы крепежных элементов на рабочие поверхности не допускаются.

4. Формообразование и расчет штучного времени

Выбор методов формообразования изделий из армированных полимерных композиционных материалов зависит от назначения изделий, габаритных размеров, состава связующего, необходимого давления формования.

Методом выкладки получают подавляющее число плоских, криволинейных и объемных деталей сложной конфигурации. Она заключается в послойном наборе пакета КМ из заранее раскроенных заготовок препрега (сухой способ) или армирующего материала с последующей его пропиткой связующим (мокрый способ) в соответствии со схемой (картой) выкладки. В зависимости от геометрии детали и возможностей производства процесс выкладки может осуществляться следующими способами: ручным, механизированным и автоматизированным. Ручная выкладка применяется для изготовления малогабаритных деталей, а также любых деталей в условиях опытного и единичного производств. Также ручная выкладка дает возможность введения в изделие различных закладных элементов и формирования слоистых изделий. Следовательно, для изготовляемой панели наиболее подходящим видом формообразования является ручная мокрая выкладка.

Операция ручной выкладки включает в себя следующие технологические процессы:

подготовка оснастки;

нанесение антиадгезионного слоя;

выкладка предварительно раскроенных и пропитанных слоев на формообразующую поверхность;

герметизация оснастки с помощью заранее изготовленного вакуумного мешка;

Каждый из перечисленных процессов имеет свое штучное время - время на полное завершение операции, определение которого представлено ниже.

Нормы штучного времени включают в себя время оперативное, подготовительно-заключительное (4%), организационно-технического обслуживания (5%), а также на отдых и естественные надобности (5%).

В нормах предусмотрены рационально организованные рабочие места и планово-предусмотрительная система их обслуживания.

 

4.1 Штучное время на подготовку формообразующей поверхности

Подготовка оснастки включает следующие операции:

установка оснастки на рабочем месте, подготовка материалов и инструментов;

выравнивание ФОП с помощью специальных паст;

протирку поверхности ФОП, смоченной в бензине салфеткой;

предъявление оснастки мастеру.

Штучное время (в минутах) на подготовку металлической формообразующей поверхности (как и на любую другую операцию) определяется эмпирической зависимостью следующего вида:

 

Где S - площадь поверхности оснастки, дм²; или длина, м;

τ - штучное время, мин; А, В - эмпирические коэффициенты, которые взяты из источника (таблицы коэффициентов).

При небольших размерах изделия можно воспользоваться уже известными значениями в зависимости от площади изделия (ФОП), данными в источнике (Список использованной литературы, п.6).

В этом таком случае штучное время на подготовку ФОП равно τ₁ = 52 мин (с учетом времени на проверку качества оснастки).

4.2 Штучное время на изготовление вакуумного мешка

Изготовление вакуумного мешка включает следующие операции:

подготовка рабочего места, материалов, инструментов.

отмер необходимого количества ткани.

подготовка поверхностей под склеивание.

нанесение 2 слоев клея на склеиваемые поверхности.

совмещение склеиваемых поверхностей, прикатка их роликом.

предъявление работы мастеру, БТК.

уборка рабочего места, материалов, инструментов.

В качестве материала вакуумного мешка используется полиамидная пленка. В качестве герметизирующего материла - клей 88НП.

Согласно источнику: штучное время на изготовление составит: τ₂ = 18 мин.

 

4.3 Штучное время на выкладку панели

В данном случае было принято решение объединить несколько отдельных самостоятельных операций в одну составную - интегральную операцию выкладку панели, так как они выполняются непрерывно одна за другой и должны быть выполнены максимально быстро с целью недопущения преждевременной полимеризации связующего. Рассмотрим каждую их этих операций.

 

4.3.1 Штучное время на нанесение разделительного слоя на поверхность

Нанесение разделительного слоя (антиадгезионных смазок) на поверхность оснастки включает в себя следующие операции:

подготовка рабочего места, материалов и инструмента;

нанесение антиадгезионных смазок на защищаемую поверхность;

предъявление результата работы мастеру или в БТК;

уборка рабочего места, материалов и инструментов.

 

4.3.2 Штучное время на выкладку пакета слоев

Следующий процесс - это процесс выкладки слоев на ФОП, который включает в себя:

подготовка рабочего места, материалов и инструмента;

пропитку и укладку заранее раскроенного слоя на формообразующую поверхность в соответствии со схемами укладки и раскроя, данными в чертежах, сопровождающих пояснительную записку;

повторение предыдущей операции в зависимости от количества слоев. Также следует учесть время на укладку пенополиуретановых рифтов между условной нижней и верхней обшивкой;

предъявление результата работы мастеру или в БТК;

уборка рабочего места.

Выкладка ведется непосредственно на ФОП. Как видно, в данном случае штучное время на выкладку пакета слоев включает в себя время на пропитку необходимого количества слоев, их укладку на ФОП, а также на укладку рифтов. Штучное время тогда составит соответственно:

τ₃₂ = 247+19+10 = 276 мин.

 

4.3.3 Штучное время на подготовку детали к формованию

Следующий этап - подготовка детали к формованию. Этот этап включает в себя следующие операции:

подготовка рабочего места, материалов, инструментов;

отмер и отрезание необходимого количества перфорированной пленки, укладка ее на выложенный пакет а качестве перфорированного слоя;

отмер и отрезание необходимого количества стеклоткани для впитывающего слоя, укладка его на выложенный пакет;

отмер и отрезание необходимого количества фторопластовой пленки для сплошного разделительного слоя, укладка его на выложенный пакет;

отмер и отрезание необходимого количества фторопластовой пленки для сплошного разделительного слоя, укладка его на выложенный пакет;

укладка цулаги;

отмер и отрезание необходимого количества стекломата для дренажного слоя и для обмотки дренажных трубок;

укладка дренажного слоя;

обмотка дренажных трубок стекломатом, укладка их на форму, закрепление клеем 88НП;

перемещение выложенного пакета в вакуумный мешок;

предъявление работы мастеру, БТК;

уборка рабочего места, материалов, инструментов.

Штучное время на данную операцию составит: τ₃₃ = 45 мин

4.3.4 Штучное время на герметизацию детали

Данная операция включает в себя следующие процессы:

подготовка рабочего места, материалов, инструментов;

подготовка склеиваемых поверхностей вакуумного мешка;

нанесение кистью первого слоя клея 88НП шириной 50-60 мм на поверхности вакуумного мешка. Выдержка 15-20 минут;

нанесение кистью второго слоя клея;

cовмещение склеиваемых поверхностей, прикатка роликом;

герметизизация выводов дренажных трубок;

проверка герметичности формы;

предъявление работы мастеру, БТК;

отправка на формование в автоклав;

уборка рабочего места, материалов, инструментов.

Штучное время на герметизацию оснастки детали: τ₃₄ = 24 мин.

Учитывая все определенные выше значения штучного времени, суммарное время на выкладку панели составит: τ₃ = τ₃₁ + τ₃₂ + τ₃₃ + τ₃₄ = 403 мин, а с учетом таких вспомогательных операций, как подготовка ФОП, изготовление вакуумного мешка, герметизация детали, суммарное штучное время:

τ = τ₁ + τ₂ + τ₃ = 473 мин,

где  - штучное время на подготовку металлической поверхности ФОП;

 - штучное время на изготовление вакуумного мешка;

 - штучное время на непосредственно выкладку панели;

5. Формование конструкции

Методы формования изделий из композиционных материалов разнообразны и их применение зависит от назначения детали, ее форм, состава связующего, давления формования и других факторов. Методы, которые получили наибольшее распространение, делятся на 3 основные группы:

контактное формование;

упругое формование;

формование в жестких формах;

Каждый из вышеперечисленных методов имеет три основные характеристики: время, давление, температура.

Определим метод формования, рассчитав давление формования для данной панели по формуле:

,

где - относительное объемное содержание армирующего материала в КМ, = 0.373;

 - минимально возможное объемное содержание армирующего материала в КМ (при мокрой выкладке), =0.33;

 - поверхностная плотность армирующего материала, =0.32 кг/м²;

 - плотность материала арматуры, =2500 кг/м³;

 - количество слоев армирующего материала в изделии n = 24;

 - минимальная вязкость μ = 35 МПа с;

 - время сохранения минимальной вязкости при температуре 45ºС, τ = 15 мин;

 - толщина монослоя, м.

Подставляя значения величин в формулу для определения массы связующего, имеем:

.

Следовательно, для обеспечения требуемого давления формования и выбираем автоклавный метод формования, который позволяет обеспечить процентное содержание армирующего материала θ ≈ 0.373 при соблюдении необходимого режима формования.

График режима формования приведен на рис.1.

- участок подъема температуры до температуры гелеобразования.

Т. = 45^оС. Скорость подъема выбираем максимально возможную, но ограничиваем ее тем, чтобы температурное поле было равномерным. Поэтому V₁ =0.5 ^◦/мин.

- участок первой температурной выдержки, обеспечивающей выход летучих продуктов для получения сплошной структуры. Температура выдержки выбирается близкой к температуре минимальной вязкости связующего. Время выдержки 60 мин.

- второй участок подъема температуры - до температуры полимеризации. Для данного связующего

V₂=2 ^o/мин, Т_пол = 75^о.

- второй участок выдержки температуры для достижения максимальной степени отверждения. Для данного связующего время выдержки составляет 3 часа.

- участок снижения температуры. (V_сн=2 ^о/мин) до 20 ^оС.

Рис. 1. График зависимости температуры формования от времени

6. Механическая обработка

После удаления оправки (распрессовки) размеры детали могут не соответствовать заданным. В этом случае применяют механическую обработку деталей: обрезают припуски. Также проводят сверление отверстий под крепления.

Необходимо удалить припуски на механическую обработку, а также просверлить 5 отверстий (для крепления панели). Припуски удаляются с помощью вибрационного ножа с последующей зачисткой поверхности наждачной шкурки для придания необходимой шероховатости. Время обрезания припуска вычисляется по эмпирическим коэффициентам либо принимается равным уже определенному заранее в результате экспериментов значению - что и было сделано в данном случае - в зависимости от длины участка, который подвержен механообработке. Для рассматриваемой панели при заданном значении толщины разрезаемого материала рекомендуют подачу 0.5 м/мин.

При выборе подачи сверла необходимо учитывать требования к шероховатости обрабатываемой поверхности, недопущение сколов материала и его вспучивания при входе и выходе сверла из отверстий и прижогов на поверхности детали режущей части сверла.

Следовательно, нужно выбирать определенные ниже оптимальные значения параметров сверления, чтобы свести к минимуму недостатки и погрешности которые могут быть вызваны данным способом механической обработки.

6.1 Параметры сверления

Расчетное значение скорости резания при сверлении панели определим по формуле:

Где с, x, y, m - коэффициенты, учитывающий влияние обрабатываемого материала и режущий инструмент (Р6М5), c = 12.6, x = 0.14, y = 0.28, m = 0.6.

d - диаметр сверла, d= 8 мм;

Т - период стойкости инструмента, T= 30 мин;

S - подача, S= 0.5 мм/об.

Численное значение V_расч будет равняться:

 м/мин.

Уточненное значение скорости резания с помощью поправочных коэффициентов можно определить по следующей формуле:

V_ут = V_расч∙k_m∙k_M∙k_ϕ∙k_ɣ∙k_α, где

k_m, k_M, k_?, k_?, k_α - поправочные коэффициенты для изменений обработки; их значения:

k_m = 0.25; k_M = 1; k_? = 1; k_? = 1, k_α = 1

Отсюда численное значение уточненной скорости равно:

V_ут = 7.793∙0.25 = 1.043 м/мин.

Теперь определим значение частоты вращения шпинделя станка:

 об/мин.

Рассчитаем штучное время для образования 5 отверстий диаметром 8 мм по формуле:

,

где - глубина получаемого отверстия L = 6 мм;

 - соответственно подача инструмента и частота вращения шпинделя станка при сверлении.

Итак, учитывая полученные выше необходимые численные значения, посчитаем штучное время непосредственно для образования отверстий (без учета подготовительных операций):

 7.226 мин.

7. Контроль качества изделия

Качество изготовления деталей и конструкций обеспечивается соблюдением правил КД и технологических режимов на всех этапах изготовления.

В процессе изготовления конструкций контролю подлежат:

) технологическая оснастка (наличие входящих элементов, чистота формообразующей поверхностей и соответствие геометрическим размерам детали);

) применяемые основные материалы подлежат входному контролю;

) основные технологические операции (приготовление связующего, раскрой армирующего материала, изготовление закладных элементов, проверка герметичности вакуумного мешка, соблюдение режимов формования согласно требованиям, качество механической обработки).

Контроль готовой детали и конструкции на соответствии требованиям

КД включает:

) контроль внешнего вида и контура - контролируется качество поверхности конструкции, соответствие контуров конструкции разметке на оснастке и прилегание ее к формообразующей поверхности оснастки;

) неразрушающий контроль качества по инструкции ПИ 1.4.1485-85 "Контроль неразрушающий неразъемных соединений конструкций из ПКМ";

) контроль механических свойств и качества отвержденного материала;

) контроль геометрических размеров;

) контроль массы конструкции.

Контроль механических свойств пластика производить согласно ТИ 59-1110-92 "Механические испытания образцов из полимерных композиционных материалов".

Заключение

В данной работе был описан технологический процесс изготовления декоративной панели (элемент обшивки салона самолета). С учетом ее назначения были рассчитаны основные параметры технологических процессов штучное время. используемые материалы, а также подобрано необходимое оборудование.

Для изготовления панели использовались армирующий материал Т-13-76 - стеклоткань, эпоксидное связующее L-285, и пенополиуретан в качестве материала для рифтов. В процессе работы определен КИМ = 82.6 %, рассчитаны массы компонентов связующего и суммарная масса связующего, вычислено объемное содержание армирующего материала θ = 37.3 %.

Также было рассчитано максимальное давление формования Р_max = 0.199 МПа и выбран режим формования. Были подобраны параметры и инструменты для механической обработки - в частности сверло для выполнения отверстий.

Для основных технологических операций определено штучное время.

Список использованной литературы

1.      Я.С. Карпов, О.В. Ивановская Учебное пособие "Композиционные материалы: компоненты, структура, переработка в изделия", Харьков "ХАИ", 2001г., 152с.

2.      В.Е. Гайдачук, Я.С. Карпов Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию "Физико-механические и эксплутационные свойства композиционных материалов", Харьков "ХАИ", 1987г., 72с.

.        В.Е. Гайдачук, В.Д. Гречка, В.Н. Кобрин, Г.А. Молодцов Учебное пособие "Технология производства летательных аппаратов из композиционных материалов, Харьков, "ХАИ", 1989p., 332с.

.        О.В. Ивановская, М.А. Шевцова Учебное пособие по лабораторному практикуму "Производство изделий из ПКМ", Харьков "ХАИ", 2005г., 84с.

.        О.В. Ивановская, М.А. Шевцова "Оформление технологической документации при производстве изделий из КМ", Харьков "ХАИ", 2004 г., 62с.

.        Методическое пособие "Расчет штучного времени", Харьков "ХАИ".