автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка методов, технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из композиционных материалов

На правах рукописи

КРАСНОВСКИЙ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.02.07 - «Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки» 05.02.09 - «Технологии и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2013

з 1 ОКТ 2013

005536311

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «ВТО» МГТУ «СТАНКИН»

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «МТ-13» МГТУ им. Н.Э.Баумана

Ступников Владимир Петрович

Доктор технических наук, профессор кафедры «НВКМ им. А.И. Меоса» СПГУТД

Буринекий Станислав Васильевич

Доктор технических наук, профессор кафедры «СПД» МГТУ «СТАНКИН»

Непершин Ростислав Иванович

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «МАТИ - РГТУ

им. К.Э. Циолковского» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. За

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять в адрес совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан 24 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совет; к.т.н., доцент

олосова М.А.

Актуальность проблемы. Отличительной особенностью современного научно-технического прогресса является тенденция к развитию производства и применения изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ). По оценкам специалистов в настоящее время потребление ПКМ в России составляет приблизительно 0,4кг на душу населения. Вклад России в мировое производство и применение ПКМ составляет в настоящее время менее 3%. При современном уровне развития технологий такой показатель не позволяет отнести Россию к технологически развитым странам. Исходя из этого, актуальность развития высокопроизводительных и конкурентоспособных непрерывных технологий производства композиционных материалов является очевидной.

На сегодняшний день существует большой выбор связующих и армирующих наполнителей. Разработка различных схем армирования позволяет управлять прочностью, жесткостью и другими свойствами материала путем изменения состава, структуры и соотношения компонентов. Однако на предприятиях отрасли композиционных материалов сохраняется высокий объем ручного труда, особенно, при изготовлении сложных ответственных деталей. Существующие технологии изготовления длинномерных изделий из ПКМ, как правило, не реализуют возможности повышения эксплутационных характеристик изделий за счет применения сложных схем армирования. Анализ известных технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из ПКМ показывает, что они не обеспечивают выпуска широкой номенклатуры изделий, высокой производительности, получения изделий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Поэтому разработка непрерывных технологий и оборудования для производства длинномерных изделий из ПКМ является актуальной задачей, имеющей большое значение для развития наукоемких отраслей отечественной промышленности. В ряду непрерывных технологий производства изделий из ПКМ наиболее прогрессивной является технология пултрузии, представляющая собой протягивание через нагретую формообразующую фильеру массива пропитанных связующим волокон.

Во многих странах мира ежегодные темпы роста объемов выпуска изделий из металлических порошков опережают темпы роста традиционных отраслей промышленности. Рост производства изделий из порошковых композиционных материалов также предполагает развитие и совершенствование непрерывных методов формования, обеспечивающих более высокую производительность труда, высокие коэффициент использования металла и степень автоматизации. Особенно эффективными эти методы становятся при изготовлении изделий, получение которых другими способами невозможно или экономически невыгодно, например, в производстве длинномерных изделий.

Известные способы компактирования ультрадисперсных порошковых материалов позволяют получать изделия с достаточно ограниченными размерами. При этом ультрадисперсные порошковые материалы относятся к материалам с большим коэффициентом межчастичного трения. В этой связи, наиболее актуальным направлением научных исследований становится

разработка теории и технологии непрерывного формования изделий из ультрадисперсных композиционных порошковых материалов, которые распространяются на порошковые конструкционные, электротехнические, жаропрочные, жаростойкие, тугоплавкие, фрикционные, антифрикционные, капиллярно-пористые, коррозионностойкие материалы, материалы для авиации, космоса и атомной энергетики.

Цель работы. Разработка и создание высокопроизводительных технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов на базе развития научных представлений для их проектирования и математического моделирования.

Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:

- проанализировать и систематизировать современные технологии непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов, применяемые на высокотехнологичных предприятиях и в ведущих научно-исследовательских организациях;

разработать математические модели процессов непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов;

- разработать прогрессивные методы, технологии и оборудование для непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов;

- исследовать влияние различных факторов на технологические параметры непрерывного формования изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов и конструктивные параметры отдельных устройств;

- определить оптимальные схемы армирования многослойных структур длинномерных пултрузионных изделий, работающих в условиях сложного нагружения;

разработать методики экспериментального исследования триботехнических характеристик, напряжения текучести, окружного проскальзывания порошковых композиционных материалов и силовых параметров процесса непрерывного формования;

использовать результаты теоретических и экспериментальных исследований при создании новых технических решении, повышающих технологические параметры процессов непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях материаловедения и технологии композиционных материалов, научном анализе и обобщении материалов экспериментальных исследований, методах математического и компьютерного моделирования технологических процессов изготовления изделий из полимерных и

порошковых композиционных материалов, методах математического моделирования длинномерных пултрузионных изделий. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием опытно-промышленного оборудования для непрерывного формования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась компьютерными и программными средствами вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке комплекса методов и средств для непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов, сочетающего формообразование внутренних и наружных слоев изделий с различными схемами армирования;

- математической модели процесса пултрузии, позволяющей установить закономерность распределения материала между отвержденной и неотвержденной областями внутри фильеры, и на этой основе оптимизировать технологические параметры процесса и конструктивные параметры оборудования;

прикладной теории композитного слоистого квазиортотропного пултрузионного стержня круглого поперечного сечения, находящегося в условиях сложного нагружения, позволяющей определить значения перемещений и деформаций стержня, основные компоненты напряжений, действующих в слоях стержня, межслоевые касательные напряжения и произвести оценку прочности стержня;

- предложенной математической постановке задачи оптимального проектирования композитных слоистых квазиортотропных пултрузионных стержней круглого поперечного сечения, предусматривающей определение углов армирования, толщин и количества слоев, обеспечивающих минимизацию массы стержней при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости;

- методе, технологии и оборудовании для непрерывного формования длинномерных изделий из порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющих генерировать в процессе формования изделия интенсивные пластические деформации;

математической модели процесса непрерывного формования порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющей установить закономерность распределения напряжений и плотности материала по длине канала инструмента и связывающей энергосиловые параметры процесса, свойства материала и конструктивные параметры инструмента.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанной технологии непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов сочетающих различные схемы армирования;

- созданном промышленном образце технологического комплекса для непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов, включающем шпулярник, пропиточное устройство, намоточное устройство, фильерный узел, охлаждающее, тянущее и режущее устройства, сочетающем формообразование внутренних и наружных слоев изделия с различными схемами армирования с производительностью в два раза выше по сравнению с существующими аналогами;

- разработанной технологии непрерывного формования изделий из порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющей получать изделия с различными свойствами и геометрией;

- методиках экспериментального исследования и алгоритмах расчета конструктивных параметров инструмента, триботехнических характеристик, напряжения текучести, окружного проскальзывания порошковых материалов и силовых параметров процесса непрерывного формования.

Реализация результатов работы. Работы выполнялись в МГТУ «СТАНКИН» в рамках хоздоговорных тем (№№ гос.рег. 01201353377) и госбюджетных контрактов (№№ гос.рег. 10411.1003702.05.006, 11411.1003704.05.050, 11411.1003704.05.044, 11411.1003704.05.053). Результаты работы используются на предприятиях ОАО «Авангард», ООО «Нанотехнологический центр композитов», ООО «Машспецстрой», ЗАО «Металюкс-Электро», НПО «Инфокристалл» и др. Материалы диссертации в виде разделов лекционных курсов используются в учебном процессе МГТУ «Станкин».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (Москва, 2010г.), Международной научно-практической конференции «Композитные материалы: производство, применение, тенденции рынка» (Москва, 2011г.), Всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2011г.), Международной научной конференции «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2012г.), Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития производства и использования композитных материалов в России (Москва, 2012г.), Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (Москва, ИМАШ РАН, 2012), Международной научной конференции «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012), Международной научно-практической конференции «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» (Ульяновск, 2012), Международной научной конференции «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2013) и многих других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе 2 монографии, 21 публикация в изданиях, рекомендованных ВАК, 15 авторских свидетельств, 10 патентов.

Структура н объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (194 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 267 страниц, включая 117 рисунков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки методов, технологии и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан сравнительный анализ способов формования изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов. Рассмотрены области применения длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов и тенденции развития их производства.

Длинномерные изделия из ПКМ представляют собой гетерогенные многофазные системы, состоящие из упрочняющих волокон и полимерной матрицы. Один из компонентов служит для передачи основных силовых потоков в конструкции изделия, а другой обеспечивает монолитность системы и одновременность деформации армирующего наполнителя. К длинномерным изделиям относятся изделия, имеющие одно измерение существенно больше двух других. Применительно к технологическому процессу можно говорить о длине, которая по условиям протекания процесса не имеет ограничений. В таких случаях длина изделий определяется возможностью транспортировки. Для изделий цилиндрической формы показателем длинномерности служит отношение длины к диаметру. С некоторой долей упрощения, к длинномерным изделиям можно отнести изделия с отношением длины к диаметру (или приравненному к нему размеру) более 20-ти. В качестве показателя длинномерности для изделий с любой формой поперечного сечения может быть использован критерий потери продольной устойчивости, который рассчитывается по формуле Эйлера.

Длинномерные изделия из ПКМ можно разделить на стержни, трубы и профили (в том числе, к ним относятся панели и листы). Все перечисленные виды длинномерных изделий могут быть многослойными, сложноармированными и сложнопрофпльиыми.

Длинномерные композитные изделия используются в области ракетно-космической техники (силовые конструкционные элементы космических аппаратов, ферменные элементы солнечных батарей и телескопов, детали приборных отсеков, каркасов спутниковых антенн и зеркал), в строительстве (арматура, профили, каркасные конструкции быстровозводимых домов, мансард, ангаров, балконов, теплиц), в дорожном строительстве (дорожные ограждения, шумозащитные экраны, заборы, шлагбаумы, столбы), в мостостроении (конструкционные профили для мостовых сооружений, платформ и переходов, перекидные мостики), в электротехнике (опоры, мачты

и столбы освещения, стойки опор контактной сети железных дорог, элементы опор сотовой связи и ЛЭП, кабели, изоляторы), в бытовой технике (спортивный инвентарь, элементы разборной мебели, лестницы), в машиностроении (профили и трубы различного назначения) и т.д.

Работы последних лет в области непрерывного формования порошковых материалов связаны с изучением и совершенствованием процессов получения изделий с определенными свойствами: с постоянной и переменной пористостью, сложного профиля и т.д. Разработаны различные технические решения, улучшающие отдельные стороны процесса и свойства получаемых изделий. Однако, в области порошковой металлургии метод непрерывного формования еще не получил широкого распространения.

Длинномерные изделия из порошковых материалов применяются в качестве фильтров, стержней и труб из порошковых титановых сплавов в судостроении, химическом машиностроении, криогенной технике и приборостроении, тепловых труб и электродов в электрохимии, топливных элементов в космической и ракетной технике, порошковой проволоки для нанесения покрытий.

Большой вклад в развитие теоретических представлений о непрерывных способах производства изделий из композиционных материалов сделали отечественные ученые: Жовнер Б.А., Царев В.Ф., Петров A.B., Ставров В.П., Ушаков А.Е., Сафонов A.A., Бужгулашвили В.А., Кленин Ю.Г., Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С., Либенсон Г.А., Степаненко A.B., Жданович Г.М., Роман О.В., Витязь П.А., Исаевич Л.А., Клименков С.С., Пятов В.В. и др.

Сравнительный анализ существующих способов непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов показывает, что они имеют ограниченные техлологические возможности. Поэтому разработка перспективных высокопроизводительных непрерывных методов, технологий и оборудования для производства длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов является актуальной задачей для современной промышленности.

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи работы, изложенные выше.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу непрерывного формования длинномерных изделий из ПКМ.

Теоретическое исследование процесса подачи наполнителя при изготовлении высоконаполненных композитов проводилось с целью получения аналитических зависимостей, позволяющих определять объем подачи волокон в фильеру при заданной концентрации волокон в готовом изделии. Было сделано предположение, что на площадь поперечного сечения волокон влияют, главным образом, давление связующего в фильере и натяжение волокон в процессе вытяжки изделия. Установлено влияние усилия тянущего устройства на площадь поперечного сечения изотропных упругих волокон, изменение радиуса волокна за счет силы натяжения волокна и давления внутри фильеры. Пусть Т — сила натяжения волокна, 77 - усилие тянущего устройства, Е —

модуль Юнга, — радиус волокна, V - коэффициент Пуассона, р — давление в фильере, Л/ — радиус фильеры. Предполагаем, что деформация волокон подчиняется закону Гука.

Задавая концентрацию волокон по сечению изделия на выходе из фильеры пки„ можно определить количество элементарных волокон на входе N.

N =

п Я2

Я/ 1

р(\+у)( \-2у)

Связь начальной и конечной концентраций волокон имеет вид:

п = 1

Е

Т

1--^

ттЯЕ

«„„Л,2 р„„„„,л"

Р,т,,\ 1

Е

л-Я2Е

(1)

(2)

(3)

Выражение (3) связывает количество нитей ровинга .V/ на входе с заданной концентрацией ровинга на выходе фильеры. Зависимость концентрации различных волокон на выходе фильеры от концентрации волокон на входе в фильеру, показана на рис. 1.

0,8

' /

/ I

0,2 0,4 0,6 0,8 п*ач

Рис. 1. Зависимость концентрации волокон на выходе от концентрации волокон на входе в фильеру: I - стеклянные волокна; 2 — углеродные волокна; 3 — органические волокна

Анализ полученных зависимостей показывает, что основное влияние на изменение плотности материала изделий оказывает модуль Юнга, коэффициент Пуассона материала волокон и усилие тянущего устройства, которые необходимо учитывать при получении изделий с заданной плотностью.

Для повышения эффективности пропитки рассмотрен способ удаления из межволоконного пространства наполнителя воздушных включений за счет обработки волокон и связующего ультразвуком. Исследовано влияние параметров ультразвука на интенсивность процесса пропитки.

Для определения интенсивности процесса пропитки волокнистого наполнителя использовалось следующее соотношение:

А = пх3р ( Pt + P2-Pllt/(lk-1)) / 8>7 ltSm (4)

где г — радиус межволоконного капилляра, р — плотность жидкости, 4 — длина капилляра, >/ — вязкость, S — удельная поверхность капилляров, т — масса наполнителя, Р/ и 1\ — соответственно давление на входе и выходе капилляра, Р: — дополнительное давление, возникающее под действием ультразвука.

Полагаем, что в процессе ультразвукового воздействия в технологическом объеме одного межволоконного капилляра возникает кавитационный пузырек, поведение которого описывается уравнением Рэлея-Плессета:

RR'+-R2+ — \Р -Р +Psma>t + — + 4//— 1 = 0 (5)

2 р{1 " ° R R) У

где штрих означает производную по времени; Р^ — статическое давление в

связующем; Рп — давление насыщенных паров; а — поверхностное натяжение

связующего; R — радиус пузырька; Rb - начальный радиус пузырька; р. -

вязкость связующего; Ра — амплитуда давления ультразвука; со — частота

колебаний ультразвука; р - плотность связующего.

Уравнение (5) в общем случае точно не интегрируется. Для решения

поставленной задачи применялись приближенные аналитические расчеты.

Приняты следующие допущения: полагаем, что в задаче существует малый

параметр (6); радиус пузырька относительно своего первоначального состояния

меняется незначительно (7); процесс, протекающий внутри пузырька, является

политропным (8) и влиянием а,р можно пренебречь.

р

— = е,гдее«1 (6)

Я(') = Я„(1+ *(')), где (7)

P„(t)Vy = const (8)

где у = ср / с, — соотношение удельных теплоемкостей для газа и пара в пузырьке. После решения уравнения (5) получим:

. 3уР Р sin СУ/

(9)

рК РК

Общее решение в силу линейности уравнения имеет вид:

х = С, sin о,/ + С cos со/ + С, sin cot (10)

где: _

ЗуР Р

> * С =--2--(11)

р/?,2 3 co2pRc;+3yPr J

При следующих начальных условиях д-(О) = 0; х'(0) = 0 получим:

со,

Для определения давления в жидком связующем за счет изменения параметров пузырька воспользуемся следующей формулой:

„. ч Г Л2/?'+2ЛЯ1 „ „ .

Р(>',0 = р\-----— (13)

где .Р-давление в связующем на расстоянии / от центра полости. Учитывая (5) и условие а = 0,/.і = 0 соотношение (13) перепишем в виде:

+ /^біпо»/) 1----- + р--——

'41 + х)* х 2 -р _ , -+ -

Р,Р

(14)

2 г4 г(1 + Л:)"4

Для исследования максимума интенсивности технологического процесса считаем, что можно изменять лишь параметры связующего и внешнего воздействия. Поэтому рассмотрим следующую функцию:

р(В + Р(г,ф (15)

где

В = Рк-Р^Щ1-1) (16)

Интегрирование уравнения (15) на промежутке времени [0,Г], в течение которого наполнитель находится в пропиточной ванне, позволяет исследовать интенсивность процесса пропитки как функции параметров ы,Ра,Т,р и сделать вывод, что интенсивность процесса пропитки возрастаете увеличением Ра и Т.

Анализ изменения интенсивности пропитки стеклопластика в зависимости от частоты ультразвуковых колебаний и плотности связующего показывает следующие результаты (рис. 2 и 3):

Рис. 2. Зависимость интенсивности пропитки от частоты ультразвуковых колебаний за время 30с при Я: 1 —3*10"' м;2-6*10"8м;3-9*10'8м

1,0 1.1 12 1,3 1.4р.к

Рис. 3. Зависимость интенсивности пропитки от плотности связующего при частоте ультразвуковых колебаний 20 кГц при Т: 1 - 1 Ос; 2 - 20с; 3 - 30с

При проведении численных экспериментов установлено, что с увеличением плотности связующего должна возрастать интенсивность технологического процесса. Следует отметить, что изменение параметров Р, ^со почти не влияет на поведение графиков. Это означает, что при одной и той же плотности связующего интенсивность процесса пропитки наполнителя можно увеличить за счет увеличения времени обработки ультразвуком.

Известные математические модели процесса пултрузии основаны на законе фильтрации Дарси и описывают процесс полимеризации в среднем по объему, не учитывая тот факт, что отвержденная в фильере часть композита представляет собой материал, в котором существенными являются деформации, а не скорости деформаций. В рассматриваемой математической модели учитывается этот фактор. Предположим, что отвержденный в фильере материал с учетом термомеханических свойств представляет собой трансверсально-изотропную упругую среду, тогда как неотвержденный — ньютоновскую вязкую жидкость. В цилиндрической фильере температура имеет осесимметричное распределение, поэтому задача является осесимметричной. В этом случае можно считать, что в процессе полимеризации в каждом сечении полимеризовано кольцо внешнего радиуса Я (где Л — радиус фильеры) и внутреннего радиуса г (.г) (рис. 4).

1- J— Л

/_/_/

'/'"'// //// //////// / ///////. 'У//,-?/////

-----

----'------rjx)'

'/У//////,■///////''//.' УУ/УУУ/У/.

Рис. 4. Продольное сечение фильеры: 1 — фильера; 2 — неотвержденный материал; 3 - отвержденный материал Пултрузионный процесс считаем установившимся. Предположим, что граница между отвержденной и неотвержденной областью материала в фильере (далее - граница) определяется распределением температуры. Поэтому для нахождения границы воспользуемся уравнением потока тепла. Считая, что коэффициент теплопроводности вдоль радиуса величина постоянная, а вдоль фильеры отсутствует, рассеянием тепла можно пренебречь, тогда уравнение стационарной теплопроводности запишется в виде

,,5Т _ 1 д ( дТЛ

Рф — = рНи — + Л-—\г—\ (17)

ох сх г сг \ сг)

где р — плотность, с\ - теплоемкость материала, U— скорость пултрузии; Т —

температура; Н - общее тепло, выделяемое при реакции на единицу массы, а

- степень полимеризации, Я, — коэффициент теплопроводности жидкого

связующего вдоль радиуса стержня, х - координата вдоль образующей фильеры, г- координата вдоль радиуса.

Проинтегрируем уравнение (17) от 0 до .т. Воспользуемся тем, что на границе степень полимеризации а = 1, тогда

pHU Я,

+т.

I

г,

'W

pcU

г;

"('-•Г

= о

(18)

где г, = г(х) - уравнение границы, температура на границе Т. = Т(х,г.).

(19)

рсЩ = р!Ш + \-~\-T.

Г.Г,

Будем пренебрегать теплопроводностью вдоль направления оси л:. Уравнение для упругой области отвержденного материала перепишется в следующем виде:

Г7дТ 18 , дТ pcJJ- = -—І /-Я,

Решение уравнения (20) определяется интегралом:

ppcU Л.

R

ppcU Л. '

Up

(20)

(21)

где 10 — функция Бесселя первого рода.

При этом в (21) следует учитывать, что переменная х определена в отрицательной области, от -содо 0. Исследуем предел в выражении (21). Для этого зададим граничную функцию. На практике температура в фильере задается в виде ступенчатой функции, представленной на рис. 5.

1

J

»5 ■ .

-

...

U

К

25

С

Рис. б. Функция границы и интервал области решения задачи

Рис. 5. Типовой температурный режим на фильере

Функция / в уравнении (21) должна быть гладкой, то есть иметь бесконечную производную по своему аргументу. Для решения задачи в качестве граничной функции была подобрана функция вида

/х = ехр (а + Ьх + сх''),

а = 1.104, Ь = 0.0097, с=-0.00018]. Граничная функция изображена на рис. 6 сплошной линией, точками показаны аппроксимируемые значения температур. Графики граничных функций /х показаны на рис. 7.

Рис. 7. Графики функций /х и / Рис. 8. Линии уровня температуры в

композитном стержне при прохождении через фильеру

В результате решения задачи в прямоугольной области построены линии уровня температур (рис. 8). Для определения температур область определения разбивалась на 100 точек в продольном и радиальном направлении.

Для аналитического решения задачи принята гипотеза: поскольку процесс полимеризации происходит при определенной температуре, будем считать температуру вдоль границы постоянной. Тогда уравнение (18) приводится к виду:

О

- + Е2,

где

О

Ж

А

II

с--

Т

(23)

(24)

Здесь р — плотность неотвержденной композиции волокно/связующее, Н — общее тепло, выделяемое при реакции на единицу массы, Я, — коэффициент теплопроводности неотвержденной композиции, с - удельная теплоемкость неотвержденной композиции. Плотность композиции р определяем по правилу смесей.

Для решения задачи выбираем начальное условие. Полагаем, что процесс полимеризации закончится при г, = И в точке х0 вблизи источника тепла, в которой температура равна температуре стеклования связующего Т*. Анализ решения задачи теплопроводности и полимеризации для стержней методом конечных разностей показал правильность принятой гипотезы. Определение границы зоны полимеризации материала в фильере позволяет связать технологические параметры процесса (скорость, температура), концентрацию и состав компонентов с конструктивными параметрами фильеры.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса непрерывного формования длинномерных изделий из ПКМ.

В производственной практике параметры процесса подачи и объем наполнителя подбирают чаще всего на основании предварительных экспериментов. Расчет подачи наполнителя по выведенным соотношениям (1— 3) связывает количество наполнителя на входе в фильеру с заданной концентрацией на выходе. На рис. 9 показаны сравнительные данные подачи стеклянного ровинга с линейной плотностью 2400 текс, полученные расчетным путем и использующиеся на практике.

Рис. 9. Зависимость количества жгутов п для получения изделий диаметром с/: 1 - использующаяся на практике; 2 - расчетная подача наполнителя Разработан комплект рабочей конструкторской документации на технологический комплекс для непрерывного формования длинномерных изделий из ПКМ, сочетающий формообразование внутренних и наружных слоев изделия с различными схемами армирования. В таблице 1 приведены технические характеристики разработанного комплекса.

Таблица 1

Параметр Значение

Диаметр, размер профиля, мм

- одноручьевая фильера, мм 282x360

- четырехручьевая фильера, мм 20(20x40)

Длина профиля, м 0....12

Максимальное количество ровннгов, шт. 120

Количество пропиточных устройств, шт. 3

Емкость шпулярников, не менее, бобин 240

Скорость протягивания профиля, м/мин 2...9

Тяговое усилие, т 0...12

Усилие сжатия, т 0...22

Количество бобин ровинга намотчика, шт. 2...4

Скорость вращения намотчика, об/мин 0...50

Ширина применяемых лент, мм 0...300

Количество вращаемых бобин намотчика, шт. 2

Количество электродвигателей 5

Режим изготовления автоматический

Вид тока питающей сети, напряжение, В переменный трехфазный, 380

Частота тока, Гц 50

Установленная мощность, не более. кВт 40

Габаритные размеры с нитетрактом:

- длина, мм 22000

- ширина, мм 4500

- высота, мм 1630

Технические возможности разработанного технологического комплекса приведены в таблице 2.

Таблица 2

Компоненты Описание

Шпулярник Шпулярник с применением нитепроводников из износостойкого пластика

Пропиточное устройство Ванна с подогревом для улучшения пропитки ровинга связующим, оснащенная быстросъемным лотком

Намоточное устройство Намоточное устройство с функцией одновременного изготовления жгута и обмотки стержня

Камера полимеризации Камера полимеризация с внутренним покрытием из нержавеющей стали с возможностью применения ИФК-нагревателей

Охлаждение Применение двух вариантов системы охлаждения: водяное или воздушное

Автоматическая подача связующего Два варианта подготовки и подачи связующего: ручная подача и автоматическая подача

Четыре ручья Возможность комплектации по схеме формирования изделий в четыре ручья

Фильера Конструкция фильеры с возможностью изготовления профиля размером до 200x200мм

Ультразвук Применение ультразвуковой головки для улучшения пропитки армирующего материала

Шпулярник предназначен для установки 80-ти бобин ровинга с внутренней размоткой. Натяжителем ровинга являются два валика, расположенные на шпулярнике. Валики разнесены относительно одной горизонтальной оси. Ровинг укладывают на валики зигзагообразно для создания трения. Регулировку силы трения производят положением валиков, при этом изменяется величина зигзага и прохождение ровинга производится с заданным натяжением. Компенсатор имеет качающуюся, поворотную конструкцию, что обеспечивает меньшие перегибы ровинга, равномерность натяжения и отсутствие провисания при остановках тянущего устройства.

Пропиточное устройство с нитетрактом предназначено для пропитки и отжима ровинга, при этом возможна пропитка ленточного материала. Для сушки ровинга перед пропиткой установлены нагревательные элементы.

Подача связующего задается оператором с помощью дозатора. Устройство для лент позволяет разместить 2 бобины со стеклотканью, нетканым полотном или другим материалом шириной до 300мм.

Фильера служит для полимеризация связующего с образованием изделия заданной формы. Длина фильеры составляет от 950 до 2100мм. Расстояние от фильеры до отрезного устройства равняется 12000мм. Программный модуль установки обеспечивает равномерность скорости протяжки и неизменность температурного поля на фильере. Температура на фильере контролируется с помощью 6-ти термопар.

Тянущее устройство предназначено для сжатия и протягивания изделия. Для непрерывности процесса используется два тянущих устройства, работающих в противофазах. Режимы протягивания и усилия протягивания задаются оператором и поддерживается автоматически.

Намоточное устройство обеспечивает намотку наружного слоя: получение периодического профиля за счет обмотки основного жгута ровинга скрученными нитями ровинга с двух бобин или дополнительную намотку изделия ровингом или лентами с четырех бобин (рис. 10).

Рис. 10. Схема намоточного устройства: 1 - рама; 2 - вертлюг; 3 - бобина; 4 — направляющая; 5 - электродвигатель

Автономно работающее от мотор-редуктора устройство кручения служит для изготовления одновременно четырех скрученных профилей (рис. 11). Угол скручивания задается программно изменением частоты вращения. При включении устройства кручения можно получать скрученные стержни диаметром до 20мм. Устройство кручения устанавливается на раму тянущего устройства.

Отрезное устройство состоит из ленточнопильного станка, рамы и направляющих, позволяющих перемещать станок с отрезаемым изделием.

Разработанный технологический комплекс предназначен для непрерывного формования широкой номенклатуры длинномерных изделий из ПКМ с различными схемами армирования.

з

Рис. 11. Схема устройства кручения: 1 — корпус; 2 — мотор-редуктор; 3 — колесо зубчатое; 4 — цанга; 5 - гидроцилиндр

Характеристики стеклянного ровинга приведены в таблицах 3 и 4. Состав полимерной композиции приведен в таблице 5.

Таблица 3

№ п/п Наименование материала (ГОСТ, ТУ) Примечание

1 Стеклоровинг ЕС-24-2400-350, плотность 2400текс Стеклоровинг ЕС-24-4800-350, плотность 4800текс СТО ТУ 592-002-83458713-2010 Шпулярник

2 Стеклоровинг ЕС 13 - 2520Н-34(280), ТУ 6-4800205009 Намоточное устройство

Таблица 4

№ п/п Тип стеклоровинга (применяемость) Габариты бобины, мм Вес бобины, кг Производитель

1 EDR24-2400-386 15А плотность 2400текс 0305-160x260 20,5-21,5 JUSHI GROUP СО LTD Китай

2 ЕС 24-2400-350 СТО ТУ 592-002-83458713-2010 плотность 2400 текс 0280-160x260 20,5-21,5 ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно»

3 ЕС 24-4800-350 СТО ТУ 592-002-83458713-2010 плотность 4800 текс 0280-160x260 20,5-21,5 ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно»

4 SE 1200(или1500)-ЕХ-2400 плотность 2400текс 0280-160x280 20,5-21,5 OWENS CORNING

5 ЕС 13 - 2520Н-34(280) ТУ 6-48-00205009 плотность 2520текс 0210 -70x260 10-11 ОАО «СТЕКЛОНиТ» г. Уфа

Таблица 5

Наименование компонента Массовая доля, в.ч.

Вариант №1 1 1

Смола Epicote 828 или аналоги ЭД-20. Допускается (DER-331-аналог ЭД-20) 1 500 1000

Отвердитель ИМТГФА (изометилтетрагидрофталевый ангидрид) ТУ 38.103149-85 0,7 350 700

Пластификатор ДЭГ-1 (диэтиленгликоль) ГОСТ 10136-77 0,07 30 60

Ускоритель Алкофен МА ТУ 6-22-362-95 0,04 20 40

Масса связующего, грамм - 900 1800

Вариант №2

Смола Epicote 828 компонент А 500 750 1000

Отвердитель Vestamin IPD компонент В 115 173 230

Активный разбавитель Polypox R3, R18 (Лапроксид) 10 15 20

Экспериментальные исследования процесса пропитки проводились при изготовлении арматуры из стеклоровинга ЕС-24-2400-350. Температура воздуха в лаборатории: +18°С, влажность 75%. Состав связующего: смола Е-8 (аналог ЭД-20) — 100% + отвердитель У^агшп 1РО — 24%, температура связующего +50°С. Для ультразвуковой обработки наполнителя и модификации связующего было разработано устройство (рис. 12).

Рис. 12. Схема устройства для ультразвуковой пропитки: 1 — пропиточная ванна; 2 —система прижимных роликов; 3 — стакан;

4 - концентратор УЗК; 5 - рабочий инструмент Пропитка ровинга осуществлялась в пропиточной ванне с объемом связующего Юл. Обработка ультразвуком (УЗК) производилась с помощью ультразвукового аппарата УЗП-1/22. Для получения сравнительных результатов пропитка ровинга проводилась при различных условиях: без ультразвуковых колебаний, с однократным прохождением ровинга относительно излучателя УЗК, с двукратным прохождением ровинга относительно излучателя УЗК. Время обработки выбиралось из условия прохождения жгута ровинга через пропиточную ванну при производстве арматуры (10, 20 и 30 сек.).

Анализ результатов показал, что увеличение времени обработки наполнителя и связующего ультразвуковыми колебаниями в пропиточной ванне за счет двукратного прохождения наполнителя относительно излучателя

УЗК увеличивает содержание связующего в арматуре в зависимости от скорости протяжки на 6 - 8%.

Пултрузионная фильера на своем протяжении имеет несколько температурных юн с регулируемой температурой нагрева. Необходимость полу чения на выходе из фильеры полностью отвержденного изделия приводит к увеличению длины фильеры и повышению конструктивной сложности оборудования. Определение границы юны полимеризации связующего в фильере позволит оптимизировать процесс пултрузин по конструктивным и технологическим параметрам. На рис. 13- 16 показаны графики липни границы юны полимеризации /их стеклопластика нрн различных параметрах ну.пру <ни.

Рис 13. Линии границы для стеклопластика в зависимости от скорости пултрузин

Рис. 14. Линии границы для стеклопластика при подогреве композиции на входе в фильеру до 55®С

Рис. 16. Линии границы дня стержня из стеклопластика радиусом 20мм

и содержания оптимальных

связанных с

Рис. 15. Линии границы дня стеклопластика при различном объемном содержании волокна

Влияние скорости пултрузин. температуры композиции наполнителя необходимо учитывать при определении технологических параметров процесса.

В четвертой главе рассматривается решение задач, проектированием пултру знойных стержней круглого поперечного сечения, получаемых на разработанном оборудовании. Приводится построение прикладной теории пултрузионного композитного квазнортотропного стержня круглого поперечного сечения. Стержень дпнной I состоит из внутренней части однонаправленных продольных волокон (ядро) и внешних спирально-

перекрестных слоев с углами ориентации ±<р, (/ 2.3..... п) относительно оси

стержня. Стержень может иметь полость, в этом случае пултрузнонным

изделием является труба. Радиус полости - Д„; радиус ядра стержня - /?,, радиус поперечного сечения стержня - Я. Концы стержня закреплены, а на внешней поверхности стержня действуют нормальная рг = рг(х,в) и касательные цх=ііх(х,0) и = іі„(.х,0) распределенные нагрузки (рис. 17).

Рг

Рис. 17. Схема нагружения композитного стержня Такой стержень рассматривается, как квазиортотропный, т.к. каждая пара спирально-перекрестных слоев, имеющая углы армирования ±<рп работает как один ортотропный слой в рассмотрении работы всего стержня, однако на уровне рассмотрения отдельного слоя анизотропией свойств слоя пренебречь нельзя. Уравнения прикладной теории, описывающие поведение стержня, выводятся из уравнений трехмерной задачи теории упругости при введении следующих гипотез: поперечное сечение стержня является абсолютно жестким в своей плоскости (£0->оо, Ег —> °о, О„> -> 1X1 )> что соответствует пренебрежению деформациями сечения в своей плоскости вследствие малости радиуса поперечного сечения; поперечное сечение остается плоским после деформации; деформация ул„ представлена линейной функцией координаты г. Задача сводится к решению системы уравнений относительно обобщенных перемещений (и, V, IV, вк, Оу и вг), обобщенных деформаций (е",уу,ух, кк, ку, кх) и обобщенных усилий ( Л'г, Оу, 0:, Мк, Л/„ и Л/2)

ву=Г,-™', -V'

е°=и', А.-,, = в'„, кх = в[, кк = 0'к, Мх = Ве1, М у = Вку, Мх=Окг, ду е2=5/7,

= е;+^.=о, о,

М'у+ту=д!, М'г + т. = , М'к+тк = О, Здесь штрихом обозначена производная по х; В, 5, £>, Ок - характеристики жесткости стержня; Г, Г и Г., и^, шг и тк - равнодействующие и главные моменты нагрузок, действующих на внешней поверхности стержня. Осевая деформация определяется следующим образом

(25)

(26) (27)

Ых Л/ . м_

£. =--1---птО н---гСО50

ВО О

(28)

Сдвиговая деформация ух0, представленная в виде

Yi^Yo+KS, (29)

определяется с использованием уравнения равновесия

= о (30)

ох г св г сг

откуда с учетом граничных условий на боковой поверхности находится компонента у„

ж) &Д J 2ж J )

н—^—-mv)cose-(Ov -mjsiní?]

Bxi)D

Далее из закона Гука определяются осевые crv и касательные i\.„ напряжения

а = Л' + ^ /• (Л/ „ sin в + М 2 со s 0) + ^ Мкг + (l + -|F,-B D D„ 2 ВЯД п)

(ti . 2* \ . р

¡qxd0 + — \q.0d0 + —^[(О. -т}.)со%в-(Оу -mjsinf]

и 2 л" 0 J BvliD

А'>. м + iür( М sin 0 + Л/. cos0) + ^-Mkr + -ii-íl + -V -

В D - Dt 2 ,т

(32)

-л[ Jc/^í? + — J^ft/Í? ] + [«?_ - ш, )COS0 - (О, - mz)sin 0] U ~П о У

_Ду „( г ,„ 1 "г „.„1 4С,

Напряжения г„ определяются интегрированием уравнения (30) с учетом граничных условий =0, =qx^.

[Esdr-—[(Q.-m)sm0 + (O-m.)case]- í+

D y. J П > - r J

' B„,

в Г J O

" 1

F С

Яо.--L + — [(O. - m )sin 0 + (O — ni.) cosí?]

/l 2л- D

(33)

Предлагаемая теория позволяет найти основные компоненты деформаций и напряжений, действующих в стержне. Далее, используя соотношения механики слоистых композитов можно определить напряжения и деформации, действующие в каждом слое в осях ортотропии слоя, и, используя полученные характеристики, оценить прочность стержня. Теория позволяет произвести оценку напряженно-деформированного состояния композитного квазиортотропного стержня и может быть использована при проектировании различных конструкционных композитных стержневых систем.

Рассмотрена задача оптимального проектирования сплошного стержня, находящегося в условиях одноосного нагружения (растяжения/сжатия), по условиям прочности, жесткости и устойчивости (структура стержня описана выше). Ядро стержня рассматривается как трехмерное осесимметричное трансверсально изотропное тело, а внешние, спирально ориентированные слои, как цилиндрическая оболочка. В качестве условия оптимальности стержня, все слои которого изготовлены из одного материала, рассматривается условие минимума площади его поперечного сечения

F = жН2 => Ш1П , (34)

которое дополняется: ограничениями по прочности для внутреннего слоя

<Ух<а*, -ах<а~, <т,<ст,+ , -аг <<Г2, £г<£,+ , -£гйё~, (35)

для внешней пары спирально-перекрестных слоев

(36)

сг, а,) ^<7, ст, ) сг, -О", о, о2 ^ г,, ) ограничениями по жесткости

и„,<й\ -11,„<й~, (37)

и по устойчивости

-р^р? (38)

где о7, ст,1. г,,, ?7,± - пределы прочности в напряжениях и деформациях при растяжении, при сжатии и при сдвиге, данные в осях ортотропии слоя; <т]±", гт7 и г,1/' — напряжения, действующие во внешних слоях; ит - максимальное удлинение (укорочение) стержня; п1 - максимально допустимые удлинение и укорочение стержня; Рх — действующая нагрузка; Рхр — критическая сила. При этом проектными параметрами являются радиус ядра стержня Л,, суммарная толщина внешних слоев и угол их ориентации о. Поставленная задача условной минимизации сводится к задаче оптимизации в минимаксной постановке с двумя варьируемыми параметрами - относительной толщиной внешних слоев Т^ и косинусом угла их ориентации ст при минимизации толщины слоя:

Р,./^:, - Рг!а -кРх /(Ле? ), кРх/(Лс;), + +4р)/2, РХИШ*), -Рх1/(Ан'),

£ = тах

(39)

у- рх1' /(ей) при Рх < О Здесь Рх, Рг, к. А, р, сI и 5 - функции параметров \ и ст. В качестве примера рассмотрено проектирование шарнирно опертого стрежня из углепластика со следующими характеристиками: £,=143 ГПа, £,=£,=10 ГПа, С,, = 6 ГПа, I',, =0.3, I',, =0.3; а* = 2172 МПа, о," = 1558 МПа,о\ = о,+ = 54 МПа, 07=07 = 186 МПа, Г,2 =87 МПа, ¿7 =е3+ = 1.3-10'1, е2" = ё; = 4,3-10"3. Стержень имеет длину / = 0,5м и подвержен осевому сжатию Рх = -МО1 Н. Предполагается, что по условиям эксплуатации укорочение стержня не должно превышать Д/ = 5 ■ 10"' м. Кроме того, стержень, работающий на сжатие, должен сохранять устойчивость под действием заданной нагрузки. В результате минимизации методом покоординатного спуска была получена следующая оптимальная структура стержня: л, =21,7-Ю"3м. Ит =0,4-10~3 м и <,9 = 77,3*. Активными ограничениями в данном случае являлись ограничения по максимальным деформациям и по устойчивости стержня. Следствием этого является то, что угол ориентации пары спирально-перекрестных слоев получился равным 77,3°. Такое армирование предотвращает растрескивание стержня, вызываемое эффектом

Пуассона. Предлагаемый подход к решению задачи оптимального проектирования композитных стержней отличается простотой и позволяет определять оптимальные структурные параметры проектируемого стержневого элемента с учетом технологии его изготовления и без введения каких-либо специальных допущений. На основе оптимизации расчетных параметров изделий производится настройка технологических параметров оборудования.

Пятая глава посвящена теоретическому анализу непрерывного формования длинномерных изделий из ультрадисперсных порошковых материалов и композиций с гранулометрическим составом 10...20 мкм.

Характер движения материала в канале инструмента существенно зависит от вида канала и соотношения коэффициентов внешнего и межчастичного трения материала. В канале переменного сечения всегда будет иметь место сдвиговое течение материала. Поведение материала в канале постоянного сечения будет определяться соотношением коэффициентов внешнего и межчастичного трения. В зависимости от соотношения коэффициентов внешнего и межчастичного трения формуемые материалы можно разделить на две группы: материалы, коэффициент внешнего трения которых больше коэффициента межчастичного трения; материалы, коэффициент внешнего трения которых меньше коэффициента межчастичного трения.

Для упрощения теоретического анализа приняты допущения: первое — перемещение материала в канале постоянного сечения осуществляется без пластического течения; второе - уплотнение материала в канале инструмента осуществляется преимущественно под действием напряжения, ориентированного вдоль канала. Для аналитического решения задачи принята гипотеза: напряженное состояние сжимаемых материалов в канале прессования подобно напряженному состоянию несжимаемых материалов.

Способ экструзии композиционных порошковых материалов позволяет создавать интенсивные сдвиговые деформации и получать изделия неограниченной длины (рис. 19). В основу способа положено использование активных сил трения, благодаря которым создается необходимое давление.

Рис. 19. Схема непрерывного формования порошковых материалов 1 - корпус; 2 - инструмент; 3 - матрица; 4 — изделие; 5 - порошок; Ук— скорость перемещения корпуса; V— скорость перемещения изделия

В системе координат, связанной с инструментом, план скоростей системы инструмент-материал-корпус в произвольной точке А канала имеет вид, показанный на рис. 20, где V— скорость перемещения материала; — скорость

а;

перемещения корпуса; 1\ч - скорость перемещения корпуса относительно материала; <р — угол подъема винтовой линии инструмента; а — угол между векторами Ук и г-;,.

А V* В .

Рис. 20. План скоростей системы Рис. 21. Схема сил, действующих на

инструмент-материал-корпус материал в канале прессования

Скорость перемещения материала Г направлена вдоль канала и по абсолютной величине меньше \'к, так как в системе инструмент-материал-корпус имеет место окружное проскальзывание материала относительно корпуса. О степени проскальзывания можно судить по величине коэффициента окружного проскальзывания

V

V,.

■cos <р

(40)

где

со — угловая скорость материала; сок - угловая скорость корпуса. На элемент материала длиной сЬ в канале прессования действуют силы трения со стороны корпуса и инструмента /•„ , а также сила сопротивления выдавливанию Рл, со стороны матрицы, создающая на длине ё: канала градиент напряжений с!а, (рис.21).

Силы сопротивления выдавливанию Ри и трения материала по инструменту направлены в сторону, противоположную перемещению материала параллельно оси канала. Направление действия силы трения материала по корпусу определяется вектором скорости корпуса относительно материала и зависит не только от относительного перемещения материала и корпуса (угол (р), но и от их относительных скоростей (угол а).

Составим уравнение равновесия сил, действующих на элемент материала в проекции на ось канала, направленную от выхода канала прессования к входу

F» + Р,, = 0

поверхности

корпуса и

-FK ■cos (а + ip) Силы трения материала по соответственно равны

Fk = С 'Л' а-.' b ■ d:

где с - коэффициент бокового давления;

az - напряжение на площадке, перпендикулярной оси канала; b — ширина канала; h — глубина канала;

fK— коэффициент трения материала по корпусу;

(41) инструмента

(42)

(43)

коэффициент трения материала по инструмент)'. Приращение силы Рм на длине с1: равно

Рм = Ь • /; ■ Ат. (44)

После подстановки уравнений (42) - (44) в уравнение (41) получим обыкновенное дифференциальное уравнение

= ' <! / ■ Ь ■ С05

ст. Н-Ь '

-/,-(2/1 + Ь)\с1: (45)

Введем обозначение

-/„-(2И + Ь)\ (46)

А = сск

1тЬ ' *

поскольку переменная А не зависит от г , и после интегрирования (45) получим

1п ст. = - А + С (47)

Постоянную интегрирования С определим из граничного условия: при : = 0, = р0 , где ро - давление на выходе из канала.

Потенцирование уравнения (47) даст уравнение распределения напряжений по длине канала прессования

а:=р0-еА': (48)

С учетом распределения напряжения по длине канала получены выражения для определения силовых параметров процесса. Крутящий момент на корпусе

М = -■д-/к-Ь-И-р,,-сош-{1-е-'!) (49)

где t — длина канала прессования.

Осевое усилие, действующее на корпус

Р = -■4-/к-Ь-р11-^а-(]-е-л')+!:-п2 -р„ (50)

А

Согласно гипотезе о сходстве напряженного состояния в сжимаемых и несжимаемых материалах уравнение (48) будет справедливо и для сжимаемого материала. Для уплотнения материала в канале прессования будет справедливым уравнение Г.М.Ждановича, выведенное для идеального процесса прессования, в форме, удовлетворяющей граничным условиям: при р = р/ , а = р1 ^ -И

где р - текущая плотность материала; р/ - плотность материала в зоне загрузки; ^ - ускорение свободного падения; /? -глубина канала прессования.

О"-в" ,

1-е,

где рк — давление, необходимое для получения компактного материала; О — относительная текущая плотность материала; 0, - относительная плотность материала в зоне загрузки; п - показатель степени.

Подстановка уравнения (51) в (48) и преобразование его даст выражение для нахождения распределения плотности материала по длине канала

Полученное выражение создает предпосылки для возможности формования изделий из ультрадисперсных порошковых материалов с заданной плотностью на выходе из канала прессования.

Длина канала /, необходимая для достижения на выходе канала давления

р..

1 , Р

I = -71" , (53)

A prgh 4

Длина канала 1П, необходимая для получения Fia выходе канала требуемой

плотности материала р

/ = _!_.,„-Ел-

Л 0 -0Г , (54)

р- --- + p.-g-h ^ '

Угол конуса матрицы, при котором минимальны силовые затраты на формование материала, определен исследованием на экстремум функции

р=р(у)

cosV + cos-/2^ "~4Ucos:x / " +COS/ 8 - 4 =0 (55)

f'.„ +4 f',,+4 /".11+ 4 /".„ + 4

Размеры поперечного сечения канала получены из условия минимизации силы трения материала по инструменту

h = 2h + Jf (56)

В шестой главе представлены методики и результаты экспериментальных исследований процесса непрерывного формования ультрадисперсных порошковых материалов и композиций.

В сравнении с известными методами, разработанная методика исследования коэффициентов трения и напряжения текучести порошковых материалов предполагает совместное определение этих характеристик. В основу методики положено соотношение, выведенное в теории обработки металлов давлением для процесса мундштучного выдавливания. Это соотношение преобразовано в систему трех уравнений и имеет следующий вид:

/>, = Fa, ■ +---|-1п —

^sinr, 1 +cosy, J /

l\ = F-ar +--- In— (57)

^siny, l + COSJ^J /

+--- I - In —

^іпу,. І+СОЇ)', ) /

где Рх - действующее усилие выдавливания в /-том эксперименте, / = 1, 2, 3; Р - площадь поперечного сечения пуансона; / - площадь выходного отверстия матрицы; а, - напряжение текучести материала; /, - коэффициент внешнего трения материала; /„ - коэффициент межчастичного трения

материала; у, - угол конуса матрицы в /'-том эксперименте; /т - угол естественного течения материала.

Порошковый материал 1, помещенный в контейнер 2 трижды продавливают пуансоном 3 через разные конические матрицы 4 (рис. 22). При этом трижды по динамометру пресса 5 регистрируется усилие выдавливания. Сменные матрицы имеют одинаковый диаметр выходного отверстия и отличаются углом при вершине конуса ух ■ В первых двух экспериментах используются матрицы с углом конуса не превышающим угла естественного течения материала, равного 45°. Причем углы конуса матрицы с, и с, в первых двух экспериментах незначительно отличаются друг от друга (не более чем на 5 — 6°), что необходимо для уменьшения погрешности при определении напряжения течения. В третьем эксперименте угол конуса матрицы превышает угол естественного течения материала. При этом в конической части матрицы образуются «застойные» зоны, в которых материал не движется, и скольжение его слоев происходит не по поверхности матрицы, а друг по другу.

Для определения коэффициента окружного проскальзывания материала в канале инструмента разработано устройство, схема которого показана на рис. 23. Устройство состоит из штока 1 с указателем 2 и направляющей частью 3, выполненной в виде эллипсоида вращения. Шток установлен в корпусе 4 на выходе канала инструмента 5, а его направляющая часть выдвинута из отверстия корпуса на половину глубины канала. Последний виток инструмента имеет окружной паз с размерами, соответствующими длине направляющей части и глубине ее установки. На корпусе установлен диск б с измерительной шкалой. Значение коэффициента окружного проскальзывания материала >/ определяется из выражения

1 ~

1 + Ctga ■ р

(58)

Рис. 22. Схема исследования триботехнических характеристик

Рис. 23. Схема исследования коэффициента окружного проскальзывания

Исследование коэффициентов внешнего и межчастичного трения порошковых материалов проводилось на гидравлическом прессе модели П-125. В качестве материалов использовались композиции на основе ультрадисперсного медного порошка марки ПМУ (содержание Си 99,999%) и ультрадисперсного порошка железа (содержание Ре 97%), полученного методом химического диспергирования. Гранулометрический состав порошков - 10...20 мкм. Результаты экспериментов представлены в виде графиков на рис. 24 и 25. Из графиков видно, что коэффициенты трения зависят от концентрации связующего в составе материала и давления прессования. С увеличением концентрации связующего и давления прессования величина коэффициентов трения уменьшается, однако степень влияния этих двух факторов различна.

4 Ь

25 50

75 100 р,МПа

Рис. 25. Зависимость коэффициента межчастичного трения от давления

прессования при концентрации связующего: 1 - 6%; 2 - 12%; 3-18

Рис. 24. Зависимость коэффициента внешнего трения от давления прессования при концентрации связующего: 1 - 0%; 2 - 6%; 3 - 12%; 4 -18%

Анализ результатов позволяет заметить, что с увеличением содержания пластификатора напряжение текучести материала уменьшается (рис. 26). Существенное влияние па величину напряжения текучести оказывает степень обжатия материала (рис. 27). Анализ результатов показывает, что использование высоких степеней обжатия при экструзии нецелесообразно, поскольку сопряжено с большими затратами энергии. Оптимальным значением степени обжатия является 60 — 80 %.

40 60

80 100

Рис. 26. Зависимость напряжения текучести от содержания пластификатора

при степени обжатия 65%: 1 — ультрадисперсный медный порошок; 2 — ультрадисперсный железный порошок

Коэффициент окружного проскальзывания исследовался в зависимости от концентрации связующего, степени обжатия материала, геометрии инструмента (рис. 28) и угловой скорости инструмента (рис. 29).

Рис. 27. Зависимость напряжения текучести от степени обжатия материала при содержании пластификатора 15%: 1 — ультрадисперсный медный порошок; 2 -ультрадисперсный железный порошок

Рис. 28. Зависимость коэффициента окружного проскальзывания материала от ширины канала инструмента при глубине: 1 — Змм; 2 — 7мм; 3 — 9мм

0.6 .сек-1

Рис. 29. Зависимость коэффициента окружного проскальзывания материала от

угловой скорости инструмента: 1 -ультрадисперсный медный порошок; 2 — ультрадисперсный железный порошок Анализ зависимости коэффициента окружного проскальзывания от ширины канала показывает существование минимума окружного проскальзывания при некоторых значениях ширины канала.

Для исследования силовых параметров непрерывного формования порошковых материалов в конструкции шнекового пресса предусмотрено три тензометрических преобразователя. Схема расположения тензометрических преобразователей изображена на рис. 30.

^ • 1 „ 1 ' 1 ]_[

- — /

; 1" .. . .......... и • '■а

Рис. 30. Схема исследования силовых параметров процесса

В состав пресса входят следующие основные элементы: корпус 1, шнек 2, стакан 3 и матрица 4. Матрица установлена в стакане с возможностью вращения. Усилие, действующее а шнек /'„ , измеряется тензометрическим преобразователем 5, размещенным в отверстии корпуса и опирающимся на крышку 6. Усилие прессования Рпр измеряется тензометрическим преобразователем 7, установленным в отверстии стакана. Момент сил трения материала по торцу шнека Л/,„ измеряется тензопреобразователем 8, установленным на шлицевом участке матрицы и зафиксированным от вращения в пазу упора 9. На валу 10 привода шнека закреплены тензодатчики 11 для измерения крутящего момента Л.

На рис. 31—34 показано влияние геометрических параметров инструмента на осевое усилие.

170 -

Рис. 31. Зависимость осевого усилия от глубины канала при степени обжатия 65%: 1 — ультрадисперсный медный порошок; 2 - ультрадисперсный железный порошок

Рис. 32. Зависимость осевого усилия от ширины канала при глубине канала: 1 — 5мм; 2 — 7мм; 3 — 9мм

90'/,град.

Рис. 33. Зависимость осевого усилия от длины канала инструмента при ширине канала: 1 — 12мм; 2— 16мм; 3 —20мм

Рис. 34. Зависимость осевого усилия от

угла конуса матрицы: 1 - ультрадисперсный медный порошок; 2 - ультрадисперсный железный порошок Экспериментальное исследование распределения напряжения и плотности материала по длине канала при формовании ультрадисперсных

композиционных порошковых материалов на основе железа и меди показывает, что распределения имеют экспоненциальный характер (рис. 35 и 36).

Рис. 35. Распределение напряжения в материале по длине канала прессования:

1 — ультрадисперсный железный порошок; 2 - ультрадисперсный медный порошок

Рис. 36. Распределение плотности в материале по длине канала прессования:

1 — ультрадисперсный железный порошок; 2 — ультрадисперсный медный порошок

Исследование распределения напряжения по длине канала позволяет оценить влияние длины канала на возможность осуществления процесса.

Разработанная на основе проведенных исследований технология непрерывного формования порошковых материалов и композиций с большим межчастичным трением включает в себя следующие основные операции; приготовление шихты, формование и спекание.

Приготовление шихты включает следующие основные этапы: сушка, смешивание, пластификация, гранулирование и подогрев до температуры экструзии. Смешиванию порошка предшествует операция сушки в сушильном камерном шкафу при температуре 100-150°С в течение 30 минут, необходимая для удаления влаги.

Процесс смешивания порошковых материалов производят одновременно с их пластификацией, что сокращает общее время приготовления шихты. Порошок, увлажненный парафином, представляет собой пастообразную смесь, смешивание которой наиболее целесообразно производить в смесителях лопастного типа. Время смешивания в лопастном роторном смесителе ЗШ-25 HPK составляет 10 минут. Корпус смесителя во время проведения операции должен иметь температуру, близкую к температуре плавления парафина - 50°С. Введение парафина осуществляется в расплавленном состоянии путем его распыления над поверхностью, перемешиваемого в смесителе, порошка.

В тех случаях, когда пластификатором является полистирол, сначала производится смешивание порошков металла и полистирола в течение 15 минут. Затем в полученную смесь вводится дибутилфталат и смешивание продолжается в пределах 5 минут. При смешивании многокомпонентных смесей для достижения равномерного распределения компонентов в объеме смеси целесообразно применять многоступенчатое смешивание. Смешивание непластифицированных порошковых материалов желательно производить в центробежных, планетарных или конусных смесителях.

Следующей операцией технологического процесса является гранулирование, предназначенное не только для получения исходного материала для формования, но также и для его гомогенизации. Двукратное продавливание материала шнеком через многоканальную матрицу значительно уменьшает предел текучести материала |и коэффициент межчастичного трения. Отрезка гранул осуществляется ножом на выходе из отверстия матрицы. Диаметр и длина гранул находится в интервале 2...4 мм.

Для уменьшения времени стабилизации режима экструзии шихта, содержащая парафин, перед формованием подогревается до температуры экструзии — 35...45°С. Температура экструзии порошковых композиций, пластифицированных полистиролом - 25...35°С и поэтому данные смеси не требуют предварительного подогрева.

На основе расчета оптимальной геометрии инструмента устанавливаются технологические параметры режима формования. Основные технологические характеристики процесса, к которым следует отнести производительность и давление, развиваемое шнеком, являются взаимосвязанными. Увеличение давления формования при всех прочих равных условиях, как правило, сопровождается возрастанием скорости экструзии материала. В зависимости от частоты вращения шнека и коэффициента проскальзывания материала выбирается способ загрузки материала и определяется скорость его подачи к шнеку. Загрузка материала может осуществляться из загрузочного бункера, и механически: лопастным барабаном, подающим шнеком и др. (рис. 37).

Рис. 37. Схема шнекового пресса, оснащенного системой автоматического регулирования подачи порошка: 1 — загрузочный бункер; 2 — заслонка;

3 — лопастной барабан; 4 — шнековый пресс Для гарантированного заполнения канала формующего шнека подача материала должна быть синхронизирована со скоростью его вращения. Скорость вращения шнека выбирается из диапазона 0,3...0,6 сек"1. Мощность и

І

производительность пресса определятся в зависимости от скорости вращения шнека по графикам на рис. 38 и 39.

окружного проскальзывания материала окружного проскальзывания материала пр| при различных угловых скоростях различных угловых скоростях инструмент! инстру мента

Перед формованием корпус шнекового пресса должен быть нагрет ло температуры экструзии. С момента начала загрузки до получения изделия с сданными свойствами происходит стабилизация силового и температурного режима экструзии. Выдавленный на этой стадии материал снова поступает на операцию грану лирования.

Операция спекания завершает процесс изготовления длинномерных изделий и принципиально не отличается от спекания изделий, полученных другими способами порошковой металлургии.

ОБЩИЕ НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе на основании выполненных автором экспериментально-теоретических исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения, направленные на разработку и создание высокопроизводительных технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов, заключающиеся в следующем:

1. Разработан метод непрерывного формования длинномерных сложноармнронанных изделий из полимерных композиционных материалов, сочетающий формообразование внутренних и наружных слоев изделия с различными схемами армирования, позволяющий изготавлива гь высокопрочные длинномерные изделия с более высокой производительностью по сравнению с су ществу юшими аналогами.

2. На основе уравнений теории упругости, гидродинамики и математической физики разработана математическая модель процесса

Рис. 38. Зависимость мощности Рис. 39. Зависимость производительности шнекового пресса от коэффициента шнекового пресса от коэффициента

пултрузии, позволяющая установить закономерность распределения материала между отвержденной и неотвержденной областями внутри фильеры и на этой основе оптимизировать технологические параметры процесса и конструктивные параметры оборудования, получены аналитические зависимости для расчета подачи армирующих волокон при изготовлении высоконаполненных композитов, на основе математического анализа ультразвукового воздействия на наполнитель и связующее в процессе пропитки установлено определяющее влияние на интенсивность пропитки времени обработки ультразвуком.

3. На основе законов механики композиционных материалов разработана прикладная теория композитного слоистого квазиортотропного пултрузионного стержня круглого поперечного сечения, находящегося в условиях сложного нагружения (пространственный изгиб, кручение и растяжение/сжатие), позволяющая определить наряду с обобщенными внутренними усилиями, обобщенными деформациями и обобщенными перемещениями действительные перемещения и деформации стержня и основные компоненты напряжений, действующих в слоях стержня, межслоевые касательные напряжения, а также произвести оценку прочности стержня. Прикладная теория композитного стержня внедрена в практику оптимального проектирования сложноармированных композитных изделий, работающих в условиях сложного нагружения с внешними механическими воздействиями, в ООО «Нанотехнологический центр композитов».

4. Предложена математическая постановка задачи оптимального проектирования композитных слоистых квазиортотропных пултрузионных стержней круглого поперечного сечения, предусматривающая определение углов армирования, толщин и количества слоев, обеспечивающих минимум массы при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости. Задача сводится к минимизации площади поперечного сечения стержня в минимаксной постановке.

5. Разработан метод непрерывного формования порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющий в процессе формования изделия генерировать интенсивные пластические деформации и получать изделия с высокой плотностью. В рамках гипотезы о сходстве напряженного состояния в сжимаемых и несжимаемых материалах в канале инструмента установлено распределение напряжений и плотности материала по длине канала инструмента. Технология непрерывного формования порошковых композиционных материалов внедрена в производство порошковой проволоки и фильтрующих изделий в ЗАО «Металюкс-Электро» и в производство трубчатых коллекторов гелиосистем в НПО «Инфокристалл».

6. Установлены и экспериментально подтверждены закономерности, связывающие энергосиловые параметры процесса непрерывного формования ультрадисперсных порошковых материалов, свойства материала и геометрические параметры инструмента. Получены соотношения, позволяющие оптимизировать основные геометрические параметры

инструмента и матрицы при условии минимизации силовых затрат на процесс формования.

7. Разработаны методики экспериментального исследования триботехнических характеристик, напряжения текучести, окружного проскальзывания порошковых композиционных материалов и силовых параметров процесса непрерывного формования. Установлено, что коэффициент межчастичного трения исследуемых материалов превышает коэффициент внешнего трения в 2,0...3,2 раза. Установлен оптимальный диапазон изменения степени обжатия материала (60-80%). Установлено оптимальное значение угла конуса матрицы (-30°). Методики и алгоритмы расчета конструкторско-технологических параметров процесса используются для оптимизации энергосиловых параметров непрерывного формования порошковых композиционных материалов в ЗАО «Металюкс-Электро» и НПО «Инфокристалл».

8. Создан промышленный образец технологического комплекса для непрерывного изготовления сложноармированных изделий многофункционального назначения из полимерных композиционных материалов, сочетающий формообразование внутренних и наружных слоев изделия с различными схемами армирования, с производительностью в 2 раза выше в сравнении с существующими аналогами, который внедрен на ООО «Машспецстрой».

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, используются в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН» в качестве лекционного курса и практических занятий.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Разработка теории непрерывного формования изделий из ультрадисперсных композиционных порошковых материалов. Вестник МГТУ Станкин. — №1, 2011. - с. 12-16.

2. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Энергосиловые параметры процесса формования порошковой проволоки для напыления наноструктурных покрытий. Упрочняющие технологии и покрытия. - №3, 2011. - с. 34-36.

3. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Исследование триботехнических характеристик ультрадисперсных композиционных порошковых материалов. Трение и износ. — №3, 2011. — с. 229 — 232.

4. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Направления развития технологий изготовления изделий из полимерных композиционных материалов способом намотки. Вестник МГТУ Станкин. — №3, 2011. — с. 95 — 98.

5. Григорьев С.Н., Красновский А.Н., Хазиев А.Р. Оптимальное проектирование длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов. Механика композиционных материалов и конструкций. - №4, том 17, 2011. - с. 545 - 554.

6. Григорьев С.Н., KpaciioBCKiiií А.Н. Процесс непрерывного формования ультрадисперсных порошковых материалов для получения длинномерных изделий. Технология металлов. - №5, 2011. - с. 30 - 34.

7. Григорьев С.Н., Красновскпн А.Н., Хазиев А.Р. Разработка научных основ технологии непрерывного изготовления сложноармированных труб из полимерных композиционных материалов. Пластические массы. -№12, 2011. -с. 56-58.

8. Григорьев С.Н., Красновскпн А.Н. Исследование процесса непрерывного формования нанокристаллических композиционных порошков. Материаловедение и термическая обработка металлов. — №1, 2012. — с. 14—17.

9. Григорьев С.Н., Красновскпн А.II., Хазиев А.Р. Проектирование композитных анизотропных стержней. Пластические массы. - №1, 2012. - с. 30-32.

Ю.Григорьев С.Н., Красновскпн А.Н. Распределение плотности материала в канале прессования при непрерывном формовании нанокристаллических композиционных порошков. Материаловедение и термическая обработка металлов. — №3, 2012. — с.31 —34.

П.Григорьев С.Н., Красновскпн А.Н., Хазиев А.Р. Механика композитного анизотропного сплошного стержня. Пластические массы. — №3, 2012. - с. 18-25.

12. Красновскпн А.II., Казаков И. А. Оптимизация конструктивных параметров фильеры для изготовления композитных стержней методом пултрузии. Конструкции из композиционных материалов. — №4, 2012. — с. 1623.

13. Красновскпн А.II., Квачев К.В. Математическое моделирование механики процесса пултрузии изделий из полимерных композиционных материалов. Дизайн. Материалы. Технология. -№5 (25), 2012. - с. 78-81.

14. Красновскпн А.Н.. Казаков И.А. Влияние давления связующего и внешнего силового воздействия на напряженно-деформированное состояние материала в процессе пултрузии. Дизайн. Материалы. Технология. — №5 (25),

2012.-с. 72-77.

15. Григорьев С.Н., Красновскпн А.Н., Хазиев А.Р. Механика композитного пултрузионного ортотропного стержня круглого поперечного сечения. Пластические массы. -№7, 2012. — с. 24 — 30.

16. Красновскпн А.Н., Казаков И.А. Исследование напряженно-деформированного состояния материала в процессе пултрузии. Пластические массы. -№10, 2012. - с. 22-26.

17. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Технологические аспекты непрерывного формования изделий из композиционных порошковых материалов. Упрочняющие технологии и покрытия. —№12 (96), 2012. - с. 17 — 19.

18. Григорьев С.Н., Красновский А.Н., Хазиев А.Р. Механика получаемого пултрузией квазиортотропного композитного стержня круглого поперечного сечения. Конструкции из композиционных материалов. — №1,

2013, — с. 3-11.

19.Красновский А.Н. Исследование процесса подачи наполнителя при изготовлении высоконаполненных пултрузионных изделий. Вестник МГТУ Станкин. - №2, 2013. - с. 55 - 60.

20. Красновский А.Н. Исследование пропитки наполнителя в процессе пултрузии полимерных композиционных материалов. Вестник МГТУ Станкин. — №2, 2013.-c.61 -65.

21. Красновский А.Н. Исследование окружного проскальзывания ультрадисперсных порошковых материалов в процессах непрерывного формования. Трение и износ. — №3, 2013.-е. 293 — 297.

Монографии:

22. Красновский А.Н. Научно-технологические основы экструзии композиционных материалов. Основы, концепции, методы. - Saarbrucken: «LAP LAMBERT Academic Publishing», 2012, - 58c.

23. Красновский A.H., Казаков И.А., Квачев К.В. Научные основы непрерывного формообразования изделий из полимерных композиционных материалов. Изд-во МГТУ Станкин. 2012. — 65 с.

Публикации в изданиях, входящих в систему цитирования Web of

Science:

24. S. N. Grigoriev, A. N. Krasnovskii. Study of the Triboengineering Characteristics of Ultradispersed Composite Powder Materials. Journal of Friction and Wear, 2011, Vol. 32, No. 3. - p. 164 - 166.

25. S. N. Grigoriev, A. N. Krasnovskii. A study of the process of continuous forming of nanocrystalline composite powders. Metal Science and Heat Treatment. 2012, Vol. 54, No. 1-2,- p. 13-16.

26. S. N. Grigoriev, A. N. Krasnovskii. Distribution of the density of material in the pressing channel in continuous forming of nanocrystalline composite powders. Metal Science and Heat Treatment. 2012, Vol. 54, No. 3-4. -p. 135 - 138.

27. Grigoriev S. N., Krasnovskii A. N., Kazakov I.A., Kvachev K.V. An analytic definition of the border polymerization line for axisymmetric composite rods. Journal: Applied Composite Materials. DOI: 10.1007/s 10443-013-9317-8.

28. A. N. Krasnovskii. Study of Circular Slip of Superdispersed Powder Materials in Continuous Formation Processes. Journal of Friction and Wear, 2013, Vol. 34, No. З.-р. 221-224.

Публикации в других изданиях:

29. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Перспективы развития технологии изготовления изделий из полимерных композиционных материалов способом намотки. Композитный мир. — №3, 2011. — с. 22—24.

30. Красновский А.Н., Казаков И.А. Влияние химической усадки на напряженно-деформированное состояние композиционного материала в процессе пултрузии. Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития: Труды III Международной научно-практической конференции: в 2т. — Т.2. — Ульяновск: УлГУ, 2012.-е. 158—168.

31. Krasnovskii A.N., Kazakov I.A. Determination of the optimal speed of pultrusion for large-sized composite rods. Journal of Encapsulation and Adsorption Sciences. Vol. 2, No. 3, 2012. - p. 21-26.

32. Красновскнй A.H. и др. Устройство для прессования изделий из порошковых материалов. // A.c. 1245444 СССР, МКИ B22F 3/02.

33. Красновский А.Н. и др. Устройство для непрерывного формования трубчатых изделий из порошков. // А.с 1289603 СССР, МКИ B22F 3/02.

34. Красновский А.Н. и др. Способ экструдирования металлических порошков. // A.c. 1345465 СССР, МКИ B22F 3/20.

35. Красновский А.Н. и др. Устройство для непрерывного формования порошков. // A.c. 1424969 СССР, МКИ B22F 3/02.

36. Красновский А.Н. и др. Устройство для экструдирования изделий из порошков. //A.c. 1600142 СССР, МКИ B22F 3/20.

37. Красновский А.Н. и др. Способ экструзии порошковых материалов. // A.c. 1783691 СССР, МКИ B22F 3/20.

38. Красновский А.Н. и др. Способ получения изделий из труднодеформируемых порошковых материалов. // A.c. 1804021 СССР, МКИ B22F 3/02.

39. Красновский A.II. и др. Устройство для прессования металлических порошков. // A.c. 1804026 СССР, МКИ B22F 3/20.

40. Красновский А.Н. и др. Устройство для непрерывного формования порошковых материалов. // A.c. 1806898 СССР, МКИ B22F 3/20.

41. Красновский А.Н. и др. Устройство для непрерывного формования изделий из порошков. // A.c. 1823288 СССР, МКИ B22F 3/20.

42. Красновский A.II, н др. Устройство для непрерывного формования порошков. // A.c. 1477521 СССР, МКИ В22А 3/02.

43. Красновский А.Н. и др. Устройство для экструзии порошковых композиций. // A.c. 1659179 СССР, МКИ B22F 3/20.

44. Красновскнй А.Н. и др. Устройство для непрерывного формования порошков. // A.c. 1627320 СССР, МКИ B22F 3/02.

45. Красновскнй А.Н. и др. Способ определения технологических характеристик порошковых материалов в условиях пластической деформации. // A.c. 1553884 СССР, МКИ B22F 3/20.

46. Красновскнй А.Н. и др. Способ определения энергосиловых параметров процесса экструдирования порошков в шнеке. // A.c. 1290135 СССР, МКИ B22F 3/20.

47.Патент РФ № 108338, В29С 70/30, В29С 63/04, 2011г. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов.

48. Патент РФ № 112664, В29С 70/52, В29С 70/08, В29С 43/44, 2012г. Григорьев С.Н., Красновский А.Н., Хазиев А.Р. Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов.

49. Патент РФ № 115717, В29С 70/30, В29С 63/04, 2012г. Григорьев С.Н., Красновскин А.Н., Хазиев А.Р. Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов.

50. Патент РФ № 118912, В29С 70/30, В29С 63/04, 2012г. Григорьев С.Н., Красновскин А.Н., Казаков И.А., Хазиев А.Р., Квачев К.В., Басалаев К.К. Технологический комплекс для изготовления композитных сложноармированных полых стержней.

51. Патент РФ № 118913, В29С 70/30, В29С 63/04, 2012г. Григорьев С.Н., Красновскин А.Н., Казаков И.А., Хазиев А.Р. Устройство для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов.

52. Патент РФ № 122606, В29С 70/30, В29С 63/04, 2012г. Красновскин А.Н., Казаков И.А., Квачев К.В. Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов.

53. Патент РФ № 120915, В29С 53/82, 201 1г. Григорьев С.Н., Красновскин А.Н. Оправка для намотки сложнопрофильных изделий из полимерных композиционных материалов.

54. Красновскин А.Н. и др. Способ подачи армирующих волокон для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. // Решение о выдаче патента на изобретение РФ № 2012116422, В65Н 51/00, В29С 31/00, D02H 1/00, 2012г.

55. Красновскин А.Н. и др. Устройство подачи армирующих волокон. // Решение о выдаче патента на ПМ РФ № 2012120376, В29С 31/00, 2012г.

56. Красновскин А.Н. и др. Способ изготовления трубчатых изделий из полимерных композиционных материалов. // Решение о выдаче патента на изобретение РФ № 2012125340, В29С 55/30. 2012г.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красновскнн Александр Николаевич

Разработка методов, технологии и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из композиционных материалов

Подписано в печать 20.09.2013 Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ 175.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <<СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковскин пер., За Тел.: 8(499)973-31-93

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

05201450097

КРАСНОВСКИЙ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической

обработки» Специальность 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................................................................16

1.1. Виды длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов и области их применения.......................................................................................................16

1.2. Область применения длинномерных изделий из металлических порошковых материалов и композиций...................................................................................................31

1.3. Технологии и оборудование для производства длинномерных изделий из ПКМ.....34

1.4. Сравнительный анализ способов формования длинномерных изделий из порошковых материалов.....................................................................................................46

1.4.1. Прерывистые методы формования.....................................................................47

1.4.2. Непрерывные методы формования.....................................................................49

1.4.3. Экструзия порошковых материалов...................................................................52

ГЛАВА 2. ТЕРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ

ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ..............................................................................56

2.1. Исследование процесса подачи наполнителя при изготовлении высоконаполненных пултрузионных изделий......................................................................................................56

2.2. Исследование процесса пропитки волокнистых материалов.....................................64

2.3. Математическое моделирование механики процесса пултрузии...............................76

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ...................................99

3.1. Исследование процесса подачи волокнистых материалов.........................................99

3.2. Исследование процесса пропитки волокнистых материалов...................................107

3.3. Исследование температурно-скоростных параметров процесса пултрузии............111

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЛИННОМЕРНЫХ ПУЛТРУЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ

ПКМ.......................................................................................................................................120

4.1. Общая постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния цилиндрического пултрузионного стержня.....................................................................121

3.2. Механика композитного пултрузионного квазиортотропного стержня круглого поперечного сечения.........................................................................................................123

4.3. Оптимальное проектирование сплошного пултрузионного стержня......................136

4.4. Оптимальное проектирование многослойных пултрузионных труб.......................148

4.5. Оптимизация характеристик жесткости пултрузионного стержня сложного профиля ...........................................................................................................................................154

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ

ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.....................................................................................................................167

5.1. Состояние теории экструзии порошковых материалов.......................................167

5.2. Состояние и особенности методики исследования..............................................169

5.3. Теоретическое исследование процесса экструзии композиционных порошковых материалов.........................................................................................................................170

5.3.1. Классификация порошковых материалов в зависимости от соотношения коэффициентов внешнего и межчастичного трения.......................................................171

5.3.2. Основные допущения........................................................................................173

5.3.3. Гипотеза о сходстве напряженного состояния в сжимаемых и несжимаемых

материалах в канале инструмента....................................................................................173

5.3.4. Движение материала в канале инструмента.....................................................174

5.4. Энергосиловые параметры процесса непрерывного формования порошковых материалов.........................................................................................................................177

5.5. Распределение плотности материала вдоль канала инструмента........................180

5.6. Оптимизация геометрических параметров инструмента.....................................183

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО

ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ.....................................................................................................................185

6.1. Методика исследования триботехнических характеристик и напряжения текучести порошковых материалов..................................................................................185

6.2. Методика исследования коэффициента окружного проскальзывания порошковых материалов...................................................................................................188

6.3. Методика исследования силовых параметров непрерывного формования порошковых материалов...................................................................................................189

6.4. Исследование коэффициентов внешнего и межчастичного трения....................191

6.5. Исследование напряжения текучести порошковых материалов.........................196

6.6. Исследование коэффициента окружного проскальзывания................................199

6.7. Исследование силовых параметров процесса......................................................205

6.7.1. Влияние геометрических параметров инструмента на силовые параметры...205

6.7.2. Влияние геометрических параметров матрицы на силовые параметры.........211

6.8. Исследование распределения напряжения и плотности материала по длине канала инструмента...........................................................................................................215

6.9. Исследование мощности и производительности шнекового пресса...................218

6.10. Технология непрерывного формования порошковых материалов..................224

6.10.1. Приготовление шихты.......................................................................................224

6.10.2. Формование.......................................................................................................226

6.10.3. Спекание............................................................................................................230

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................237

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................257

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью современного научно-технического прогресса является тенденция к устойчивому развитию производства и применения изделий из композиционных материалов. Мировой рынок полимерных композиционных материалов (ПКМ) в настоящий момент оценивается в сумму более 70 млрд. долларов. Средние темпы роста рынка ПКМ составляют 4 - 5% (по отраслям: в ветряной энергетике - более 20% в год, в аэрокосмической отрасли - 9%, в автомобилестроении - 7%, в кораблестроении - 7%). Рост применения ПКМ обгоняет сталь, алюминий и пластмассы в таких перспективных отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность. Подавляющее количество (около 95 %) ПКМ производится и находит применение в Соединенных Штатах Америки, Европе и Азии. США является абсолютным лидером по производству исходного сырья и изделий из композиционных материалов, и в том числе по разработке технологий и производству оборудования. Собственное производство ПКМ развивают европейские страны: Франция, Германия, Великобритания, Италия. Активно наращивают объемы выпуска продукции из ПКМ страны Юго-Восточной Азии. Даже сравнительно небольшие компании стремятся занять устойчивую нишу в этом секторе экономики. Например, финские компании специализируются на производстве маломерного флота.

В США уровень потребления стекловолокна в 2007г. составил 7 млрд. долларов. В это время российский рынок стекловолокна в 2007г. составил около 180 млн. долларов. Годовое производство стекловолокна в Китае приближается к 1 млн. тонн. Китайские производители сырья активно конкурируют с отечественными компаниями на российском рынке, предлагая относительно недорогое и качественное сырье для ПКМ. На территории этой страны действует более 150 заводов по производству композиционных материалов. В России производство стекловолокна осуществляют 24 предприятия [1-3].

По оценкам специалистов в настоящее время потребление полимерных композиционных материалов в России составляет приблизительно 0,4кг на душу населения. Если сравнить, то это в 4 раза меньше, чем в Китае и в 20 раз меньше, чем в США. Вклад России в мировое производство и применение ПКМ составляет в настоящее время менее 3%. При современном уровне развития технологий такой показатель не позволяет отнести Россию к технологически развитым странам [4]. Исходя из этого, чтобы сравняться с развитыми странами мира, которые не собираются уступать свое лидерство, в качестве первоочередной задачи развития промышленного комплекса страны, следует решить сначала задачу количественного увеличения производства композиционных материалов в России. Актуальность развития высокопроизводительных и конкурентоспособных непрерывных технологий производства композиционных материалов является очевидной.

Необходимо понимать, что речь в данном случае идет не просто о наращивании объемов производства, а о предотвращении угрозы технологической зависимости страны. В настоящее время спрос на изделия из стекловолокна превышает предложение в среднем на 44%. Значительная доля этого спроса удовлетворяется за счет импортной продукции. За последние несколько лет поставки стекловолокна из стран Юго-Восточной Азии выросли во много раз. В условиях ценовой конкуренции отечественные производители могут потерять рынок стекловолокна, что негативно отразится на промышленном потенциале российской экономики и приведет к ее зависимости от зарубежных поставщиков. На предприятиях отечественной отрасли композиционных материалов сохраняется высокий объем ручного труда, особенно, при изготовлении сложных ответственных деталей. Отсутствие строгой повторяемости в производстве серийных изделий является серьезным фактором, сдерживающим массовое применение композиционных материалов при выпуске крупномасштабных партий продукции. Отсутствие высокопроизводительных и конкурентоспособных технологий изготовления изделий из композитов не может обеспечить

возрастающие потребности промышленности в современных композиционных материалах.

Проблема обеспечения отечественной промышленности композиционными материалами имеет еще одну сторону. Существует ряд технологий, связанных с производством композитов, на которые имеются экспортные ограничения. К таким технологиям относятся высокопроизводительные технологии изготовления композиционных материалов. В такой ситуации разработка и развитие наукоемких и конкурентоспособных российских технологий производства изделий из композиционных материалов ставится в ряд первоочередных задач.

Важнейшей особенностью композиционных материалов является широкая гамма свойств, которые выгодно отличают их от традиционных металлов и сплавов: сравнительно малая масса, высокие удельные физико-механические характеристики, ударная вязкость, усталостная прочность, термостойкость, коррозионная стойкость, высокие электроизоляционные свойства и т.д. Большому разнообразию композиционных материалов соответствует такое же разнообразие сочетаний их характеристик. По этой причине композиционные материалы находят широкое применение в различных областях техники. Вследствие присущей композитам многофункциональности свойств, они все чаще приходят на смену традиционным материалам, и сегодня уже можно говорить о том, что практически в любой области техники есть успешные примеры рациональной замены типовых конструкционных материалов на композиционные материалы.

Композиционные материалы технологически создаются одновременно с изготовлением изделия. Это дает возможность для комплексного решения многих вопросов конструирования и формообразования изделия, которые совмещены уже на стадии инженерного проектирования объекта производства. Важнейшая отличительная особенность ПКМ заключается в возможности создания из них изделий и элементов конструкции с заранее

заданными свойствами, наиболее соответствующими условиям эксплуатации. На сегодняшний день существует большой выбор материалов матрицы и армирующих наполнителей. Разработка различных схем армирования позволяет управлять прочностью, жесткостью, термостабильностью и другими свойствами материала, путем изменения состава, структуры и соотношения компонентов. Существующие технологии изготовления длинномерных изделий из композиционных материалов, как правило, не реализуют возможности повышения эксплутационных характеристик изделий за счет применения сложных схем армирования.

Анализ известных технологий, технологических линий и комплексов для непрерывного формообразования длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов показывает, что они не обеспечивают выпуска широкой номенклатуры изделий, высокой производительности, получения сложноармированных изделий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Поэтому разработка перспективных высокопроизводительных непрерывных технологий, методов и оборудования для производства длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов является актуальной задачей, которая имеет большое практическое значение для развития наукоемких отраслей отечественной промышленности и вносит существенный вклад в экономику страны.

Поступательное развитие научно-технического прогресса выдвигает порошковую металлургию в ряд наиболее перспективных направлений науки и техники. Во многих странах мира ежегодные темпы роста объемов выпуска изделий из металлических порошков опережают темпы роста традиционных отраслей промышленности. Мировой экономический кризис практически не отразился на объемах продаж порошковых материалов, главным потребителем которых является автомобильная промышленность развитых стран Европы, Америки и Азии. Это связано с ростом производства

легкового автотранспорта в Корее, Китае, Индии и Южной Америке. Производство порошковых конструкционных изделий в настоящее время перемещается в эти регионы. На всемирном конгрессе порошковой металлургии в Италии было отмечено, что в настоящее время наблюдается устойчивый рост объемов производства порошковой металлургии в Европе и Северной Америке. Динамика роста по разным видам изделий из металлических порошков составляет от 40 до 60% в год [5].

Рост производства изделий из порошковых композиционных материалов предполагает развитие и совершенствование непрерывных методов формования, обеспечивающих, как правило, более высокую производительность труда, высокие коэффициент использования металла и степень автоматизации. Особенно эффективными эти методы становятся при изготовлении изделий, получение которых другими способами или невозможно или экономически невыгодно, например, в производстве длинномерных изделий.

В последние годы в результате совершенствования непрерывных методов формования получили развитие методы конформного и шнекового формования изделий из порошковых материалов [6—8]. Методы заключаются в непрерывном выдавливании материала инструментом при одновременном уплотнении его в канале инструмента и матрицы. Порошок предварительно смешивается с пластификатором, который затем удаляется перед спеканием или в процессе спекания изделия. Технологии экструзии порошковых материалов могут быть также успешно применены для формования изделий из материалов, не требующих последующего спекания (металлопластики, топливные элементы и др.). Разработаны варианты технологии формования порошковых материалов, реологические свойства которых близки к модели несжимаемого вязкопластического тела Бингама-Шведова и модели несжимаемой вязкой жидкости, т.е. материалов с малым межчастичным трением.

В настоящее время развиваются три основных направления создания объемных наноструктурных материалов: прессование ультрадисперсных порошков, контролируемая кристаллизация аморфных материалов и интенсивная пластическая деформация сплавов [9]. Направление, связанное с прессованием ультрадисперсных порошков, развивается, главным образом, двумя методами. В первом методе используют испарение и последующую конденсацию атомов материала для образования нанокластеров и их осаждения на поверхность цилиндра, вращающегося в атмосфере инертного газа. При этом получают образцы, имеющие диаметр 5-15 мм, толщину 0,20,3 мм и плотность 70...95 % от плотности материала [10]. Полученные наноматериалы содержат зерна со средними раз�