Формование композитов на матрице переменной формы

ФОРМОВАНИЕ КОМПОЗИТОВ НА МАТРИЦЕ

ПЕРЕМЕННОЙ ФОРМЫ

Холодников Ю.В. (ООО СКБ «Мысль» г. Екатеринбург)

Композиты с термореактивной матрицей находят широкое применение в различных отраслях производства и жизнедеятельности, в виде изделий разных конфигураций, назначений, условий эксплуатации и т.п. Широкий ассортимент изделий обуславливает наличие разных технологий и способов производства, учитывающих вид и назначение изделий, серийность выпуска, предъявляемые к нему требования технического и эргономического характера.

Для того, чтобы разобраться в тонкостях того или иного способа производства и рекомендовать оптимальную систему изготовления для каждого вида изделий, необходимо систематизировать известные способы по основным технологическим переделам.

На рис.1 предпринята попытка показать все известные на сегодня технологии и способы изготовления изделий из армированных композитов с термореактивной матрицей. Здесь представлены как широко известные способы изготовления композитов, так и редко встречающиеся способы, а также некоторые технические решения, разработанные недавно и не известные широкой технической аудитории. Цветом выделены способы, разработанные на уровне изобретений в ООО СКБ «Мысль» за последние 5 лет.

В статье «Промышленные композиты» [1] мы приводили схему известных и вновь разработанных технологий и способов производства изделий из полимерных композиционных материалов, в которой среди прочих указали способ производства на матрице переменной формы. Формат той публикации не позволил подробно остановиться на данном способе производства, а между тем считаем его весьма перспективным и востребованным.

Рис.1. Способы производства.

Суть способа формования композиционного изделия из препрега на матрице переменной формы [2] поясняется рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема формования на матрице переменной формы.

В общем виде устройство для реализации данного способа изготовления включает: пуансон 1 в виде эластичного баллона, некоторое число цилиндров (исполнительных механизмов) 2, количество которых определяется габаритами изделия и требуемой точностью его изготовления, упруго-деформируемую прокладку 3, препрег 4, систему управления цилиндрами (механизмами) 5 и программно-задающее устройство 6.

Реализуется способ следующим образом: в исходном положении (рис. 1.а) препрег 4 помещают между эластичным пуансоном 1 и упруго-деформируемой прокладкой 3. В программно-задающее устройство 6 загружается математическая модель описывающая форму изготавливаемого изделия. Программно-задающее устройство 6 вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на систему управления цилиндрами 5, которые в заданном масштабе повторяют контур изготавливаемого изделия (рис. 1.б). Цилиндры 2 сохраняют контур изделия до момента окончания полимеризации термореактивной смолы, входящей в состав препрега 4, после чего цилиндры 2 возвращаются в исходное состояние и изделие вынимается.

Вариант исполнения описываемого способа производства, для изделий относительно простой формы, показан на рис. 1 в,г.). В данном случае эластичный пуансон 1 заменен на вторую упруго-деформируемую прокладку 7. Принцип действия – понятен из рисунка.

Для изготовления описываемым способом объемных оболочковых изделий из композиционных материалов, предлагается вариант способа, показанный на рис. 1. д, е. Вариант данного способа отличается от описанного выше тем, что вместо эластичного пуансона 1 применена управляемая система из исполнительных цилиндров (механизмов) 2 и упруго-деформируемой прокладки 3, а заготовка из композиционного материала представляет собой герметичный баллон 8 с внутренним небольшим избыточным давлением.

Описанный способ изготовления изделий из композитов найдет применение при единичном или мелкосерийном производстве сложных кожухообразных деталей, а также при разработке концепт-модели, маркетинг-модели, лабораторного образца, проведении комплекса НИОКР по новым видам техники и отработке конструкций матриц для серийного производства.

На рис. 2 представлены фотографии физического моделирования, отработки технологических приемов и расчетная модель переменной формы для производства изделий на матрице переменной формы.

а. б.

в. г.

д. е.

Рис. 3. Физические модели способа формования на матрице переменной формы:

а – контроль шаблоном формы полусферы; б – контроль формы двойной кривизны;

в – контроль шаблоном изготовленной полусферы; г – разрез изготовленной полусферы;

д – контроль изготовленного изделия двойной кривизны; е – расчетная мат. модель способа производства.

Переменная форма описываемого способа производства выполнена в виде основы из плоского листа с множеством рядных резьбовых отверстий и формообразующих элементов конструкции в виде длинных винтов с полукруглой головкой. На рис. 3.а, показан контроль сферической поверхности с помощью шаблона, на рис. 3.б – контроль поверхности двойной кривизны. На рисунках рис. 3. в, д – контроль поверхности изготовленных по данному способу изделий, матрицы которых показаны выше. На рис. 3.г показан поперечный разрез изделия сферической формы, демонстрирующий практически идеальную по форме и ровную по толщине поверхность готового изделия, подтверждающий работоспособность способа и оправданность ожиданий, связанных с реализацией изготовления композитов данным способом. На рис.3.е – элемент математической расчетной модели способа, демонстрирующий распределение напряжений при формовании на матрице переменной формы.

С целью доведения представленной идеи формования композитов до уровня ее практического применения в СКБ «Мысль» разработана программа научно-исследовательских и опытно-промышленных работ, призванная создать необходимые предпосылки широкого внедрения разработанного способа. Среди задач НИОКР, одной из первоочередных тем выделена оценка влияния формозадающих пуансонов на качество поверхности изготавливаемого изделия. Для этого было изготовлено на физической модели (рис.3.) несколько сотен различных образцов пластин (рис.4), отличающиеся по составу препрега, его толщине, диаметру штока пуансона, расстоянию между пуансонами, упругости и толщине деформационной прокладки и пр. Первичные результаты проделанной работы представлены ниже.

Рис.4.

Выполнены измерения высоты неровностей наружной (по отношению к матрице) Δδн и внутренней Δδвн поверхностей 50 образцов (всего около 800 значений) при различных значениях шага позиционеров (формообразующих штоков), толщины препрега и характеристик упруго-деформируемой прокладки. Часть результатов обработки экспериментальных данных приведена в табл. 1, 2.

Таблица 1

Значения неровностей поверхности образцов с армирующей фазой стекломат

(числитель – , знаменатель – ), мм

Прокладка Шаг пуанс.,

мм Число слоев стекломата (300 г/м2)

1 2 3 6 8 16

Пленка полиэтилено-вая

толщ. 0,2 мм. 12

17

36

Пластина силиконовая

толщ. 4 мм. 12

– – –

17

– – –

* Нерегулярная структура поверхности

Таблица 2

Значения неровностей поверхности образцов из препрега на основе

PU-mat (поликормат)

(числитель – , знаменатель – ), мм

Прокладка Шаг, мм Число слоев PU-mat

2 4 6

Пленка полиэтиленовая 12

17

Наиболее информативна последовательность значений для шага 36 мм (табл. 1). Она исследована по методике статистических расчетов для совокупности групп одинакового объема равноточных измерений [3]. Результаты расчетов сведены в табл. 3. Значения параметров определены по следующим формулам:

математическое ожидание числа слоев

(1)

где k – номер группы; L = 6 – количество групп;

математическое ожидание высоты неровностей наружной поверхности для группы

(2)

где Δδi – высота i-ой неровности; п = 10 – число измерений на одном образце (объем группы);

среднее математическое ожидание высоты неровностей наружной поверхности для совокупности

(3)

дисперсия

(4)

среднее квадратическое отклонение

простая средняя ошибка

. (5)

Сопоставление величин s и σ позволяет судить о том, соответствует ли распределение измеряемой величины нормальному закону. Как видно из табл. 3, для образцов 3, 5, 6 соответствие распределения нормальному закону удовлетворительное. Для остальных образцов распределение по аналогии с [3] принято условно нормальным.

Уравнение регрессии по методу наименьших квадратов имеет вид

(6)

где Y – измеряемая величина; a0, b0 – константы; X, – текущее значение и математическое ожидание переменного параметра.

В рассматриваемом случае а постоянная b0 равна

(7)

Подстановка числовых значений в (6), (7) дает уравнение

(8)

На рис. 5. построена линия регрессии. Точки соответствуют математическим ожиданиям величин неровности наружной поверхности образцов.

Группы являются неравнорассеянными, различие средних значительно. Соответствие законов распределения нормальному позволяет оценить систематическую ошибку измерения с помощью t – распределения Стьюдента.

Доверительная граница случайной погрешности

(9)

где tP – квантиль распределения Стьюдента, – среднее квадратическое отклонение величины .

Табличное значение tP для числа степеней свободы

(10) и доверительной вероятности Р = 0,90 равно 1,67.

Среднее квадратическое отклонение

(11)

Подстановка числовых значений в (11) и (9) дает = 0,05 и ΨР = 0,082. Таким образом, доверительный интервал величины , определяемой по уравнению (11): мм.

Таблица 3

Влияние числа слоев стекломата на

k z , мм

σ2 σ s Распреде-ление

1 1 4,95 0,189 0,43 0,34 условно нормальное

2 2 3,71 0,240 0,49 0,39 условно нормальное

3 3 3,11 0,068 0,26 0,22 нормальное

4 6 2,40 0,197 0,44 0,32 условно нормальное

5 8 2,64 0,117 0,34 0,30 нормальное

6 16 0,87 0,093 0,30 0,28 нормальное

Промежуточный вывод из проделанного объема работ заключается в констатации факта линейной зависимости величины неровностей на поверхности изготавливаемого изделия от толщины препрега и возможности формовки сложных пространственно ориентированных заготовок на матрице переменной формы с требуемой размерной точностью и качеством поверхности. Дальнейшие работы в данном направлении позволят разработать методы оптимизации качества поверхности изделия от переменных параметров, таких как давление пуансонов, упругие свойства прокладки, расстояние между штоками и их диаметр и т.п. На данный момент времени: доказана работоспособность предлагаемого технического решения, изготовлена физическая модель устройства формования, изготовлены экспериментальные образцы, позволяющие оценить влияние переменных факторов на качество изделия, разработана математическая модель для задающего устройства, выполнены работы по поиску материалов для реализации предлагаемого способа, ведутся проектные работы по созданию модульного варианта исполнительного органа описанного способа формования деталей из композиционных материалов на матрице переменной формы.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Холодников Ю.В. Промышленные композиты // Композитный мир. – 2012.- №5. – С. 48-54.

2. Заявка на патент РФ № 2012140878 от 24.09.2012 г. «Способ изготовления изделий из композитов». Заявитель – ООО СКБ «Мысль».

3. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных. – Л.- Энергоатомиздат. 1990. – 288 с.

АННОТАЦИЯ

В статье раскрыт новый способ изготовления изделий из композиционных материалов с термореактивной матрицей холодного отверждения. Приведены результаты экспериментальных исследований качества поверхности изготавливаемого изделия от ряда переменных технологических факторов. Дано обоснование целесообразности и актуальности предлагаемых технических решений.

Ключевые слова

Композит, формование, матрица, препрег, форма изделия, формообразующая поверхность, модель.

Сведения об авторе

Холодников Юрий Васильевич, канд. техн. наук, генеральный директор Общества с ограниченной ответственностью Специального конструкторского бюро «Мысль» (ООО СКБ «Мысль»).

Адрес: 620076 Россия, г. Екатеринбург, пл. Жуковского д.1в.

Тел. +7 (343) 295-98-29, ф. +7 (343) 295-98-56

E-mail: sdo_mysl@mail.ru

www. Sdo-mysl.ru