ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
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). 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.
Использование металлической арматуры значительно расширяет область применения деталей из композиционных материалов (особенно на основе пластмасс и резины), Например, в электро- радиопромышленности прессованием и литьем под давлением получают электрические разъемники, колодки, панели и т.д.
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.
Иногда возникает необходимость в дополнительной обработке заготовок, полученных литьем, прессованием и другими методами формообразования.
Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда при формообразовании нельзя получить деталь заданных размеров и формы.
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.
По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также направленную кристаллизацию. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, экструзия, ковка, сварка взрывом, волочение, диффузионная сварка, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие листы (фольги). При получении КМ осаждением - напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку или плазменное распыление используют в качестве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку - окончательной.
| Рис. 107. Схема устройства для укладки волокон: 1 - непрерывные волокна; 2 - бункер для подачи пластмассы; 3 - формирующий ролик; 4 - нагреваемая поверхность; 5 - направляющие пазы |
Пропиткой волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами получают изделия любой конфигурации без дополнительной механической обработки (рис. 107). Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.
Наиболее перспективный метод - это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 108).
Рис. 108. Схема изготовления пропиткой волокнистых КМ с полимерной матрицей: 1 - предварительная сушка волокон; 2 - ванна с термореактивной смолой; 3 - формующие фильеры; 4 - полимеризатор; 5 - печь; 6 - формующая фильера; 7 - печь; 8 - охладитель; 9 - тянущее устройство; 10 - устройство для резки на мерные длины
В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку (теплую и горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горячее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться КМ, полученные литьем или методом осаждения-напыления.
Кроме волокон в качестве армирующих элементов используют также нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристаллизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (углеродные) структурой. Борные волокна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; углеродные - карбонизацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозных (вискозных; Гц-6) волокон. Керамические волокна (MgO, Al2O3, ZrO2, TiO, SiC, Si3N4, B4C) получают из расплавов, осаждением из газовой фазы или методами порошковой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавливают механически, электрохимически или формованием из расплава с использованием фильер.
Дисперсно-упрочненные КМ относятся к классу порошковых КМ. Упрочняющей фазой являются дисперсные частицы (оксиды, карбиды, нитриды) размером менее 0,1 мкм с объемной долей до 15 %.
Изделия из дисперсно-упрочненных КМ получают методами порошковой металлургии, горячим прессованием, горячей экструзией или горячей прокаткой.
Дисперсно-упрочненные КМ применяют для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.
Слоистые материалы в виде листов, труб, прутков, лент, заготовок изготавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьем, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, пайкой и склеиванием из исходных компонентов. Соединение компонентов по большой площади контакта требует при жидкофазном методе смачиваемости компонентов, при твердофазном методе - определенного давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определенного времени выдержки.
Для соединения компонентов необходимо очистить поверхности от загрязнений, оксидов, масел. Процессу соединения в твердой фазе сопутствует пластическая деформация, которая для большинства сплавов ведется в нагретом состоянии. Соединение компонентов при диффузионной сварке, основанное на процессе диффузии, осуществляется в вакууме.
Сварка взрывом слоистых КМ позволяет соединять любые материалы с высокой прочностью, в том числе без нагрева, без вакуума за счет высоких удельных давлений в условиях косого соударения свариваемых материалов и эффекта самоочистки свариваемых поверхностей.
Выбор компонентов слоистых КМ осуществляют, исходя из их совместимости (механической и химической), в условиях изготовления и эксплуатации, Слоистые КМ применяют для изготовления биметаллического инструмента, высокопрочных и коррозионно-стойких конструкционных материалов (например, в виде листов, панелей, биметаллических труб).
ОГЛАВЛЕНИЕ
| I. Основные свойства конструкционных материалов……….. | ||||
| 1. | Свойства металлов ………………………………………………. | |||
| II. Металлургическое производство………….……..………….….. | ||||
| 1. | Сущность металлургического производства ………………….... | |||
| 2. | Основные способы получения металлов из руд …………….…. | |||
| 3. | Материалы для производства металлов и сплавов…………..…. | |||
| 4. | Производство чугуна …………………………………………….. | |||
| 4.1. Материалы, применяемые для производства чугуна …...… | ||||
| 4.2. Подготовка руд к плавке ……..…………………………..…. | ||||
| 4.3. Выплавка чугуна …………..……………………………….... | ||||
| 4.4. Физико-химическая сущность доменного процесса …...…. | ||||
| 4.5. Продукты доменного производства ……..……………….… | ||||
| 5. | Производство стали ……………………………………………... | |||
| 5.1. Сущность процесса ……………………………………….… | ||||
| 5.2. Способы получения стали …………………………….….… | ||||
| 5.3. Разливка стали …………………………………………….… | ||||
| 5.4. Строение стальных слитков …………………………….….. | ||||
| 5.5. Способы повышения качества стали …………….………... | ||||
| III. Способы получения заготовок литьем ……..……..…...……… | ||||
| 1. | Сущность литейного производства …………………………..… | |||
| 2. | Способы изготовления отливок ………………………………..... | |||
| 3. | Изготовление отливок в разовых формах …………………….... | |||
| 3.1. Модельные комплекты для ручной и машинной формовки | ||||
| 3.2. Формовочные и стержневые смеси …..…………................. | ||||
| 3.3. Технология ручной формовки ……………………………... | ||||
| 3.4. Технология машинной формовки. Формовочные машины | ||||
| 3.5. Заливка форм, выбивка отливок и стержней, обрубка и очистка отливок ……………..…………………………...... | ||||
| 4. | Специальные методы получения отливок ………………….….. | |||
| 4.1. Изготовление отливок литьем в оболочковые формы …..... | ||||
| 4.2. Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям | ||||
| 4.3. Изготовление отливок литьем под давлением ………….… | ||||
| 4.4. Изготовление отливок центробежным литьем ………….... | ||||
| 4.5. Изготовление отливок в металлических формах ………..... | ||||
| 4.6. Изготовление отливок электрошлаковым литьем ..……..… | ||||
| 5. | Технологические требования к конструкции отливки ………... | |||
| 6. | Изготовление отливок из различных сплавов………………… | |||
| 6.1. Изготовление отливок из чугунов ………………………… | ||||
| 6.2. Особенности изготовления стальных отливок …………….. | ||||
| 6.3. Особенности изготовления отливок из цветных металлов | ||||
| IV. Обработка металлов давлением…………………….……..…… | ||||
| 1. | Сущность обработки металлов давлением …………..…………. | |||
| 2. | Факторы, влияющие на пластичность металла …..…………….. | |||
| 3. | Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла | |||
| 4. | Холодная и горячая деформация …….……………………….…. | |||
| 5. | Нагрев металлов перед обработкой давлением .……………….. | |||
| 6. | Основные типы нагревательных устройств …….…………….... | |||
| 7. | Способы обработки металлов давлением …….………………… | |||
| 7.1. Прокатное производство ………………………………….… | ||||
| 7.2. Прессование ………………………………………………..... | ||||
| 7.3. Волочение ……………………………………………….…… | ||||
| 7.4. Ковка ……………………………………………………..…... | ||||
| 7.5. Горячая объемная штамповка …………………………..…... | ||||
| 7.6. Холодная штамповка …………………………………..….… | ||||
| 7.7. Высокоскоростная штамповка …………………………….... | ||||
| V. Технология сварочного производства…………………...………. | ||||
| 1. | Классификация процессов сварки …………………………..….. | |||
| 2. | Способы сварки плавлением ………...………………………..… | |||
| 2.1. Электрическая дуговая сварка .…….…………………..…… | ||||
| 2.2. Газовая сварка ……………………………………………..… | ||||
| 2.3. Электрошлаковая сварка ………………………………….... | ||||
| 2.4. Электронно-лучевая сварка ……………………………….... | ||||
| 2.5. Лазерная сварка …………………………………………..…. | ||||
| 3. | Способы сварки давлением …………………………………..…. | |||
| 3.1. Контактная сварка ………………………………………..…. | ||||
| 3.2. Диффузионная сварка в вакууме ……………………….….. | ||||
| 3.3. Сварка трением ……………………………………….…….. | ||||
| 3.4. Холодная сварка…………………………………………….. | ||||
| 3.5. Ультразвуковая сварка ……………………………….…….. | ||||
| 3.6. Сварка взрывом ………………………………………….….. | ||||
| 4. | Нанесение покрытий ……………………………………….……. | |||
| 4.1. Наплавка………………………….………………………….. | ||||
| 4.2. Напыление покрытий ………………………………….…… | ||||
| 5. | Пайка металлов ………………………………………………….. | |||
| 6. | Резка металлов ……………………………………………..…….. | |||
| VI. Технология обработки заготовок резанием………………..…. | ||||
| 1. | Рабочие, установочные и вспомогательные движения в металлорежущих станках …………………………………............. | |||
| 2. | Основные способы обработки резанием ……………………..... | |||
| 3. | Основные части и элементы токарного резца, его геометрические параметры …………………………………………………... | |||
| 4. | Элементы режима резания и сечение срезаемого слоя ……..… | |||
| 5. | Производительность процесса резания ……………………….... | |||
| 6. | Некоторые явления, сопутствующие процессу обработки металлов резанием …..…………………………………………... | |||
| 7. | Применение смазочно-охлаждающих жидкостей ……………... | |||
| 8. | Износ и стойкость режущих инструментов ………………….… | |||
| 9. | Материалы для изготовления режущих инструментов ……….. | |||
| 10. | Классификация и условные обозначения металлорежущих станков ………………………………………………………….. | |||
| 11. | Работы, выполняемые на металлорежущих станках и применяемый инструмент …………………..…………………………. | |||
| 11.1. Обработка на токарных станках ………………………..…. | ||||
| 11.2. Обработка заготовок на сверлильных станках ………....... | ||||
| 11.3. Обработка заготовок на фрезерных станках…………..…. | ||||
| 11.4. Обработка заготовок на шлифовальных станках ………... | ||||
| 12. | Отделочные методы обработки ……………………………….… | |||
| 13. | Электрофизико-химические методы обработки ……..……...…. | |||
| 13.1. Электроэрозионные методы обработки ………………..…. | ||||
| 13.2. Электрохимическая обработка ……………………….….... | ||||
| 13.3. Анодно-механическая обработка …………………….….... | ||||
| 13.4. Электроконтактная обработка ………………………….…. | ||||
| 14. | Ультразвуковая обработка ………………………………….…… | |||
| 15. | Лучевые методы обработки …………………………………..…. | |||
| 15.1. Электронно-лучевая обработка …………………………… | ||||
| 15.2. Обработка световым лучом (лазерная) …………………… | ||||
| VII. Производство деталей из пластмасс…………………..…….. | ||||
| 1. | Общие сведения о пластмассах ……………………………….… | |||
| 2. | Переработка пластмасс в вязкотекучем состоянии ………….… | |||
| 3. | Переработка пластмасс в высокоэластичном состоянии …….... | |||
| 4. | Производство деталей из жидких полимеров ………………..… | |||
| 5. | Изготовление деталей из пластмасс в твердом состоянии .…… | |||
| 6. | Сварка и склеивание пластмасс …………………………..…….. | |||
| VIII. Производство изделий из резины……………………………. | ||||
| IX. Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков……………………………….…………… | ||||
| 1. | Получение порошков ……………………………………………. | |||
| 2. | Подготовка порошков к формованию …………………………. | |||
| 3. | Формовка заготовок ……………………………………………... | |||
| 4. | Спекание и дополнительная обработка заготовок …………….. | |||
| X. Технологические особенности изготовления деталей из композиционных материалов………………………………………….. | ||||