Введение в композиционные материалы

 

Главная

Раздел 40. Механическая обработка изделий из композитов. Применение композитных материалов

 

Содержание

Особенности процесса резания композитов

Процесс стружкообразования при резании композитов

Тепловые явления при резании композитов

Износ режущего инструмента при резании композитов

Влияние механической обработки на свойства композитов

Качество поверхности при обработке композитов

Водопоглощение композитов

Прочностные характеристики изделий

Точение изделий из композитов

Точение изделий из стекло- и углепластиков

Точение изделий из органопластиков

Точение изделий из боропластика

Нарезание резьбы на изделиях из стеклопластика

Сверление изделий из композитов

Фрезерование изделий из композитов

Алмазно-абразивная обработка изделий из композитов

Разрезка изделий из композитов

Нарезание резьбы абразивными и алмазными кругами

Основные требования охраны труда и техники безопасности при обработке композитов

Применение композитных материалов

Применение КМ в железнодорожном транспорте

Выбор КМ для железнодорожного транспорта

Изготовление КМ для железнодорожного транспорта

Многослойные конструкции в железнодорожном транспорте

Применение КМ в автомобильном транспорте

Применение КМ в строительстве

Требования к строительным материалам на основе композитов

Основные направления применения композитов в строительстве

Типы строительных материалов и полуфабрикатов

Примеры строительных конструкций из КМ

Вопросы для самопроверки

 

 

Особенностью композитов является, как отмечалось выше, совме­щение технологического процесса получения материала с технологиче­ским процессом изготовления готового изделия. Прогрессивные мето­ды, такие как намотка, прессование, литье, экструзия и т.д., позволяют получать изделия из композитов относительно высокой точности и ка­чества поверхности. Однако весьма существенный объем механической обработки всегда остается. Поскольку речь идет только о высокопроч­ных материалах, полученных, главным образом, намоткой и прессова­нием, то необходимые операции механической обработки рассмотрим применительно к изделиям, характерным именно для этих методов формования. Это, в первую очередь, различные по размерам оболочки, плиты и изделия относительно простой формы. Для получения оконча­тельной формы и размеров готовых изделий необходимо применять почти все существующие виды механической обработки.

Механическая обработка необходима для достижения требуемой точности и качества поверхности, получения сложных конфигураций изделия. Это вполне оправдано, особенно при сравнительно небольших объемах производства идентичных изделий, когда разработка и изго­товление сложных форм оказываются экономически невыгодными. Она необходима для разрезки изделий до требуемых размеров, а также для получения образцов, с помощью которых определяются физико-механические характеристики готовых изделий, например, оболочек из композитов.

При изготовлении изделий из композитов применяют следующие виды механической обработки: точение (наружное и подрезка торца), сверление и развертывание, фрезерование, разрезка, шлифование и нарезание резьбы.

Точение применяется для обработки сопрягаемых поверхностей оболочек, конических участков, для проточки шеек под нарезание резь­бы, а также для подрезания торцов заготовок и необходимых канавок, например, при установке уплотняющих элементов. Точение применяют и для сложного ступенчатого профиля оболочки. Кроме того, с помощью токарной обработки можно получить отдельные детали относительно небольших размеров из различных единичных заготовок.

Сверление - одна из наиболее распространенных операций меха­нической обработки композитов. В плитах и пластинах - это сверление различных отверстий под крепежные элементы и для других эксплуата­ционных целей, в оболочках - это, главным образом, сверление боль­шого количества сквозных и глухих отверстий для штифто-болтового соединения оболочки с другими элементами конструкции. При необхо­димости получения отверстий более высокой точности, а главным обра­зом, более высокого качества их поверхности, иногда применяется опе­рация развертывания.

Фрезерование применяют для прорезки пазов, вырезки окон, люч­ков, для получения различного рода канавок и уступов, причем при об­работке материалов типа стекло-, органо-, боро- и углепластиков -фрезерование концевыми, дисковыми и шпоночными фрезами и значи­тельно реже - торцовыми и цилиндрическими.

Разрезка является также весьма распространенным видом меха­нической обработки композитов. Она необходима как при получении требуемых размеров изделий, так и при изготовлении образцов для оп­ределения физико-механических характеристик композитов. При раз­резке основным требованием является требование к качеству реза ероховатости поверхности и минимальной его ширине.

Шлифование при обработке композитов применяют как отделоч­ную операцию, главной целью которой является обеспечение качества поверхности. Отсюда требования, предъявляемые к этой операции, то обеспечение требуемого параметра шероховатости поверхности. Основные виды шлифования - наружное круглое шлифование и плос­кое шлифование периферией круга.

Нарезание резьбы. В изделиях из композитов нарезают крепеж­ные резьбы - метрические и специального профиля. Нарезание метри­ческой резьбы, особенно внутренней, производят метчиками. Резьбу специального профиля, как правило, прямоугольного, нарезают абра­зивными или алмазными кругами и очень редко резцом.

 

Особенности процесса резания композитов

Обработка резанием композитов обладает рядом специфических особенностей, определяемых, главным образом, особенностью их струк­туры и свойств. В то же время процессу резания композитов сопутствуют те же явления, что и при резании металлов, т.е. наблюдаются стружкообразование, силовые и тепловые явления, интенсивное изнашивание ре­жущего инструмента. Каждое из перечисленных явлений в той или иной мере отличается от аналогичных явлений при резании металлов.

Процесс резания композитов имеет ряд особенностей:

1. Анизотропия свойств материалов. Если металлы, имеющие кристаллическое строение, с определенным допущением можно считать изотропными, то композиты, наполнителем в которых являются волок­нистые материалы различного   состава,   обладают   анизотропией свойств.  Это  определяет различие  процесса  резания,  в частности стружкообразования, при обработке вдоль и поперек армирующих волокон. Существенным образом схема армирования будет влиять и на качество получаемой поверхности, поэтому при разработке технологи­ческой операции механической обработки следует учитывать и направ­ление обработки относительно направления армирования.

2. Относительная сложность получения высокого качества поверхности. Вследствие невысоких прочностных характеристик полимерных композиционных материалов (особенно при повышенных температурах), а также из-за их слоистой структуры и в ряде случаев низкой адгезионной связи наполнителя со связующим их обработку следует производить острозаточенным инструментом. При больших затуплениях ин­струмента из-за низкой адгезии связующего с армирующим волокном при увеличении сил резания образуются трещины между волокном и связующим, происходят выкрашивания связующего с обрабатываемой поверхности изделия, особенно в местах входа и выхода инструмента, что, естественно, сказывается на качестве обработки. Слоистая структура приводит к тому, что при повышенных износах инструмента происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирую­щих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что ухудшает качество обработанной поверхности и заставляет иногда применять дополнительную отделочную операцию, например, зачистку шкуркой.

3. Высокая твердость наполнителя. Например, у материалов на основе волокон бора микротвердость наполнителя составляет 40-43 ГПа, что превосходит твердость таких инструментальных материалов, как быстрорежущие стали и твердые сплавы, и соизмерима с микротвердо­стью сверхтвердых материалов - натуральных алмазов (98,1 ГПа), синтетических алмазов АС6 (89 ГПа) и Эльбора-Р (84 ГПа). Поэтому для обработки таких материалов могут быть применены только сверхтвердые материалы (СТМ), причем и в этом случае проблема обработки не снимается,  ибо соотношение микротвердостей инструментального и обрабатываемого материалов составляет всего 2,5, тогда как для эффективного осуществления  процессов резания соотношение микро­твердостей должно составлять 4-6.

4. Низкая теплопроводность композитов. Низкая теплопроводность композитов существенно влияет на соотношение составляющих общего теплового баланса. Так, теплопроводность композитов составляет 0,14-0,50 Вт/(мК), что в несколько сот раз меньше, чем у металлов. Это обу­словливает слабый отвод теплоты со стружкой и в обрабатываемое изделие, поэтому при обработке композитов основная доля теплоты отводится через режущий инструмент. Так, расход теплоты при обработке полимерных композиционных материалов распределяется следующим образом: в инструмент - 90%, в стружку - 5%, в обрабатываемую деталь - 5%. В то же время при обработке металлов порой до 90% тепло­ты уносится стружкой и только 10% поглощается деталью и инструмен­том. Такое перераспределение расходной части теплового баланса накладывает определенные условия на применяемый режущий инструмент, который должен интенсивно отводить выделяющуюся в зоне резания теплоту.

5. Абразивное воздействие наполнителя. Из всех видов пластмасс наибольшие трудности вызывает обработка композитов, так как напол­нителем в них являются стеклянные, борные или угольные волокна, обладающие высокой твердостью и абразивной способностью. Наличие в зоне резания твердых составляющих приводит к абразивному износу инструмента, который при обработке некоторых композитов, например, боропластиков, имеет преобладающее значение. Следовательно, об­работка резанием композитов определяется во многом свойствами на­полнителя.

6. Деструкция полимерного связующего при резании. Характерной особенностью пластмасс, и композитов в частности, является наличие в материале полимерного связующего. При воздействии в процессе ре­зания механических нагрузок и выделяющейся в зоне резания теплоты происходит неизбежная деструкция связующего. Деструкция происхо­дит за счет действия больших локальных напряжений и высокой темпе­ратуры, превышающей теплостойкость полимера, и заключается в том, что происходит массовый разрыв химических связей у молекулярных цепей полимера, образуется большое количество свободных макрора­дикалов, обладающих избыточной энергией. В результате этого образу­ется вязко-текучий в микрообъемах полимер, являющийся поверхност­но-активным веществом (ПАВ). Мигрируя по поверхности механически напряженного режущего клина инструмента и по дефектам его поверх­
ности, деструктированный полимер ПАВ снижает поверхностную энер­гию металла (эффект Ребиндера), что облегчает отрыв от его поверх­ности отдельных микро- и макрочастиц. В результате этого возникает механо-химический адсорбционный износ инструмента, который харак­терен только для обработки полимерных материалов.

7. Высокие упругие свойства композитов. Композиты обладают высокими упругими свойствами, что определяет особенности процесса резания. Из-за высоких упругих характеристик обрабатываемого материала происходит упругое восстановление слоя обрабатываемого ма­териала, лежащего над поверхностью резания. Это приводит к увели­ченным площадкам контакта, и, как следствие этого, к повышенным значениям сил резания. Учет этих сил при обработке композитов необ­ходим из-за интенсивных контактных явлений на задних поверхностях инструмента (его износ происходит главным образом по задней поверх­ности и путем округления режущей кромки). Упругое восстановление обработанной поверхности следует учитывать и при оценке точности обработки. Силы резания при обработке композитов в 10-20 раз ниже, чем при аналогичной обработке металлов, а упругие характеристики выше, поэтому точность их обработки в меньшей мере определяется упругими деформациями системы станок - приспособление - инстру­мент.

8. Технологический критерий износа. Характерным при обработке композитов является технологический критерий износа инструмента. Поскольку из-за слоистой структуры материалов, а иногда из-за низкой адгезии наполнителя и связующего при обработке композитов образу­ются характерные дефекты поверхности, такие, как сколы, расслоения, разлохмачивание, прижоги, то при определении допустимого износа преобладает технологический фактор - отсутствие этих дефектов и оп­ределенный уровень шероховатости поверхности, которая существенно зависит от степени износа инструмента. Поэтому допустимый износ ин­струмента при обработке композитов всегда ниже, чем при аналогичной обработке металлов и оценивается по технологическим факторам, оп­ределяющим качество поверхности.

9. Специфика процесса стружкообразования. При обработке компо­зитов иначе, чем у металлов, происходит процесс стружкообразования, что объясняется, в первую очередь разницей их структур. Анизотропия свойств композитов определяет иные процессы стружкообразования и при резании в разных (по отношению к направлению армирования) на­правлениях. Высокие упругие свойства материала определяют процесс разрушения материала, который носит хрупкий характер. Получение в ряде случаев мелкодисперсной стружки ставит вопросы ее удаления и защиты от ее воздействия на обслуживающий персонал.

10. Низкая теплостойкость композитов. Существенной особенно­стью композитов является их низкая теплостойкость. В зависимости от типа  связующего теплостойкость этих  материалов  составляет  160-300°С. При температурах выше указанных происходит выгорание свя­зующего, на поверхности обработанной детали появляются прижоги. Поэтому уровень температур в зоне резания должен быть значительно меньше, чем при обработке металлов. Это усугубляется еще и тем, что в большинстве случаев не допускается применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Как известно, композиты обладают таким свойством, как влагопоглощение, поэтому применение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительной операции – сушки изделия. Следовательно, чаще всего приходится предусматривать ме­ханическую обработку изделий из композитов без применения СОЖ.

11. Выделение мелких частиц материала при резании. Обработка резанием композитов сопровождается выделением мельчайших частиц наполнителя, смешанного со связующим, выделением летучих, порой токсичных веществ, поэтому требования техники безопасности и произ­водственной санитарии также будут носить специфический характер.

Перечисленные особенности обработки резанием композитов пока­зывают, что простой перенос закономерностей процесса резания ме­таллов на эти материалы недопустим.

Процесс стружкообразования при резании композитов

Стружкообразование в значительной степени определяет процесс резания в целом и его результаты. От процесса стружкообразования зависят сила резания, расход энергии и количество выделяющейся те­плоты, точность и качество обработки, условия работы инструмента и станка. Характер стружкообразования и типы получающейся стружки во многом определяются свойствами обрабатываемого материала. Компо­зиты представляет собой гетерогенную композицию, состоящую из ар­мирующих волокон и полимерного связующего, причем механические свойства (прочность, твердость и т.п.) армирующих волокон на несколь­ко порядков выше, чем у полимерного связующего.

Механизм процесса стружкообразования определяется закономер­ностями деформации и разрушения. Необходимым условием стружко­образования является доведение обрабатываемого материала по ли­нии среза до разрушения, которое практически происходит после пре­одоления предела упругости без пластического деформирования. Т.е. характерным для процесса резания композитов является то, что
стружка образуется вследствие преодоления упругих деформаций. Об­рабатываемый материал, упруго сжатый в момент резания, затем упру­го восстанавливается.

Механизм стружкообразования при резании композитов можно представить следующим образом. Под действием механических напря­жений в зоне наибольших касательных напряжений (ее принимают за условную плоскость сдвига) протекают периодические сдвиговые явле­ния, приводящие к упругому разрушению обрабатываемого материала и формированию, в зависимости от условий обработки и схемы армиро­вания материала, стружки того или иного вида.

Тепловые явления при резании композитов

Специфика свойств обрабатываемых материалов определяет и особенность тепловых явлений при их резании. В отличие от металлов композиты обладают низкой теплостойкостью. Так, при температурах выше 300-350°С начинаются интенсивная термодеструкция и разложе­ние полимерного связующего. Это приводит к резкому ухудшению свойств материала, появлению прижогов и большого по величине де­фектного слоя. Поэтому обработку следует вести при таких режимах, чтобы температура материала не превышала 300°С.

Теплота, образующаяся при резании, является результатом, рабо­ты деформаций, трения стружки и обрабатываемой детали о переднюю и заднюю поверхности инструмента, механических превращений поли­мера, разрушения армирующих волокон.

Основным источником теплоты являются контактные явления и трение по задней поверхности инструмента.

Выделившаяся в зоне резания теплота расходуется между инстру­ментом, стружкой, обрабатываемой деталью и окружающей средой, причем отвод теплоты в окружающую среду весьма мал и им можно пренебречь.

Концентрация теплоты в инструменте приводит к значительному повышению температуры на его режущих кромках, что нельзя не учиты­вать при выборе инструментального, материала и оценки интенсивно­сти изнашивания инструмента.

С увеличением времени работы, а следовательно, и нарастанием износа температура в зоне резания, главным образом, на режущих кромках инструмента возрастает и может достигать 600°С.

Износ режущего инструмента при резании композитов

Обработка резанием композитов сопровождается интенсивным из­нашиванием режущего инструмента, причем его характер отличается от изнашивания инструмента при резании металлов. Это объясняется, в первую очередь, особенностями свойств и структуры самих обрабаты­ваемых материалов. Известно, что изнашивание инструмента при реза­нии материалов носит комплексный характер, т.е. абразивно-меха­ническое, диффузионное, адгезионное, усталостное, химическое и дру­гие виды изнашивания, причем в зависимости от условий обработки превалирует тот или иной вид изнашивания, который и является опре­деляющим.

Особенности свойств композитов и их обработки резанием опреде­ляют и особенности изнашивания инструмента. Так, диффузионный из­нос при обработке резанием композитов отсутствует, так как для его протекания требуются температуры более 900°С, в то время как в зоне резания при обработке композитов температуры резания составляют 500-600°С. Наличие полимерного связующего и его неизбежная дест­рукция при резании приводят к появлению в зоне резания поверхност­но-активных веществ (ПАВ), интенсифицирующих, процесс изнашива­ния.

 

Влияние механической обработки на свойства композитов

Качество поверхности при обработке композитов

Качество поверхности играет исключительно важную роль в обес­печении высоких эксплуатационных показателей изделий. Внешним воздействиям, в первую очередь, подвергаются поверхности изделий, при этом износ трущихся поверхностей, зарождение трещин и другие процессы протекают на поверхности изделия и в некотором прилегаю­щем слое. Качество поверхности - это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала.

Качество обработанной поверхности любых материалов характе­ризуется большим количеством различных параметров, которые можно разделить на две группы: физико-химические и геометрические пара­метры, причем в зависимости от свойств материала и методов обработ­ки наиболее существенное влияние на эксплуатационные характери­стики изделий оказывают те или иные из них.

В процессе изготовления и эксплуатации изделия на его поверхно­сти возникают неровности: в слое материала, прилегающем к ней, из­меняются структура, химический состав. Неровности на поверхности, структура и химический состав поверхностного слоя изменяют физико-химические и эксплуатационные свойства изделий. Поверхностный слой оказывает существенное влияние на многие эксплуатационные свойства изделий: прочность, трение и износ, диэлектрические показа­тели, влагопоглощение и т.д. Для композитов, обладающих специфиче­скими свойствами, в первую очередь, из-за своей структуры, анизотроп­ности, наличия армирующих элементов, механическая обработка порой весьма существенно изменяет свойства их поверхностного слоя, а сле­довательно, и эксплуатационные показатели.

При механической обработке композитов происходит нарушение целостности поверхностного слоя как за счет снятия имеющегося на поверхности отформованного изделия слоя полимеризованного свя­зующего, выполняющего защитную функцию от воздействия внешних факторов (например, влаги), так и за счет перерезания армирующих волокон.

Перерезание армирующих волокон при обработке резанием и такие процессы, как деструкция полимера, приводят к снижению прочности изделий, причем это снижение достигает порой существенных величин (до 20%). Этот вопрос имеет важное значение для обеспечения тре­буемых эксплуатационных характеристик, так как прочность в ряде слу­чаев является основным эксплуатационным требованием, например, для оболочек из ВКПМ, находящихся под внутренним давлением. Сни­жение прочности при обработке резанием сказывается и при изготовле­нии специальных образцов для исследования физико-механических ха­рактеристик изделий.

Перерезание армирующих волокон и снятие поверхностного слоя полимеризованного связующего интенсифицирует процесс водопоглощения материала. Характерной особенностью композитов является их склонность к поглощению влаги, что приводит, в свою очередь, к изме­нению размеров изделий и снижению их физико-механических характе­ристик. Это в итоге влияет на эксплуатационные показатели. Установ­лено, что после механической обработки, особенно если обработку производят с применением СОЖ, водопоглощение материала резко увеличивается, что вызывает порой необходимость для обеспечения требуемых эксплуатационных показателей вводить дополнительную операцию сушки изделий после обработки.

При обработке резанием композитов за счет больших контактных площадок на задней поверхности инструмента и действия высоких тем­ператур в зоне резания неизбежно происходит механо- и термодеструк­ция полимерного связующего, а в таких материалах, как органопластики, где наполнителем также является полимер, - и полимерного наполни­теля. Наличие нарушенного слоя на поверхности обработанного изде­лия изменяет его эксплуатационные показатели, в частности сопротив­ление истиранию, изменяют диэлектрические показатели материала.

Влияние механической обработки на показатели качества поверх­ности изделий из композитов носит комплексный характер. Например, шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение и прочност­ные характеристики, так и на другие показатели качества (износостой­кость, аэродинамические характеристики и т.д.).

Водопоглощение композитов

Одним из специфических свойств композитов как конструкционных материалов является их склонность к водопоглощению, что приводит, в свою очередь, к изменению их физико-механических свойств, а порой к изменению размеров и формы готовых изделий. Водопоглощение зави­сит от многих факторов: видов полимерного связующего и волокнистого наполнителя, степени наполнения, формы, размера и взаимного распо­ложения частиц наполнителя, технологии изготовления, длительности увлажнения, состояния поверхности, остаточных напряжений.

Наиболее склонными к водопоглощению являются стеклопластики. Вода проникает в материал вследствие нарушения его структурной сплошности за счет имеющихся дефектов, к числу которых следует от­нести: микропоры, трещины, капилляры, полости, дефекты на границе раздела фаз. Микроскопический анализ показывает, что волокна окру­жены воздушными полостями и включениями, мелкие включения со­единены между собой и образуют непрерывные пути на поверхности раздела. Влага легко мигрирует по системе этих включений.

Таким образом, водопоглощение происходит путем заполнения дефектов материала, в результате чего происходит растрескивание связующего в местах концентрации остаточных напряжений, ослабле­ние адсорбционного воздействия на границе волокно-смола, а значит, и прочности материала. Возникающие трещины перпендикулярны оси волокна, что приводит к уменьшению эффективной длины волокна, а следовательно, и снижению его прочности. Наблюдаются трещины и вдоль поверхности раздела волокно-полимер, что ослабляет связь во­локна со связующим и ухудшает физико-механические свойства мате­риала.

Механическая обработка изделий из композитов интенсифицирует процесс водопоглощения. Это происходит за счет того, что при обра­ботке, во-первых, снимается всегда имеющийся на поверхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитным слоем, во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя, при этом образуются микротрещины и другие дефекты материала, нарушающие его сплошность. Если же при обработке применяют СОЖ, то процесс водопоглощения ускоряется еще больше.

Прочностные характеристики изделий

При механической обработке композитов происходит нарушение целостности поверхностного слоя изделия, снимается наружный слой полимеризованного связующего, перерезаются армирующие волокна.

Все это вместе с неизбежной механо- и термодеструкцией связующего в поверхностном слое может привести к снижению прочностных харак­теристик изделий. Основное влияние на прочностные характеристики изделий из композитов оказывает качество обработки, т.е. высота полу­чающихся после обработки микронеровностей поверхности.

На практике это возможное снижение прочности необходимо знать по двум основным причинам. Во-первых, зная зависимость снижения прочности от высот микронеровностей обработанной поверхности, можно путем подбора геометрии инструмента и режимов резания обес­печить его минимальное значение. Во-вторых, о прочности некоторых изделий судят по результатам испытаний стандартных образцов. Сле­довательно, эти образцы необходимо обрабатывать так, чтобы сниже­ние прочности от механической обработки было минимальное и полу­ченные при испытаниях значения физико-механических характеристик были наиболее близки к действительным.

 

Точение изделий из композитов

Токарная обработка является одним из распространенных видов обработки изделий из композитов и представляет собой часть техноло­гического процесса получения готовых изделий, причем ее применяют не только для обработки деталей типа оболочек, но и таких деталей, как втулки, кольца, заглушки и т.п. Однако в большинстве случаев при об­работке изделий из стекло-, угле-, органо- и боропластиков заготовка имеет вид оболочки. Обработку производят на универсальных токарно-винторезных станках и на специальных станках, главным образом, для оболочек большого диаметра.

Точение изделий из стекло- и углепластиков

Обрабатываемости стекло- и углепластиков весьма близки, однако при равных прочих условиях лучшей обрабатываемостью обладает уг­лепластик, поэтому рекомендованные для обработки стеклопластика оптимальные режимы при условии соблюдения той же стойкости инст­румента могут быть увеличены не менее чем на 20-25%.

Как известно, процесс точения характеризуется материалом и гео­метрическими параметрами резца, интенсивностью и критерием его изнашивания, режимами резания и качеством обработанной поверхно­сти, тепловыми и силовыми показателями.

Оптимизация всех условий позволяет наиболее рационально по­строить технологический процесс токарной обработки.

Материал режущей части резцов. Наиболее оптимальным инст­рументальным материалом при обработке композитов является вольфрамо-кобальтовый твердый сплав. Если пластмассы, не содержащие абразивного наполнителя, можно успешно обрабатывать резцами из быстрорежущих, а в ряде случаев и из легированных сталей, то компо­зиты, армирующим элементом в которых является абразивный матери­ал, например, стекло, наиболее эффективно обрабатывают твердым сплавом. Это объясняется низкой износостойкостью и сравнительно невысокой твердостью быстрорежущих сталей, а также их низкой теп­лопроводностью - в три-четыре раза меньшей, чем у твердых сплавов. В то же время для обработки стеклопластиков, имеющих низкую тепло­проводность, необходимо иметь инструментальный материал с высокой теплопроводностью. Это тем более важно, потому что стеклопластики, являющиеся термореактивными материалами, допускают в зоне реза­ния температуры, не превышающие 200-300°С, выше этих температур происходит их размягчение и выгорание, а также интенсивная термоде­струкция связующего.

Важным свойством инструментального материала является его из­носостойкость, так как высокие упругие свойства обрабатываемого ма­териала и его абразивная способность весьма интенсивно изнашивают резец. Кроме того, при обработке композитов большое значение для увеличения стойкости резца имеет его заточка с минимальным радиу­сом округления режущей кромки. Поскольку разные инструментальные материалы имеют различные минимальные радиусы округления режу­щей кромки при заточке, то оптимальным будет тот, который позволяет получить минимальные значения радиуса закругления режущей кромки.

Анализ существующих инструментальных материалов показывает, что наиболее близко предъявляемым требованиям отвечают вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы. Так, теплопроводность вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов в 1,6-2,6 раза выше, чем у титановых твердых сплавов, а это означает, что их стойкость при одинаковой твердости различается порой в шесть раз.

Эффективным при чистовой обработке стеклопластиков является применение алмазных резцов. Вследствие высокой твердости алмаз обладает высокой износостойкостью и, в зависимости от характера на­грузки, при трении износостойкость алмаза в десятки, а то и в сотни раз превышает износостойкость других твердых материалов. Однако наря­ду с высокой твердостью и износостойкостью алмаз обладает повы­шенной хрупкостью, поэтому применение алмазных резцов ограничено. Их эффективно можно применять лишь при чистовой обработке, при работе с малыми сечениями среза. Наиболее эффективно применение алмазных резцов из синтетических алмазов марок АСПК (при глубине резания не более 1 мм) и АСБ (при глубине резания не более 2 мм).


Точение изделий из органопластиков

Обработка органопластика отличается от обработки других компо­зитов, таких, как стекло- и углепластики, в первую очередь, из-за свое­образия его состава. Органопластики - это композиционные материа­лы, представляющие собой полимер, наполненный полимером. По­скольку плотность органических волокон в два-три раза ниже плотности минеральных, удельные значения их прочности и жесткости сравни­тельно высоки.

Обладая низкой твердостью, органическое волокно не вызывает интенсивного абразивного износа режущего инструмента при механиче­ской обработке органопластиков, что имеет место при обработке стек­ло- и углепластиков. В то же время механическая обработка, в частности точение органопластиков, затруднена. Главная трудность состоит в получении качественной обработанной поверхности.

В процессе обработки на обработанной поверхности появляются задиры и разлохмачивание. При использовании резцов со стандартной заточкой обработанные поверхности изделий из органопластиков обыч­но как бы покрыты «ворсом» органических волокон. Причем ворсинки могут достигать длины до 5 мм. Особенно часто это встречается при обработке изделий с перекрестным расположением армирующих воло­кон.

Обработку органопластика благодаря низкой твердости армирую­щих волокон можно производить резцами не только из вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов, но и резцами из быстрорежущих сталей.

Если при обработке стекло- и углепластиков схема армирования материала практически не влияет на обрабатываемость, в частности на качество получаемой поверхности, то при обработке органопластика она играет существенную роль, которую нельзя не учитывать, особенно при заточке резцов.

Точение изделий из боропластика

По своим физико-механическим характеристикам боропластик за­нимает особое место в ряду композитов, в первую очередь, из-за весь­ма высокой твердости армирующих волокон.

Применение изделий целиком из боропластика нецелесообразно, однако применяют гибридные материалы, в которых волокна бора уве­личивают жесткость в необходимом направлении. Обработка боропла­стика представляет собой весьма серьезную проблему. Это объясняет­ся тем, что микротвердость волокон бора (40-43 ГПа) превосходит твердость таких инструментальных материалов, как быстрорежущие стали и твердые сплавы, и соизмерима с микротвердостью сверхтвер­дых материалов (СТМ) - натуральных алмазов (98,1 ГПа), синтетиче­ских алмазов АС6 (89 ГПа) и эльбора (84 ГПа). Поэтому для точения боропластика могут быть применены только сверхтвердые материалы, причем и в этом случае проблема обработки не снимается, ибо соотно­шение микротвердостей инструментального и обрабатываемого мате­риалов составляет всего 2,5, тогда как для эффективного осуществле­ния процесса резания это соотношение микротвердостей должно со­ставлять 4-6.

Нарезание резьбы на изделиях из стеклопластика

При соединении изделий из композитов применяют как традицион­ные, так и специальные виды соединений. Одним из часто встречаю­щихся методов соединения является резьбовое, однако из-за специфи­ческих свойств композитов оно имеет свои конструктивные особенно­сти. Так, применение резьбы треугольного профиля, в частности метри­ческой, не всегда оправдано вследствие ее малой прочности, объяс­няемой малой прочностью этих материалов на срез. Поэтому при резь­бовом соединении изделий из композитов с металлическими в боль­шинстве случаев применяют резьбы прямоугольные или упорные с не­симметричным профилем, рассчитанным из условия равнопрочности резьбы.

Получение резьбы на изделиях из ВКПМ может быть обеспечено различными методами: нарезанием, формованием, прессованием и т.д. Нарезание резьбы, в свою очередь, может быть произведено резцом или специальными инструментами (метчиками, плашками, фрезами и т.п.).

 

Сверление изделий из композитов

Одной из наиболее часто встречающихся и в то же время наиболее трудоемкой операцией при обработке композитов является операция сверления. Достаточно отметить, что трудоемкость сверлильных опе­раций на некоторых изделиях достигает 70-80% от общей трудоемкости процесса механической обработки. Естественно, что в этих условиях неправильный выбор режущего инструмента и режимов резания приво­дит к значительным издержкам.

Сверление отверстий в композитах производят как в направлении армирующих волокон, так и перпендикулярно им, причем бывает свер­ление отверстий сквозных и глухих. У глухих отверстий торец должен быть перпендикулярен оси.

Выбор марки инструментального материала при сверлении практи­чески ничем не отличается от выбора марки материала при точении, поэтому сверление отверстий в стекло-, угле- и органопластиках воз­можно сверлами из быстрорежущих сталей и твердых вольфрамо-кобальтовых сплавов. При сверлении боропластиков применение быст­рорежущих сталей из-за большой твердости армирующих борных воло­кон недопустимо, а применение твердосплавных сверл оправдано лишь при сверлении единичных отверстий.

Геометрические параметры сверл оказывают большое влияние на точность и качество обработанной поверхности, стойкость и прочность инструмента, составляющие усилий резания и деформацию, поэтому выбор их оптимальных величин имеет большое практическое, значение.

В таблицах 1 и 2 приведены рекомендуемые формы заточки режу­щей части и конструкции сверл из быстрорежущих сталей и из твердых сплавов.

 

Таблица 1. Рекомендуемые формы заточки режущей части

и конструкции сверл из быстрорежущих сталей

Форма режущей части

Эскиз заточки режущей части

Рекомендации по применению

Спиральная с нормальной

заточкой

Стекло- и углепластик

Спиральная с подрезающими

режущими кромками

Стекло- и углепластик,

глухие отверстия

 

Таблица 2. Рекомендуемые формы заточки режущей части

и конструкции сверл из твердых сплавов

Форма режущей части

Эскиз заточки режущей части

Рекомендации по применению

Спиральная с нормальной

заточкой

Стекло- и угле- и боропластик

Спиральная с подрезающими

режущими кромками

Стекло- и угле- и боропластик,

глухие отверстия

 

Повышение производительности и качества сверления композитов возможно путем применения алмазного сверления. В отличие от тради­ционных материалов, композиты имеют все специфические особенно­сти, присущие как армирующим волокнам, так и полимерной матрице. С точки зрения механической обработки, влияние связующего сказы­вается, в первую очередь, на ограничении интенсивности обработки по температуре в зоне резания. С этой точки зрения наилучшим инстру­ментальным материалом является алмаз. Обладая самой высокой твердостью, алмаз имеет коэффициент трения по пластмассе значи­тельно меньший, а коэффициент теплопроводности больший, чем у твердых сплавов. Алмазное сверление повышает производительность труда, уменьшает расход режущего инструмента и улучшает качество обработанной поверхности.

 

Фрезерование изделий из композитов

При обработке композитов, таких, как стекло-, угле-, органо- и боропластиков, фрезерование не является определяющей операцией и встречается значительно реже, чем точение, сверление или разрезка. Из композитов изготавливают, главным образом, оболочки, реже - пли­ты и листы, поэтому фрезерование необходимо лишь в том случае, когда нужно обработать пазы, окна, лючки и т.п. Поэтому чаще всего при фрезеровании применяют концевые, дисковые и торцовые фрезы и ре­же - цилиндрические.

Что касается материалов режущей части фрез, можно рекомендо­вать применение фрез из твердых сплавов группы ВК или фрез из сверхтвердых материалов СТМ. Применение фрез из быстрорежущих сталей из-за их низкой стойкости неоправданно и может быть рекомен­довано только в единичном производстве.

Из-за специфических особенностей композитов их фрезерование обладает рядом характерных особенностей, отличающих его от анало­гичного фрезерования металлов. Это, в свою очередь, приводит к неко­торому конструктивному отличию фрез, которое определяется, главным образом, требованиями, предъявляемыми к фрезерованию композитов.

Основные требования к фрезерованию композитов сводятся к сле­дующему:

1) диаметр фрез может быть существенно увеличен, так как силы резания значительно меньше, чем при обработке металлов;

2) возможно применение больших минутных подач и подач на зуб, поэтому число зубьев у фрез должно быть минимальным, что обеспечит большие значения подачи на зуб фрезы;

3) объем пространства для размещения стружки должен быть уве­личен по сравнению с фрезами для обработки металлов, что объясня­ется особенностями стружкообразования;

4) направление вращения фрезы должно совпадать с направлени­ем подачи, особенно при обработке слоистых материалов, чтобы не было их сколов, расслоения, разлохмачивания.

Для рассматриваемых композитов фрезерование твердосплавными фрезами возможно, главным образом, стекло- и углепластиков и в какой-то мере органопластиков. Фрезерование боропластиков твердосплавны­ми фрезами практически невозможно из-за их катастрофически быстрого изнашивания. Так, при фрезеровании пазов в боропластике шпоночными твердосплавными фрезами стойкость их не превышала одной минуты, причем фреза изнашивалась до такой степени, что ее восстановление было практически невозможно.

Конструкции фрез для обработки стекло- и углепластиков и их оп­тимальные геометрические параметры приведены на рис. 1-3.

 

Рис. 1. Дисковая фреза

 

Рис. 2. Торцовая фреза

 

Рис. 3. Концевая фреза

 

Алмазно-абразивная обработка изделий из композитов

В целях устранения интенсивного изнашивания инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов порой необходимо приме­нять при обработке изделий из композитов алмазно-абразивный инст­румент. Применение такого инструмента целесообразно тогда, когда он является единственно возможным (обработка боропластиков), а также в следующих случаях:

- при обработке наружных поверхностей оболочек, когда следует снять небольшую толщину, главным образом, полимеризованного свя­зующего, обеспечив высокое качество обработанной поверхности;

- при  изготовлении образцов для  исследования физико-меха­нических характеристик;

- при разрезке изделий из композитов и нарезании резьбы.

Шлифование как метод обработки изделий из композитов наиболее целесообразно применять в двух случаях. Во-первых, при наружной об­работке - круглое продольное шлифование, когда необходимо обеспе­чить высокое качество поверхности при отсутствии сколов, расслоений, разлохмачивания и других дефектов. Обработка по своему характеру чистовая, с глубинами резания до 1 мм. Как правило, в этом случае снимается верхний слой полимеризованного связующего с минималь­ным нарушением армирующих волокон. Во-вторых, при изготовлении образцов для исследования физико-механических характеристик мате­риала, в данном случае применяется схема плоского шлифования пе­риферией круга. Толщина снимаемого слоя невелика и не превышает 0,5-1,0 мм. Требования к качеству обработанной поверхности высоки и аналогичны первому случаю.

В то же время, обработка шлифованием обладает рядом положи­тельных качеств, особенно в тех случаях, когда при снятии относитель­но небольшого припуска (не более 1 мм) следует получить достаточно высокое качество поверхности. При обработке композитов шлифовани­ем обработанная поверхность имеет меньший дефектный слой и малую высоту микронеровностей. Поэтому изделия, обработанные шлифова­нием, обеспечивают более надежную и долговечную работу конструк­ций, чем аналогичные, обработанные лезвийным инструментом.

При определении физико-механических характеристик изделий из композитов с помощью образцов, полученных шлифованием, их вели­чины более близки к действительным, чем у образцов, полученных лез­вийным инструментом, например, фрезерованием.

Как известно, производительность шлифования, качество шлифо­ванных поверхностей, расход абразивного или алмазного инструмента определяются, главным образом, стойкостью круга, т.е. периодом вре­мени между его двумя правками. Она является основным эксплуатаци­онным свойством, характеризующим шлифовальный круг. Под стойко­стью шлифовального круга понимают его способность противостоять процессам затупления его режущих зерен, налипанию материала на рабочую поверхность и изменению его геометрической формы. Рабочая поверхность круга характеризуется макро- и микрогеометрией. Под макрогеометрией понимают правильность его геометрической формы, а под микрогеометрией - размер абразивных зерен, их форму, углы и ра­диусы закругления вершин и т.д. При обработке композитов происходят изменения макро- и микрогеометрии, причем характерным для шлифо­вания этих материалов является смешанное изнашивание круга, заклю­чающееся в откалывании от зерен небольших частиц, выпадении целых зерен из-за интенсивно истирающейся связки, затуплении зерен и по­рой интенсивном забивании пор стружкой и продуктами деструктированного полимера.

Производительность шлифования, качество поверхностного слоя, стойкость круга, силы резания и температура в зоне резания зависят от зернистости круга, вида связки, ширины круга, концентрации (для алмазных и эльборовых кругов), свойств обрабатываемого материала и режимов резания.

Важнейшим фактором при назначении характеристик шлифовального круга и режимов обработки является стойкость. Износ шлифоваль­ного круга может происходить как за счет его засаливания, главным об­разом, продуктами деструктированного полимера, так и за счет измене­ния геометрической формы круга, что влияет на точность и качество поверхности. Кроме того, в процессе обработки происходит затупление зерен, отрыв их отдельных частиц из-за имеющихся дефектов типа микротрещин, а также вырыв отдельных зерен вследствие интенсивно­го истирания связки круга.

Установлено, что для шлифования изделий из стеклопластиков наиболее применимы круги из эльбора с частотой вращения - 2500-3000 об/мин. Наиболее сложным является шлифование органопластика. Применяется, главным образом, для изготовления образцов для прове­дения испытаний по определению физико-механических характеристик. В процессе шлифования происходит интенсивное засаливание круга и, как следствие этого, получение поверхности невысокого качества, с ворсистостью и прижогами. Поэтому требуется частая правка круга. Процесс усугубляется и тем, что в большинстве случаев применение охлаждающей жидкости недопустимо.

 

Разрезка изделий из композитов

Разрезку изделий из композитов применяют для получения тре­буемых размеров и форм изделий из листовых материалов, плит и обо­лочек.

Разрезка подобных материалов может быть произведена ленточ­ными и дисковыми пилами, дисковыми фрезами, абразивными и алмаз­ными кругами, струями жидкости высокого давления, лазерным лучом. Однако, если иметь в виду разрезку таких высокопрочных и труднооб­рабатываемых материалов, как стекло- и органопластики, то далеко не все из рекомендуемых методов могут быть эффективно применены. Так, ленточные и дисковые пилы, дисковые фрезы (даже твердосплав­ные) обладают весьма низкой стойкостью, разрезка с их помощью ма­лопроизводительна и не обеспечивает требуемого качества реза. Не всегда эффективна разрезка с помощью струй жидкости высокого дав­ления и лазерным лучом, особенно при больших толщинах (более 10 мм) разрезаемого материала. Поэтому наиболее эффективный ме­тод разрезки композитов - разрезка абразивными и алмазными кругами.

Разрезка изделий из стекло- и углепластиков абразивными кругами является одним из методов, обеспечивающих удовлетворительное ка­чество реза при относительно высокой производительности по сравне­нию с разрезкой твердосплавными фрезами. Для разрезки рекоменду­ется применять абразивные круги из карборунда на вулканитовой и, главным образом, на бакелитовой связках. Толщина круга 1-4 мм. Час­тота вращения 2500-3500 об/мин.

Характерной особенностью процесса разрезки стеклопластиков аб­разивными кругами является их интенсивное изнашивание, которое за­ключается как в выпадении отдельных зерен из-за интенсивного исти­рания связки, так и в изнашивании самих зерен из-за сильного абразив­ного воздействия наполнителя обрабатываемого материала. Кроме то­го, круг весьма интенсивно засаливается связующим и продуктами де­струкции полимера. Интенсивность засаливания падает пря обильном охлаждении обычной водой. Однако стеклопластики обладают свойст­вом водопоглощения, что приводит к изменению их характеристик. По­этому использование охлаждения в ряде случаев недопустимо, что су­щественно ограничивает область применения для разрезки абразивных кругов. В то же время, использование для разрезки стеклопластиков алмазных отрезных кругов показывает, что применение алмазного ин­струмента по сравнению с абразивным дает увеличение скорости, а следовательно, и производительности в 1,5-3 раза и стойкости в десят­ки раз при улучшении качества обработки. Кроме того, алмазные отрез­ные круги позволяют производить разрезку без охлаждения жидкостью. Поэтому наиболее целесообразным методом разрезки стекло- и угле­пластиков является разрезка алмазными отрезными кругами.

Разрезка изделий из боропластиков и гибридных материалов с до­бавлением слоев боропластика значительно затруднена по сравнению с разрезкой стекло- и углепластиков. Это объясняется чрезвычайно вы­сокой твердостью борных волокон, соизмеримой с твердостью таких абразивных материалов, как карбид кремния. Применение для разрезки боропластиков дисковых фрез (твердосплавных) и отрезных кругов из электрокорунда и карбида кремния недопустимо из-за их весьма низкой стойкости. Так, абразивные отрезные круги буквально на первых мину­тах работы интенсивно изнашиваются, теряя форму, что немедленно сказывается на качестве обработанной поверхности.

Наиболее производительно разрезку можно производить кругами из синтетических алмазов марок АС6 и АС15 на металлической связке М1. Зернистость кругов должна быть не ниже 250/200 с концентрацией 50-100%. Желательно применение обильного охлаждения. Рекомен­дуемая частота вращения круга 7000-9000 об/мин (при диаметре отрезного круга 200 мм), что соответствует скоростям резания до 70 м/с. Из­нашивание круга при разрезке боропластика происходит более интен­сивно, чем при разрезке стекло- и углепластика, причем износ зерна до его полного выпадения из поверхности круга достигает 40-50%.

Если разрезка стекло-, угле- и боропластика имеет много общего и отличается, главным образом, интенсивностью изнашивания алмазного отрезного круга, то разрезка органопластика обладает рядом специфи­ческих особенностей, объясняемых, в первую очередь, своеобразием состава органоволокнитов, представляющих собой полимер, наполнен­ный полимером. Высокая вязкость материала, сравнительно низкая те­плопроводность, повышенная теплоемкость значительно осложняют обработку. А отсутствие в составе органопластика абразивного напол­нителя определяет несколько другую природу износа абразивных и ал­мазных отрезных кругов.

Если при разрезке композитов с абразивным наполнителем изна­шивание круга происходит, главным образом, за счет истирания связки и выпадения отдельных зерен при сравнительно малом засаливании круга, то при резке органопластика основной причиной потери кругом режущей способности является его интенсивное засаливание - налипа­ние на поверхности зерен и в межзерновом пространстве продуктов разрушения материала и деструкции полимера.

Низкая теплопроводность материала (уже на расстоянии 0,15-0,20 мм от зоны резания температура материала близка к температуре окружающей среды) требует применения при разрезке обильного охла­ждения. Это вполне осуществимо при разрезке органопластика, так как этот материал обладает значительно большей водостойкостью по сравнению с другими композитами.

Использование для разрезки твердосплавных дисковых фрез неце­лесообразно из-за низкой производительности процесса и невысокого качества разрезки.


Нарезание резьбы абразивными и алмазными кругами

Нарезание резьбы однолезвийным инструментом обладает рядом существенных недостатков:

1) интенсивное выкрашивание микрочастиц твердого сплава резца в начале работы, что приводит к ухудшению качества обработанной поверхности и в некоторых случаях к искажению профиля резьбы;

2) недостаточная производительность процесса, так как резьба на­резается за несколько проходов;

3) невысокая стойкость резцов;

4) наличие разлохмачивания обработанной резьбы, что вызывает необходимость дополнительной операции - зачистки резьбы;

5) сложность заточки специальных резьбовых резцов.

Таким образом, нарезание резьбы на изделиях из композитов це­лесообразно производить кругами из синтетических алмазов АС6 или АС15 зернистостью 200/160, концентрацией 50-100% на связке М1. Преимущества этого метода нарезания следующие:

- снижение основного и вспомогательного времени за счет уменьшения числа проходов и времени на переточку инструментов;

- отсутствие дефектов обработки в виде сколов и разлохмачива­ний;

- высокая стойкость алмазного круга;

- полное исключение операции зачистки резьбы;

- возможность практически полного удаления мелкодисперсной стружки путем постановки в узкой зоне ее удаления эффективной вы­тяжной вентиляции, что уменьшает запыленность рабочих помещений и улучшает условия труда.

Возможно нарезание резьбы по методу скоростного шлифования, в соответствии с которым применяют диски (круги), изготовленные из ме­ди, алюминия и других материалов, более мягких, чем материал обра­батываемой детали. На периферии такого диска делают, например, с помощью накатки, множество равномерно расположенных мелких ра­диальных выступов в виде пирамид, сплошных ребер и других формо­образований. Обработку такими дисками ведут с чрезвычайно большой окружной скоростью (частота вращения диска до 30000 об/мин). При такой скорости материал диска с низкой собственной твердостью обес­печивает износостойкость, достаточную для обработки твердых мате­риалов. Скорость должна быть тем больше, чем выше твердость обра­батываемого материала и чем ниже твердость материала диска.

Площадь контакта выступа диска с заготовкой весьма мала, и по­этому концентрация кинетической энергии, обеспечивающей ударную нагрузку, очень велика. Выступ диска, ударяя по заготовке, не снимает с нее стружку как при обычном резании, а выбивает мельчайшие части­цы, образующие мелкодисперсный порошок. Время контактирования выступов диска с деталью настолько мало, что количество образую­щейся теплоты незначительно, и диск существенно не нагревается, по­этому обработку можно вести без охлаждения. Деталь подвержена теп­ловым деформациям и растрескиванию меньше, чем обычно, что при­водит к повышению точности обработки. Изношенный диск может быть легко восстановлен с помощью накатки.

 

Основные требования охраны труда и техники безопасности при обработке композитов

Обработка резанием композитов сопровождается обильным выде­лением большого количества стружки и пыли. Частички разрушенного армирующего материала (стекло, угольные и борные волокна и т.п.), смешанные с частицами затвердевшего связующего, рассеиваются в воздухе и загрязняют его.

При механической обработке изделий из композитов их исходные компоненты подвергают как совместному, так и раздельному тепловому и механическому воздействию, параметры которого варьируются на различных стадиях обработки. При этом происходят химические и фи­зико-химические превращения композита, которые сопровождаются вы­делением или образованием различных низкомолекулярных соединений, а также продуктов механической и термоокислительной деструкции, за­грязняющих окружающую среду и вредно воздействующих на людей. Механическая обработка сопровождается выделением мелкодисперс­ной пыли, содержащей частицы стекла, угля, бора и затвердевшего связующего. Из рабочей зоны эти частицы во взвешенном состоянии могут распространяться по всему производственному помещению. Ме­ханические частицы оказывают сильное раздражающее действие, а не­которые виды - и токсическое воздействие на дыхательные пути чело­века, а также легко внедряются в кожный покров, могут проникать в кровь.

Максимально допустимая концентрация стеклянной пыли в произ­водственном помещении не должна превышать 4 мг/м3. Установлено, что при отсутствии в производственном помещении специальной при-точно-вытяжной вентиляции концентрация стеклопыли может достигать 100-130 мг/м3.

Основными правилами техники безопасности при обработке реза­нием композитов, кроме общих для всех видов станочной обработки правил, будут являться следующие:

1) композиты необходимо обрабатывать в отдельном помещении;

2) в помещении должна быть приточно-вытяжная вентиляция и ин­дивидуальная вытяжная вентиляция к каждому станку;

3) рабочие должны пройти медицинский осмотр и инструктаж, иметь спецодежду, которую хранят в специальном шкафу;

4) после работы спецодежду следует очищать с помощью пылесоса;

5) в производственных помещениях запрещено принимать пищу, необходимо регулярно проводить влажную уборку;

6) после работы рабочий обязательно должен мыть лицо и руки го­рячей водой с мылом.

Следует учитывать еще одну специфику обработки резанием ком­позитов с точки зрения техники безопасности. Речь идет о возможности взрыва. Опасность пылеобразования связана с возможностью взрыва, что приводит к ожогам, повреждению оборудования и возникновению пожаров. Вследствие взрывоопасности пылевоздушных смесей, возни­кающих на участках механической обработки композитов, нельзя допус­кать отложения слоев пыли на оборудовании, полах, стенах, перекры­тиях и других элементах производственного помещения.

Опасность взрыва пылевоздушной смеси вследствие разряда ста­тического электричества весьма велика, так как при обработке компози­тов без использования СОЖ на поверхности изделия возникает потен­циал электростатических зарядов от 2,5 до 10 кВ. Удаление стружки и пыли из зоны резания производят за счет создания эффективной вы­тяжной вентиляции или применения специальных конструкций инстру­ментов.

 

Применение композитных материалов

Применение КМ в железнодорожном транспорте

В последние 30 лет в области композиционных материалов, в част­ности армированных волокнистых пластиков, наблюдается быстрый прогресс. Рынок этих материалов подвержен конъюнктурным изменени­ям, но общие тенденции свидетельствуют о постоянном расширении их использования.

Уникальным достоинством композиционных материалов является высокая удельная (на единицу массы) прочность по сравнению с тради­ционными конструктивными материалами. Этот фактор является опре­деляющим на транспорте: эффективность применения новых материа­лов проявляется в облегчении и удешевлении подвижного состава. Со­гласно прогнозам, в будущем более трети общего объема выпуска ком­позитов будет использовано в изготовлении технических средств на­земного транспорта.

На железных дорогах все большую значимость придают уменьше­нию массы, сокращению расходов в расчете на весь срок службы, по­вышению сопротивляемости разрушению при столкновении. Для изго­товления конструкций из металла требуются дорогостоящее сырье и трудоемкие операции, такие, как сварка и зачистка. Композиционные материалы позволяют устранить эти неудобства. Кроме того, отсутст­вие коррозии увеличивает срок службы композитных конструкций. Пла­стичность композиционных материалов позволяет получать изделия сложной формы, соответствующей аэродинамическим расчетам, со значительно более низкими затратами. Еще важнее то, что за счет при­менения композиционных материалов можно облегчить подвижной со­став почти на 50%. Это приводит к снижению потребления энергии в эксплуатации - фактор, в свете проводимой политики защиты окру­жающей среды имеющий особое значение. С точки зрения безопасно­сти, в последнее время большое внимание уделяют созданию систем контролируемого поглощения энергии соударения при столкновениях. Проблема, с которой сталкиваются проектировщики в области поглоще­ния энергии соударения при столкновениях, заключается в том, что не­обходимо поглотить максимальное количество энергии в условиях ограниченного пространства и в то же время защитить основную конст­рукцию от перегрузок.

Кривая, отображающая зависимость деформации от нагрузки, по­казывает, что при увеличении деформации нагрузка остается практиче­ски постоянной вплоть до полного разрушения, а поглощаемая при этом энергия достигает значительной величины, так что на основную конст­рукцию нагрузка начинает воздействовать только при полном исчерпа­нии ресурса разрушаемой зоны. Можно оптимизировать конструкцию разрушаемой зоны для восприятия постоянной или переменой нагрузки от разных уровней сил соударения.

Большим недостатком существующих средств городского и между­городного железнодорожного транспорта является их чрезмерная мас­са. В этой отрасли отмечается настоятельная необходимость умень­шения массы как корпусов, так и тележек вагонов в целях снижения требований к силовой установке и тормозному оборудованию, а также уменьшения расходов на эксплуатацию вагонов и путей. При этом для повышения популярности и экономической выгодности железнодорож­ного транспорта необходимо учитывать требования промышленной эс­тетики, прежде всего, к стилю, цвету, комфортабельности транспортных средств. Однако при традиционном инженерном подходе удовлетворе­ние требований промышленной эстетики приводит к повышению массы транспортных средств в результате необходимости увеличения толщи­ны материала или вследствие другого способа упрочнения в местах концентрации напряжений, появление которых обусловлено наличием структурных неоднородностей в конструкциях. При традиционном инже­нерном подходе повышение эстетичности транспортных средств приво­дит к росту их массы, что противоречит требованиям по снижению мощности, тормозного пути, эксплуатационных расходов и общих за­трат на железнодорожный транспорт. Это связано с тем, что тради­ционные дешевые материалы, как правило, применяются в кон­струкциях, которые не полностью используют полезные свойства мате­риалов. Кроме того, типичные процессы изготовления ограничивают возможность внедрения новейших конструкций, в ряде случаев это ка­сается также методов соединения деталей путем сварки или клепки. В условиях повышенных требований промышленной эстетики необходимо применение новейших методов конструирования. Например, известно, что конструкции алюминиевых и стальных вагонов, представляющие собой, как правило, оболочки, локально подкрепленные профилями или изготовленные только из листов, не самые эффективные в случае столкновения. Эти конструкции не обладают достаточной стойкостью при крушении, даже если вмонтировать в концы вагонов детали, погло­щающие энергию удара. Вместе с тем, разрушение автомобилей, в кон­струкции которых используются клееные панели, показало очень высо­кую стойкость при столкновениях, что указывает на целесообразность их применения в железнодорожных вагонах. Задачи конструирования не ограничиваются эстетическими и экономическими соображениями, они включают в себя также вопросы шумо- и теплоизоляции, негорюче­сти, сопротивления распространению трещин и простоты ремонта.

Для одновременного решения этих задач конструирования необхо­димо более эффективно использовать традиционные и перспективные для железнодорожного транспорта материалы, развивать многофунк­циональные конструкции, способные одновременно выдерживать все многообразие механических нагрузок и воздействие окружающей сре­ды. Наряду с созданием локально-жестких конструкций путем до­бавления второго материала для придания конструкции особых свойств, например, пены в качестве изоляции, перспективным является также выбор соответствующих друг другу материалов и конструкций, способных в совокупности решить поставленные задачи. Весьма полез­ным может оказаться использование принципов конструирования авиа­ционно-космических аппаратов применительно к более дешевым мате­риалам.

Для изготовления некоторых деталей транспортных средств в США уже по крайней мере 20 лет используются стеклопластики. Примерами таких деталей могут служить формованные сиденья, головные обтека­тели вагонов, формованные элементы оборудования туалетов, формо­ванные ступени лестниц, прозрачные панели потолка, воздуховоды. Однако этими деталями, имеющими такие важные достоинства, как долговечность, привлекательный внешний вид, малая масса, легкость монтажа и ремонта и т. д., не исчерпываются все возможности приме­нения композиционных материалов. Современное и ожидаемое в буду­щем использование композиционных материалов в пассажирском же­лезнодорожном транспорте предполагает многосторонность характера задач конструирования, при этом в новых социально-экономических ус­ловиях задачи конструирования становятся значительно более слож­ными. Так, при разработке вагонов основное внимание должно быть уделено снижению начальной стоимости, некоторым вопросам безо­пасности и легкости обслуживания и ремонта.

Анализ эксплуатационных условий показывает разноплановость нагрузок, возникающих в различных элементах конструкций, так, напри­мер, пол испытывает изгибные и крутящие нагрузки, стены - сдвиг, внеплоскостной изгиб, крыша - продольные и крутящие нагрузки, двери - ударные нагрузки в дверных стойках, расположенных рядом с окнами, усталость в узлах крепления в процессе работы. При этом должны обеспечиваться шумоизоляция, поглощение продольных нагрузок при авариях.

При конструировании перспективных транспортных средств необ­ходимо решение следующих задач: создание внешнего и внутреннего оформления, отвечающего требованиям промышленной эстетики, удовлетворяющего запросам пассажиров и соответствующего коммуни­кационным системам; снижение массы конструкций, приводящее к эко­номии материальных ресурсов, к снижению износа путей, мощности двигателя, тормозного пути и загрязнения среды; увеличение срока службы и надежности материалов; повышение безопасности пассажи­ров путем использования новейших материалов, обладающих стойко­стью при крушении, способностью поглощать энергию удара, огнестой­костью, бездымностью; создание определенного уровня шумо-, вибро- и теплоизоляции пассажирского салона; обеспечение простоты обслужи­вания, осмотра и ремонта транспортных средств; сокращение затрат на приобретение вагонов, с учетом их срока службы; учет возможности использования отходов в качестве вторичного сырья; снижение энерге­тических затрат и, следовательно, загрязнения среды на всех этапах изготовления конструкций.


Наиболее приемлемыми материалами в этом плане в настоящее время являются стеклопластики, обладающие коррозионной стойко­стью, высокой удельной прочностью, легкостью получения сложных кон­фигураций, высокой ударной вязкостью, легкостью ремонта, эко­номичностью технологии формования. Кроме того, они обладают стой­костью против гниения, нагрева, коррозии, высокой удельной прочно­стью, способностью принимать любую форму, они неэлектропроводны и немагнитны. В ряде случаев не требуются затраты квалифицированно­го труда и дорогие отделочные работы. Вместе с тем, необходимо от­метить и отрицательные стороны их использования: требуют больших затрат труда, за исключением формования из предварительно пропи­танной заготовки; в ряде случаев они более дорогие, чем стальные или алюминиевые конструкции, но обычно дешевле при учете общих затрат; относительно невысокая прочность вторичных соединений; затруднен­ность соединения без механических креплений; абразивный износ по­верхностей; гибкость из-за низкого значения модуля упругости; крошат­ся при вибрационной нагрузке.

Все упомянутые выше задачи конструирования транспортных средств связаны с экономикой. Обычно при выборе материалов для вагонов рассматриваются такие факторы, как начальная стоимость, эксплуатационные расходы и масса. Однако при оценке новых мате­риалов необходимо, в первую очередь, определить, исходя из прогно­зируемых потребностей рынка, требуемую производственную мощность предприятия. Объем выпускаемой продукции в большой степени опре­деляет капиталовложения, а также экономическую эффективность того или иного производственного процесса. Экономичность любой конст­рукции должна определяться с учетом полного цикла эксплуатации в расчете на снижение накладных расходов и стоимости проезда. Необ­ходимо также учесть, что снижение массы вагонов имеет большое зна­чение для сокращения времени ускорения и торможения поездов и, следовательно, повышения эффективности всей системы.

Многие перспективные авиационно-космические материалы непри­менимы для средств наземного транспорта. Целесообразнее использо­вать в железнодорожной индустрии элементы авиационно-космической технологии, методы конструирования и анализа применительно к слои­стым панелям, модульным конструкциям, соединительным узлам и т.д. Следует отметить, что основным препятствием для применения новых материалов служит недостаточная механизация процессов изготовле­ния по сравнению с производством сварных конструкций, поэтому при разработке будущих поколений железнодорожных транспортных средств надо иметь в виду необходимость не только повышения эф­фективности конструкций, но также упрощения процессов изготовления.

Целесообразность использования композиционных материалов в конструкциях впервые выявилась в авиационно-космической отрасли. Накопленный опыт позволяет разработать новейшие типы конструкций для одновременного решения перечисленных выше задач, снижения затрат на производство и контроль качества заготовок, а также для по­вышения эффективности использования новых материалов. При этом целесообразно использование и клеевых металлических слоистых кон­струкций. Причём необходимо создавать детали заданного размера, а не обрезать их до необходимого размера, это позволяет избежать применения дорогостоящего оборудования и соответствующих энергетиче­ских затрат и обеспечивает экономию материалов из-за отсутствия от­ходов. В будущих конструкциях будут сочетаться различные материа­лы, в результате чего может быть достигнуто, например, высокое со­противление растрескиванию. Такие экзотические для данной отрасли материалы как углеродные волокна, обладающие высоким модулем упругости, могут использоваться в малых количествах для выборочного армирования традиционных профилей, в частности двутавров, и таких деталей, как оконные стойки.

Выборочное армирование позволяет предотвратить чрезмерные деформации корпусных панелей, а также, например, искривление и из­нос дверных креплений и замков. Такое применение однонаправленных композиционных материалов с углеродными волокнами лишь незначи­тельно повысит производственные расходы, в то время как традицион­ные материалы приобретут дополнительную прочность. Примером вы­борочного армирования углеродными волокнами может служить также использование углеродных волокон в качестве арматуры слоистых стеклопластиковых панелей, что позволяет снизить их толщину, или локальное упрочнение боковых панелей корпусов вагонов, подвергаю­щихся преимущественно сдвиговым нагрузкам. Армированные углеродными волокнами детали могут обрамлять проемы в конструкциях (на­пример, окна), что позволяет снизить концентрацию напряжений.

Наиболее ответственным элементом представленных схем упроч­нения конструкций являются подкрепляющие элементы различной формы поперечного сечения. Для получения таких элементов необхо­димы методы формования, предполагающие их массовое поточное производство. В этом плане целесообразно использование пултрузионных и совмещённых плетельно-пултрузионных методов изготовления. Проведенные в этом направлении разработки позволяют использовать созданные в последнее время автоматические линии для формования профилей различных типоразмеров.

Отмеченные выше благоприятные возможности для расширения применения композиционных материалов в конструкциях железнодо­рожных транспортных средств, предполагают также разработку новых сочетаний материалов и конструкций для составных частей вагонов - панели крыши, боковые панели, панели пола, стойки для окон вагона и кабины машиниста. Большое влияние на конструкцию оконных стоек как для боковых окон, так и для окон кабины оказывают требования про­мышленной эстетики. Целесообразно создание цельных трехмерно изо­гнутых линий оконных стоек. Выполнение этих требований предостав­ляет возможности для реализации новых инженерных идей и одновре­менного решения ряда задач конструирования: возможности получения изделий сложной формы при умеренных затратах на изготовление и контроль качества; обеспечения требуемых значений жесткости и проч­ности на сжатие и сдвиг; обеспечения безопасности пассажиров при столкновениях вследствие жесткости каркаса; возможности объедине­ния в одно целое боковых панелей с панелями крыши, а также возмож­ности армирования в местах возникновения концентрации напряжений (в углах окон) при малых затратах, максимального сокращения массы и стоимости; обеспечения высокой надежности и простоты ремонта; огне­стойкости или наличия огнеупорных слоев в слоистых композициях; лег­кости замены, ремонта и неповреждаемости при транспортировке от места изготовления к месту монтажа или ремонта.

Панели для крыш вагонов оказывают большое влияние на внешний вид, скоростные качества и внутреннюю обстановку вагона. При выборе соответствующих друг другу материалов и конструкций необходимо принимать во внимание следующие соображения: снижение массы по сравнению с традиционными конструкциями; обеспечение требуемого уровня жесткости при воздействии возникающих в процессе эксплуата­ции крутящих и изгибных нагрузок, а также требуемого уровня прочно­сти на изгиб и сжатие для противодействия нагрузкам, возникающим при работе на крыше обслуживающего персонала; сохранение геомет­рии конструкций в случае столкновения для обеспечения безопасности пассажиров; снижение затрат с учетом срока службы; возможность из­готовления конструкций одинарной и двойной кривизны без применения дорогостоящего инструмента и оборудования; обеспечение необ­ходимой теплоизоляции и допустимого уровня шума, обусловленных требованиями комфорта пассажиров; огнестойкости или наличия встро­енных огнеупорных барьерных слоев; легкость замены, ремонта и скла­дирования.

Одним из перспективных направлений является создание дверей для подвижного состава. Стоимость композитной двери, раздвижной или распашной, может превышать стоимость обычной в 2 раза, но ма­териал, из которого она изготовлена, обладает свойством восстанавли­вать форму после деформации, и, значит, в случае повреждения двери нет необходимости отставлять вагон от эксплуатации, как это приходит­ся делать для замены металлических дверей, которые не восстанавли­вают форму после повреждения, например, вилочным подъемником. Прогноз расходов в расчете на весь срок службы показывает, что стои­мость двух замен обычных металлических дверей компенсирует более высокую стоимость композитной двери. Тот факт, что обычную дверь из-за повреждений приходится менять 1-2 раза в год, стал для одной из железных дорог серьезным аргументом для размещения заказа на 1000 композитных раздвижных дверей в ходе модернизации эксплуатируе­мых грузовых вагонов.

Помимо использования в подвижном составе, наибольший интерес представляет применение композиционных материалов для изготовле­ния шпал. Композиционные шпалы, по всей вероятности, никогда не будут экономичнее деревянных, но существует возможность их приме­нения там, где проявляются недостатки деревянных шпал, например, на грузонапряженных линиях с большим числом кривых малого радиуса или на усовершенствованных стрелочных переводах. Поиски альтерна­тивных материалов для шпал ведутся с целью увеличения их долговеч­ности, так как во влажной среде срок службы деревянных шпал ограни­чен из-за гниения, которому такие материалы, как пластмассы, не под­вержены. С другой стороны, развитие рынка изделий из древесины твердых пород свидетельствует о тенденции к использованию этого материала в более выгодных, чем изготовление шпал, направлениях, и затруднения в поставках материала для деревянных шпал повышают их стоимость. Кроме того, ужесточившиеся за последние 25 лет требова­ния по охране окружающей среды могут в будущем ограничить приме­нение деревянных шпал, пропитанных креозотом, что вынуждает же­лезные дороги искать новые, экологически безвредные решения. Пред­ложено изготавливать шпалы из вторсырья (продуктов переработки пластиковых бутылок из-под молока и газированных напитков). В на­стоящее время значительная часть из 3,3 млн. т годового объема таких отходов в США вывозится на захоронение, что государственные службы по охране окружающей среды считают наименее благоприятным вари­антом. Ожидаемая стоимость изготовления пластиковой шпалы состав­ляет около 70 дол. США, что выше стоимости деревянной. Однако пла­стиковые шпалы предназначены не для сплошной замены деревянных, а для укладки в местах с повышенной влажностью, где срок службы де­ревянных шпал ограничен из-за неудовлетворительного дренажа: в тоннелях, кривых, на стрелочных переводах, мостах, переездах и т.д.

Даже с учетом неоспоримых преимуществ легких и прочных компо­зитных материалов отношение к ним на железнодорожном транспорте до недавнего времени было довольно консервативным, хотя первые попытки применения композиционных материалов для замены металла делались более 40 лет назад. В Германии с 1955 г. проводились экспе­рименты с рамами тележек из композитов. Одна британская компания в 60-х годах изготовила из стеклопластика двери для вагонов пригород­ных поездов. Несмотря на многообещающие перспективы, хрупкость существовавших в то время пластиков ограничивала применение ком­позиционных материалов на железнодорожном транспорте чисто деко­ративными целями. Все же внедрение композитов постепенно расши­рялось, но, в основном, для изготовления элементов подвижного соста­ва, не несущих основные нагрузки.

Выбор КМ для железнодорожного транспорта

Армирующие материалы. Несмотря на последние достижения в области применения арамидных и углеродных волокон, особенно для армирования несущих элементов, привилегированное положение по-прежнему занимает стекловолокно (58%). Его доминирующую позицию можно объяснять сравнительно низкой стоимостью и хорошими защит­ными свойствами. Совершенствуются технологические процессы изго­товления стекловолокна и изделий из него в целях оптимизации по ос­новным критериям применимости (например, для уменьшения выкра­шивания, повышения статической прочности, улучшения способности к приданию сложных форм и т.д.), а также совместимости и связности с быстроформируемыми смолами.

Очевидно, что существуют различные виды армирующих материа­лов, отвечающие поставленным требованиям. Для большинства нене­сущих элементов наиболее экономичными являются маты из резаного (33% общего потребления) и цельного (16%) стекловолокна. В более напряженных условиях работы хорошо зарекомендовали себя тканые текстильные материалы (34%) и немнущиеся ткани (12%).

Связующие. Для изготовления элементов пассажирских вагонов применяются термостойкие смолы, которые в настоящее время доми­нируют на рынке и, как полагают, сохранят эти позиции в обозримом будущем.

Первое место прочно занимают полиэфиры (35%), которые разде­ляют рынок с виниловыми эфирами (22%), эпоксидными (21%), фенольными (15%) и модифицированными акриловыми (4%) смолами.

Большое распространение полиэфиров объясняется, главным об­разом, их благоприятными пластическими характеристиками, а при до­бавке наполнителей, например, гидрированных силикатов, они могут быть модифицированы для изготовления застывающих покрытий. Вме­сте с тем, более широкому использованию полиэфиров в пассажирском подвижном составе препятствуют неудовлетворительные противопо­жарные свойства. В своей немодифицированной форме они хорошо поддерживают горение с выделением большого количества дыма и ток­сичных газов. Эта проблема частично решена благодаря гамме неорга­нических наполнителей, доступных в настоящее время на рынке. Среди них наиболее известны и чаще используются трехокись сурьмы и тригидрат алюминия, степень огнестойкости которых зависит от процента добавления. Подобный же эффект обеспечивается введением брома или хлористой кислоты в их оригинальной химической структуре. Другие добавки, обычно применяемые для улучшения характеристик термо­пластичности, должны быть совместимы со смолами по малой усадке и высокой стабильности. После соответствующей химической обработки они могут применяться также для улучшения сохранности внешнего ви­да или повышения устойчивости смол против вредного воздействия ультрафиолетового излучения.

Добавки зачастую применяются и с другими системами смол, осо­бенно если требуется обеспечение огнестойкости. Когда необходимо хорошее сопротивление возгоранию, наиболее часто используются фенольные смолы, которые из-за благоприятных характеристик (малое выделение дыма и токсичных газов) привлекают особое внимание спе­циалистов железнодорожного транспорта. Из материала на основе фенольных смол изготавливают, в частности, литые носовые части массой 250 кг кабин управления электровозов Le Shuttle, курсирующих в тонне­ле под Ла-Маншем. Кроме того, минеральные наполнители улучшают свойства материалов и позволяют снизить массу изделий. Следует учи­тывать, что при высоком содержании наполнителей смолы становятся более вязкими, и с ними трудно обращаться.

Наполнители. В течение длительного времени при изготовлении легких и прочных панельных конструкций железнодорожного подвижно­го состава в качестве основы использовались преимущественно вспе­нивающиеся (27%) или ячеистые (22%) полимеры, а также древесина бальзы и некоторых других пород (26%). В течение длительного време­ни предпочтение отдавалось пенополимерам, как термореактивным, так и термопластичным. Наиболее широкое применение получили мате­риалы на базе полиуретана и поливинилхлорида. Материалы из поли­уретана могут закладываться во вспененном состоянии между наруж­ными и внутренними листами обшивки и, следовательно, не нуждаются в предварительной формовке.

Наиболее эффективной с экономической точки зрения является основа из бальзы, которая, в частности, применена при изготовлении кабин управления. Здесь бальза использована в качестве основы всех несущих конструкций, за исключением противопожарных перегородок, где ее заменяют полиуретаном для упрощения технологического про­цесса изготовления. Среди других случаев применения недавнего вре­мени можно упомянуть вагоны монорельсовой дороги в Куала-Лумпуре, изготовленные британской компанией Flexadux Plastics, где древесина бальзы использована в виде панелей размерами 343,2 м2, покрытых в несколько слоев фенольной смолой.

Характеристики, подходящие для изготовления железнодорожного подвижного состава, имеют также материалы на базе ячеистых поли­меров. Они обычно применяются в качестве основы облегченных мно­гослойных (типа сэндвич) панелей, обладающих высокой жесткостью и прочностью. Хорошие характеристики по сжимаемости позволяют ис­пользовать эти материалы в качестве элементов, поглощающих энер­гию при столкновениях. Одной из последних разработок является стек­лоткань, имеющая улучшенные показатели прочности на срез по срав­нению с наполнителями из пенопластиков при сопоставимых ценах. Пространство между вертикальными элементами жесткости можно за­полнить пластиками, улучшающими механические, а также тепло- и зву­коизоляционные характеристики конструкций типа сэндвич. Эти новые материалы получили фирменные наименования Parabeam и Vorwerk Closth и в сочетании с фенольными смолами нашли применение при изготовлении плит настила пола вагонов.


Изготовление КМ для железнодорожного транспорта

Несмотря на благоприятные характеристики композиционных мате­риалов, технология изготовления изделий из них, напротив, ограничена выбором и связана с большими затратами ручного труда. Наблюдается тенденция к постепенной механизации и автоматизации технологических процессов, но при изготовлении подвижного состава по-прежнему преоб­ладает наложение слоев вручную (21%), в ряде случаев - способом на­пыления (12%). Эти процессы, гибкие и позволяющие удовлетворить предъявляемые требования, из которых одним из важнейших является простота сборки и в случае необходимости замены отдельных элемен­тов, остаются весьма трудоемкими. Поэтому они наиболее приемлемы для выпуска изделий небольшими партиями, особенно крупногабарит­ных, таких, как конструктивные элементы кузовов электровозов. Не­смотря на большие размеры, здесь достигнута высокая точность: при формовке выдержаны допуски ±2 мм.

Для большинства изделий преимущественным методом изготовле­ния является холодная формовка. Она в течение многих лет применя­ется для изготовления оконных рам, туалетных модулей и облицовоч­ных панелей. Этот полуавтоматический процесс обеспечивает лучший контроль качества, чем наложение слоев вручную. Кроме того, при этом процессе значительно снижается уровень выделения стирола. Затраты на технологическое оборудование зависят от размера партии, поэтому для изготовления таких изделий, как каркасы кресел, используются ма­ты, пропитанные в горячем состоянии смолой. Улучшенная декоратив­ная отделка таких изделий может быть получена последующим нанесе­нием лакокрасочных покрытий.

Все более широкое распространение приобретает литьевое прес­сование (RTM). Эта технология нашла,применение при изготовлении деталей кресел и раздвижных дверей для вагонов трамвая. Вариантом этого метода является литье под давлением (NIM), которое использо­вала британская компания Fibrette Composites при изготовлении кресел для электропоездов. Процесс NIM позволяет отливать изделия сложной конфигурации. Благодаря использованию входящих в состав компози­ции стекловолокна, смолы Modar, наполнителя из тригидрата алюминия и полиуретановой пены массу корпуса кресла в сборе удалось снизить почти до 6 кг.

Многослойные конструкции в железнодорожном транспорте

Внедрение целой гаммы новых композиционных материалов дало возможность освоить изготовление многослойных конструкций (типа сэндвич), преимущественно панельных. Такие панели представляют собой сформованные в единое целое слои материала основы (из дре­весины бальзы, вспенивающихся или ячеистых полимеров), заключен­ные между двумя жестко соединенными оболочками, которые могут быть металлическими (например, из алюминия) или армированными композитными, в том числе с декоративным покрытием.

Панели типа сэндвич представляют проектировщикам возможность получения облегченных конструкций. Нагрузки, действующие на много­слойные конструкции, воспринимаются материалом оболочек в виде напряжений растяжения или сжатия. Материал наполнителя, жестко связанного с оболочками, хотя и отделяет оболочки друг от друга, но способен обеспечить передачу между ними возникающих усилий среза, так что панель работает как единая конструкция. Целостность конструк­ции типа сэндвич способствует значительному увеличению прочности материалов отделочных покрытий, в результате чего повышаются их качество и долговечность.

Многослойные конструкции на основе ячеистых полимеров могут быть внутри заполнены пеной. Этот метод наиболее часто применяется для плоских панелей, которые просты в изготовлении и используются в различных элементах внутренней отделки пассажирских вагонов, осо­бенно тамбуров и туалетов. Конструкционные характеристики могут быть улучшены за счет использования предварительно изготовленных модулей. Когда панели поставляются с оболочками, на которые уже на­несены декоративные покрытия, такие изделия, как внутренние перего­родки и элементы кабин управления, могут изготавливаться с мини­мальными потребностями в отделочных работах.

При разработке многослойных конструкций следует учитывать оп­ределенные концептуальные требования с точки зрения гибкости, жест­кости, сопротивляемости деформациям. Есть возможность придавать им желаемые механические и физические характеристики, не уступаю­щие традиционным конструкционным материалам.

Прогнозы относительно применения композиционных материалов на железнодорожном транспорте весьма оптимистичны. Однако для более широкого распространения этих материалов необходимо решить ряд проблем технического и экономического характера. Так, в настоя­щее время механические характеристики наиболее перспективных уг­леродных и арамидных волокон еще не в полной мере соответствуют предъявляемым требованиям. Кроме того, их стоимость слишком высо­ка. Следует также провести дополнительные исследования для опре­деления оптимальных областей применения композиционных материа­лов в зависимости от их свойств, особенно с точки зрения затрат в рас­чете на весь срок службы.

Таким образом, анализ возможности использования современных композиционных материалов в конструкциях железнодорожного транс­порта, накопленный опыт изготовления аналогичных конструкций в авиационной технике позволяют сделать вывод о целесообразности применения таких материалов для ответственных конструкций транс­портных средств.

 


Применение КМ в автомобильном транспорте

В последнее время происходят принципиальные сдвиги в области применения КМ в конструкции автомобиля. Раньше из КМ изготавлива­лись детали электротехнического, антифрикционного и декоративного назначения. Современные модели автомобилей включают в себя более 400 различных деталей из КМ, в том числе внутренние и наружные па­нели дверей, удлинители крыльев, боковые панели, энергопоглощающие передние и задние элементы кузова, бамперы, держатели фар, кожуха системы отопления и охлаждения, решетки радиатора, цельно-формованные потолки и т.д.

Среди композитов в автомобильной промышленности ведущее по­ложение занимают стеклопластики на основе термореактивных смол.

Основным определяющим направлением применения стеклопла­стиков в конструкции автомобиля является внедрение наружных круп­ногабаритных панелей кузовов и кабин. Для производства кузовных на­ружных панелей наиболее перспективными материалами следует счи­тать стеклопластики на основе ненасыщенных полиэфирных смол, представляющие собой рулонные (листовые) полуфабрикаты. Эти ма­териалы известны за рубежом как листовые формованные композиции (препреги) типа SMC и их модификации - малоусадочные препреги LMC.

В настоящее время малоусадочные препреги, имеющие в составе эластомерные модификаторы, обеспечивают высокое качество поверх­ности изделия и поэтому при производстве наружных кузовных панелей заменяют повсеместно препреги типа SMC.

Среди кузовных панелей из препрегов первое место прочно занимают передние панели с проемом для установки радиатора (54% в 1992 г.). Передние панели из препрегов SMC и LMC начали применяться более 80 лет назад. Уже в 1975 г. эти панели из препрегов SMC уста­навливались на 30 марках легковых автомобилей США.

В 1979 г. на 40 моделях американских легковых автомобилей (65% всего выпуска) передние панели массой от 3 до 9 кг изготовлялись из препрегов, причем выпуск отдельных деталей достигал 450 тыс. шт. в год, а в 1981 г. на производство этих деталей пошло более 18 тыс. т препрегов. Внедрение этих деталей в конструкцию автомобилей после разработки малоусадочных препрегов стало непрерывно увеличиваться благодаря решению проблемы получения требуемого качества поверх­ности без дополнительных затрат времени на отдельные финишные операции. В настоящее время производство стеклопластиковых перед­них панелей с проемом для радиатора стало традиционным.

Выполненная из металла передняя часть кузова легкового автомо­биля образуется из 35 штампованных деталей. Она собирается при по­мощи сварки в промежуточные (технологические) узлы; на нее наносят различные антикоррозионные покрытия. Тот же элемент кузова, изго­товленный из препрега, включает одну основную деталь - моноблок и пять-шесть присоединительных общей массой 3-9 кг. Заменой металла на стеклопластик достигается снижение массы на 30-40%, улучшается коррозионная стойкость и, в ряде случаев, снижается себестоимость за счет меньшей трудоемкости и экономии на оснастке.

Несмотря на то, что применение КМ для производства передних панелей расширяется, доля их в 90-х годах в общем объеме кузова сни­зилась до 34%. Это объясняется тем, что задние панели автомобиля, аналогичные по конструкции передним (то есть моноблочные), устанав­ливались в 1983 г. на автомобиле Celebrity фирмы Chevrolet, а с 1984 г. их начали устанавливать и на другие модели; к 1988 г. общая масса задних панелей достигла 4,5 тыс. т.

Увеличивается использование препрегов для производства капотов как легковых, так и грузовых автомобилей, что обусловлено, в частно­сти, разработкой малоусадочных препрегов.

Раньше капоты из препрегов устанавливались на легковых автомо­билях, выпускаемых малыми сериями, или на специальные модели. Целесообразность их применения объяснялась тем, что стоимость ос­настки на их производство составляла лишь небольшой процент от стоимости оснастки для капота из металла. Сейчас интерес к препрегам как материалу капота обусловлен возможностью значительно снизить массу детали. Пластмассовый капот автомобиля не только на 16,5 кг легче стального, но и имеет лучшие аэродинамические характеристики. Капот формуется из малоусадочных препрегов из двух частей и соединяется клеем.

Использование препрегов на некоторых моделях грузовых автомо­билей достигает 136 кг, большая часть которых приходится на капоты и интегральное оперение.

Уже сейчас у грузовых автомобилей средней грузоподъемности Topkiek концерна GMC передняя часть кабины состоит из 13 прессо­ванных деталей, что снизило массу их конструкции более чем на 50%. Этот капот с крыльями из препрега весит 47 кг, а из стали - 103 кг. Ин­тегральное оперение имеют грузовые автомобили серий С210 и 260 фирмы Рено (Франция), фирмы МАК (США), «Волво» (Швеция) и т.д.

Капоты четырех моделей средних и большегрузных автомобилей серии S фирма International производит из препрегов, в зависимости от модели капоты в сборе весят 36-45 кг. Прессование капотов осуществ­ляется за 2-2,5 мин. В день изготовляется более 400 шт. интегрального оперения, в конструкцию которого входят и эти капоты.

Применение интегральных капотов и передних деталей из препре­гов почти во всех моделях автомобилей большой грузоподъемности с опрокидывающейся кабиной (за исключением мелкосерийных, где они делаются контактным методом) становится также традиционным. На производство таких моноблоков уже в 1982 г. пошло более 7,7 тыс. т препрегов типа SMC и LMC.

Применение капотов и интегральных оперений в грузовых автомо­билях будет увеличиваться. Капот из композитов легче открывается, сводятся к минимуму требования к дополнительным опорам для под­держания его в открытом положении.

В последнее время большое распространение получают пластмас­совые двери из препрега для грузовых и легковых автомобилей. Целе­сообразность применения препрегов для этих дверей, по данным ряда американских фирм, определяется снижением массы на 30-40% (13-15 кг), кроме того, на выпуске 1,2 млн. дверей будет получена экономия капиталовложений около 40-60%.

В настоящее время для грузовых автомобилей серий Astro и General применяются двери из препрегов. Эти двери имеют силовую несущую конструкцию, изготовляемую в массовом производстве без металлических кронштейнов и элементов жесткости. Применение пре­прегов позволило разработать облегченную конструкцию задней двери для автомобиля «Универсал» типа В фирмы Oldsmobile. Пластмассовая дверь собирается из двух панелей и на 6,3 кг легче заменяемой ею стальной двери массой 20 кг, состоящей из семи деталей. Рабочий цикл прессования каждой панели - 3,5 мин, причем нанесение покрытий на деталь непосредственно в пресс-форме, исключающее необходимость в нанесении и в сушке грунтовки, занимает 1 мин.

В настоящее время ведутся работы по уменьшению массы двери еще на 1,8-2,3 кг и по снижению цикла прессования на 1 мин.

В 1980 г. задняя дверь из препрега была установлена на 1000 ав­томобилей, а с 1981 г. количество грузопассажирских автомобилей с такой дверью возросло до 6000. Фирмы Mack и General Motors (США) также стали собирать двери из стеклопластика и устанавливать их на автомобилях.

Весьма перспективны задние подъемные двери из препрега для грузопассажирских автомобилей и малогабаритных фургонов многоцелевого назначения, Из-за особенности их конструкции при штамповке всегда образуется много металлических отходов. При изготовлении задних подъемных дверей, независимо от объема производства, заме­на стали на малоусадочные препреги выгодна. Эти панели, как показа­ла эксплуатация, долгое время сохраняют хороший внешний вид.

С 1983 г. задние двери из малоусадочных препрегов устанавлива­ются на грузопассажирских автомобилях с кузовом типа В фирмы Oldsmobile, а с 1984 г. - на грузопассажирских автомобилях Buick Elestra и Lesabra.

В США препреги применяются также для производства сборных крыш (около 7,7 тыс. т ежегодно). Эти крыши легко снимаются, и в ре­зультате получаются автомобили с открытым верхом. Панели таких крыш весят от 2 до 5 кг и соединяются между собой полиуретановым клеем.

В настоящее время продолжительность цикла формования пане­лей из малоусадочных препрегов примерно в два раза превышает такт сборочного конвейера, равного при крупносерийном производстве 1 мин. Переработка препрегов допускает снятие около 125 тыс. панелей с формы в год, однако разработана новая технология, увеличивающая производительность до 175 тыс. шт.

В 1978-1979 гг. американская фирма «ЮСМ корпорейшн» разрабо­тала новый метод переработки материалов типа препрегов - инжекционное прессование. Этот метод позволяет получить в крупносерийном и массовом производстве сложные, с хорошей поверхностью наружные крупногабаритные детали и сократить время изготовления на 20-25% по сравнению с обычным прессованием. В настоящее время инжекцион-ным прессованием изготавливают такие детали, как передняя панель кузова автомобиля «Форд Гранде» («Монарх»), арматура фары автомо­биля «Шевроле Монза», держатели арматуры автомобилей «Додж Ом-пи 024», «Крайслер Нью-Йоркер», обводки фары автомобиля «Крайслер Нью-Йоркер», боковая передняя панель автомобиля «Бьюик Речел» и т.д. Кроме технологических преимуществ, этот метод позволяет полу­чить детали на 10-30% легче, чем при прессовании. Детали, получае­мые методом инжекционного формования, окрашиваются при темпера­туре 200°С. Основным преимуществом процесса является его полная автоматизация: автоматизированные взвешивание, дозирование и смешивание состава, а также автоматизированное дозирование мате­риала в пресс-форму, присущее процессу инжекционного прессования. После получения переменных прессования и установления условий производства процесс обеспечивает постоянное получение однородных деталей. Такие преимущества инжекционного прессования армированных стеклом термореактивных полиэфирных составов по сравнению с процессом прессования в формах, как улучшение качества деталей и снижение стоимости, с избытком окупают повышенные капитальные затраты. Этим методом можно выпускать до 1000 деталей в день. Не­достатком метода является снижение некоторых механических харак­теристик материала, в частности, ударной вязкости (на 50%), предела прочности при изгибе (на 15%).

Аналогичный процесс (ZMC-процесс) разработан и сейчас начинает применяться во Франции. Наиболее крупной конструкцией автомобиль­ного узла, получаемого ZMC-процессом, является подъемная задняя дверь на автомобилях Citroen BX. Она состоит из трех деталей, самая большая из которых имеет размер 1500x1100 мм и массу 8 кг, что почти на 15% легче стальной. Две малые боковые детали приклеены к ее внутренней поверхности, образуя коробчатую конструкцию.

В настоящее время в США для формования крупногабаритных де­талей из стеклопластика используют более 50 литьевых машин.

Многолетний положительный опыт применения препрегов в качест­ве материала для облицовочных и навесных наружных панелей кузовов и кабин, возможность производства стеклопластиков типа препрегов и переработка их в крупногабаритные панели на автоматизированных линиях, разработка малоусадочных рецептур препрегов с улучшенными механическими и технологическими свойствами, которые позволяют получать большие тонкостенные панели (1,7-2,2 мм) за 60 с, делают возможным использование этих материалов не только для производст­ва наружных и облицовочных панелей при крупносерийном и массовом производстве, но и для выпуска каркасно-панельных конструкций кузо­вов и кабин из стеклопластиков.

С 1990 г. выпускается до 1 млн. легковых автомобилей с крупнога­баритными панелями из препрега.

В 1953 г. фирма Chevrolet начала производить стеклопластиковые кузова автомобиля Corvette. Эти кузова изготовлялись контактным ме­тодом и в небольшом объеме. Кузова этого автомобиля модели 1984 г. уже выпускаются из малоусадочных препрегов в объеме более 20 тыс. и включают такие детали, как капот, передние и задние крылья, двери, крыша, днище, задние нижние панели и т.д.

Высокое качество поверхности деталей из препрегов на панелях Corvette обеспечивается следующим образом. Непосредственно перед окончательным отверждением материала пресс-форма частично от­крывается, и в одну или обе полости быстро впрыскивается грунтовка специального состава. После этого немедленно вновь прикладывается давление, под действием которого грунтовка начинает течь и заполняет все поры и дефекты поверхности детали. Нанесение грунтовки в форме исключает такие отделочные операции, как промывка растворителем для удаления смазки, грунтование, шлифование отдельных участков поверхности, вторичное грунтование и т.д., что приводит к ощутимой экономии времени, энергии и стоимости.

Панели облицовки кузова не являются несущими деталями и могут быть сняты с каркаса. Эти панели изготавливаются из трех материалов: малоусадочных препрегов, полиуретанов и армированных полиурета­нов, причем из препрегов делаются панели с плоскими горизонтальны­ми поверхностями большой площади и массы: капот двигателя - 15 кг, крышка багажника с верхними задними панелями - 25 кг, крыша - 6 кг. Считают, что кузов из КМ в три раза долговечнее стального. Плановый выпуск изделий из препрега - 45 шт. в час, в настоящее время годовой выпуск составляет 80-100 тыс. шт.

На примере кузова автомобиля Fiero можно видеть основные пре­имущества, которые получают при производстве кузовных панелей из препрегов:

- при изготовлении пластмассовых панелей меньшие затраты на оборудование, чем при изготовлении стальных панелей. Для изготовле­ния стальной детали требуется не менее четырех операций, выполняе­мых на совершенно различных штампах: вырубном, пробивном, вытяж­ном и формовочном. Отсюда следует, что для изготовления стальной панели требуется, как минимум, в четыре раза больше оснастки, чем для стеклопластиковой. Так как стоимость оснастки одной операции со­ставляет ~200 тыс. дол., то переход на пластмассовые панели может дать экономию не менее 600 тыс. дол., а для некоторых типов панелей экономия приближается к 1 млн. дол. Кроме того, оснастка для деталей из стеклопластика изготавливается на шесть месяцев быстрее, чем для металлических деталей;

- можно получать конструкции, состоящие из нескольких деталей. Например, фирма Oldsmobile несколько лет назад установила на авто­мобиле Sport Omega крылья из препрега, при этом она внедрила техно­логию получения моноблока, заменяющего пять стальных деталей, ко­торые соединялись точечной сваркой;

- детали из препрегов могут окрашиваться в сушильных камерах при температуре до 190°С.

Возможно, что при меняющейся конъюнктуре рынка отпадет необ­ходимость в массовом производстве. В США выпускается свыше 75 ви­дов автомобилей, но только 11 из них имеют выпуск более 200 тыс.

Как показывает анализ конструкций навесных облицовочных пане­лей из препрегов, эти конструкции дают снижение массы от 20 до 45%, обладают антикоррозионными свойствами, снижают трудоемкость про­изводства в два-три раза. Эти преимущества препрега как кузовного материала способствуют дальнейшему расширению его применения для цельнопластмассовых кузовов других моделей.

Разрабатывая конструкции перспективного легкового автомобиля 3-го тысячелетия, ряд ведущих автомобильных фирм Италии, ФРГ, Франции, Англии, а также США принимают вариант кузова панельно-каркасного типа. Эти кузова имеют навесные панели из препрега: V.E.R.A., Peugeot, Франция (передок, капот, багажник, двери), LCP 2000Volvo (основание панели кузова), V.S.S. Fiat, Италия (двери, задняя дверь кузова) и т.д.

КМ уже давно и прочно нашли свое применение для производства небольших серий (до 4 тыс. шт.) кабин грузовых автомобилей, спецтех­ники и т.д. Эти кабины формуются контактным методом или методом одновременного напыления смолы и волокна на форму.

Производство кабин из КМ контактного формования для опытных малосерийных партий большегрузных автомобилей и автомобилей вы­сокой проходимости стало традиционным. Это объясняется значитель­ной экономией в производстве за счет низкой стоимости оснастки.

В настоящее время созданы конструкции цельных кабин, удовле­творяющих требованиям крупносерийного производства.

Первой фирмой, применившей эти материалы при производстве кабин для грузовых автомобилей, была фирма ERF (Англия). Кабина панельно-каркасная, получившая название SP, имеет 27 крупногаба­ритных панелей, отпрессованных в металлических формах: внутренние и наружные панели дверей, панели крыши, решетка радиатора, средняя задняя панель, передние и задние секции крыльев и т.д. (пол в кабине металлический). Панели крепятся механическим способом, для чего в панели запрессованы крепежные элементы. Материалом панелей яв­ляется малоусадочный огнестойкий препрег. Толщина стенок деталей около 3 мм, с утолщением кромок и ребрами - до 6 мм. По стоимости пластмассовая кабина может конкурировать со стальной, при этом тру­доемкость снижается на 30%. Фирма выпускает около 13000 кабин в год; при увеличении спроса на эти автомобили фирма на имеющемся оборудовании может увеличить выпуск кабин до 25-30 тыс.

Кабина типа SP из препрега выдерживает испытания статической нагрузкой на крышу в 17 т и ударной нагрузкой (фронтальный удар) в 4500 кгс с помощью подвешенного на цепи груза весом 1,5 т.

В США фирма General Motors выпустила опытную серию грузовых автомобилей, у которых кабина состоит из 16 основных и 40 вспомога­тельных деталей из препрегов, заменяющих 130 отдельных алюминиевых деталей. Преимущество кабины из препрега состоит в снижении трудоемкости сборки, производственных площадей, в хороших шумоизоляционных свойствах, а также в ее коррозионной стойкости.

Длительная эксплуатация автомобильных деталей из препрегов не только доказала высокие физико-механические характеристики этих материалов, но и помогла выявить некоторые их недостатки, ограничи­вающие область применения: сравнительно со сталью небольшие мо­дули и прочности при растяжении и изгибе.

Разработка высокопрочных КМ-препрегов, содержащих около 65% волокна, полуфабрикатов на основе ориентированных волокон и эпок­сидных смол (ламинатов) и т.д., внедрение методов намотки и пултру-зии, обеспечивающих массовое производство деталей из КМ, сущест­венно расширили области применения этих материалов в конструкции автомобилей.

В настоящее время из этих материалов начали изготовлять сило­вые детали, несущие нагрузки: бамперы, рамы кабин, рессоры, прохо­дят испытания диски колес и т.д.

Несмотря на большую конкуренцию со стороны полипропиленов, полиуретанов и их стеклоармированных модификаций, детали из пре­прегов с содержанием 65% волокна устанавливаются на ряде моделей легковых и грузовых автомобилей. Например, фирма Renault ставит бамперы из препрега на свои модели R-5, R-25, С-40 и т.д.

Как показывают последние разработки, препреги в производстве бамперов для легковых автомобилей, видимо, будут заменяться на на­полненные полиуретаны, но для бамперов грузовых автомобилей пре­преги могут сохранить свои позиции.

Одной из областей применения высокопрочных препрегов могут явиться диски колес. Впервые такие диски колес были сделаны фирмой Michclin для автомобилей Citroen SM. Считают, что диски колес из КМ могут конкурировать по стоимости с алюминиевыми колесами, особенно при их малых размерах. Теоретически снижение массы при равных размерах дисков достигнет 50%. При работе над экспериментальным образцом «Автомобиль 2000 года» фирма Volkswagen совместно с фирмой Grillo Werke (ФРГ) исследовала возможность производства ко­лес из высокопрочного препрега. Новые колеса имеют повышенную толщину стенок - от 6 до 7 мм в зоне обода и до 10 мм в зоне соедине­ния со ступицей. Масса снижается на 40%. Во всех испытаниях колеса из композитов зарекомендовали себя хорошо. Однако обод колеса вы­держивает температуру 175°С, поэтому требуется удаление тормозов от ободов колес и усиление их охлаждения.


Наиболее широкой и перспективной областью применения высоко­прочных стеклопластиков является изготовление листовых рессор.

На первом этапе развития эти рессоры изготовлялись из углепла­стиков. Однолистовая рессора из углепластика легкового автомобиля, имеющая массу 2,26 кг, равна по несущей способности и жесткости четырехлистовой металлической рессоре массой 12,7 кг. Существенное уменьшение массы наблюдается и при замене рессор грузовых автомо­билей. Снижение массы на одну рессору составляет 36,4 кг, при полной замене всех рессор экономия массы составляет 180 кг на один автомо­биль.

Сравнительные испытания листовых рессор, изготовленных из уг­лепластиков, стеклопластика и стали 45, показали, что наиболее подхо­дящим материалом для этой цели следует считать углепластик. Однако высокая стоимость этого материала делает целесообразным примене­ние для рессор пластика на основе гибридных волокон (углеродных и стеклянных), так как стеклянные волокна в 7-10 раз дешевле углерод­ных. В этом случае наружный слой рессоры делается из стекловолокна, а средний - из углеродного.

Высокая стоимость углеродных волокон вызвала необходимость разработки для рессор новых композиционных материалов на основе стекловолокна и новых решений по конструкции рессор. Например, от­деление Graften фирмы Exxon Euterprises начало выпуск опытных об­разцов рессор для проведения широких эксплуатационных испытаний на грузовых автомобилях различных фирм. Рессора состояла из четы­рех листов - трех стеклопластиковых и одного металлического. В ре­зультате масса узла была снижена до 30 кг, или на 53% по сравнению с массой металлической рессоры. Такая рессора позволит сэкономить 109 кг массы грузового автомобиля.

Другими существенными преимуществами рессор из КМ являются увеличение усталостной прочности вдвое и абсолютная коррозионная стойкость.

Концерн General Motors сообщил о внедрении однолистовой рессо­ры из стеклопластика Liteflex, содержащего 70% стекловолокна. По мнению специалистов концерна GM, несущая способность и удлинение материала Liteflex приблизительно в 10 раз превосходят аналогичные показатели стали. Это дает возможность использовать один лист из стеклопластика вместо 10 стальных.

Новая рессора изготавливается методом наматывания нити, про­питанной смолой, на оправку, после чего заготовку помещают в форму и отверждают. На заключительной стадии на рессору наносится покры тие, кроме того, на ней монтируются концевые крепежные приспособ­ления и центральный установочный кронштейн.

Как правило, во время испытаний любая новая рессора подверга­ется 100 тыс. циклов нагружений в режиме максимального прогиба и полного обратного хода, после которых допустимое изменение ее ко­эффициента жесткости не должно превышать 5%. А рессора, выпол­ненная из материала Liteflex, успешно выдержала 500 тыс. циклов на­гружений.

Указанная задняя рессора длиной 1016 мм и массой 3,6 кг (метал­лическая имеет массу 20,4 кг) устанавливается на автомобиле Corvette с 1981 г. с выпуском 51 тыс. шт. в год.

В общей сложности 55 тыс. автомобилей с рессорами из Liteflex за два года прошли 1500 млн. км, при этом коэффициент замены и ремон­та рессор из стеклопластика был намного ниже, чем для аналогичной металлической подвески.

Положительный опыт эксплуатации рессор из Liteflex позволил разработать поперечные рессоры для стандартных моделей Corvette образца 1984 г. Это привело к снижению массы более чем на 20 кг на автомобиль, по сравнению со стальными пружинными, и позволило реализовать чрезвычайно приземистый контур капота. Такая конструк­ция подвески способствовала приданию автомобилю обтекаемого вида и достижению низкого аэродинамического сопротивления.

В последнее время работы по внедрению рессор из КМ приобре­тают все большее распространение. Английская фирма GKN освоила производство листовых рессор. Завод организован по модульному принципу и с высоким уровнем автоматизации. Каждый модуль завода сможет выпускать в год 0,5 млн. рессор для автомобилей малой грузо­подъемности. Цикл изготовления одного изделия менее 1 мин. Испыта­ния, проведенные в научном центре фирмы, показали, что грузовые ав­томобили с рессорами из КМ прошли уже более 160 тыс. км без каких-либо признаков ухудшения работоспособности рессор. Производство рессор осуществляется прессованием при небольшом давлении, затем заготовка режется в продольном направлении на рессоры. Рессоры из КМ на ~50% легче обычных металлических и могут конкурировать с ни­ми по стоимости.

Установка рессор на большегрузные поезда может дать экономию в массе на 500 кг. Одна рессора из композита массой 20 кг, как считает фирма GKN, может заменить металлическую рессору массой 100 кг.

В настоящее время рессоры из стеклопластика осваивают фирмы Woodhead (Англия), Кшрр (ФРГ), Alleryard (Франция). С 1985 г. фирма General Motors изготовляет рессоры из КМ с суммарной массой 1500 т.


В выпуске рессор из ориентированных КМ заинтересованы также фирмы, имеющие опыт производства и переработки однонаправлен­ных, заранее пропитанных смолой ламинатов или других аналогичных материалов, и, в первую очередь, фирмы, выпускающие спортинвен­тарь, в котором применяют эти материалы (лыжи и лыжные палки). В настоящее время производство рессор из ориентированных волокон осваивает финская фирма Эксел, а также австрийская фирма Isosport, основавшая специальную фирму Isocar.

Фирма Isocar освоила выпуск листовых рессор переменного и по­стоянного профиля по двум технологическим процессам: прессованием ламинатов и намоткой. Прессованием ламинатов рекомендуется выпус­кать листовые рессоры для грузовых автомобилей большой (16-38 т) грузоподъемности, от 40 до 150 тыс. шт. рессор в год. Намотку предла­гают применять для получения рессор легковых автомобилей, а также для грузовых автомобилей малой и средней грузоподъемности, при этом объем выпуска рессор может быть от 80 тыс. до 380 тыс. шт. в год.

В табл. 3 приведены данные по снижению массы рессоры в за­висимости от вида.

 

Таблица 3. Масса рессор в зависимости от вида автомобиля

Вид рессоры

Нагрузка, Н

Масса рессоры, кг

Снижение массы, %

 

 

стеклопластик

металл

 

Задняя рессора кузова типа фургон

4610

5,0

19,9

75

Передняя рессора пикапа

8200

6,5

18,6

65

Задняя рессора грузово­го автомобиля

32700

22,8

55,0

59

Передняя рессора грузо­вого автомобиля

29500

15,0

46,0

67

Рессора прицепа

27950

9,5

66,7

86

Рессора прицепа

33300

11,0

71,5

85

 

Применение композиционных пластиков на основе стекловолокна позволяет существенно изменить всю систему подвески и получить зна­чительное снижение массы. Например, фирма Berlin (Франция) разра­ботала переднюю подвеску легкового автомобиля, которая не нуждается в установке А-образного рычага и стабилизатора поперечной устойчи­вости. Их функции выполняет однолистовая рессора из композиционно­го материала. Новая конструкция рессоры обеспечивает снижение массы подвески на 67% по сравнению с подвеской Макферсона со стабилиза­тором поперечной устойчивости.

В табл. 4 приведены некоторые характеристики различных под­весок.

 

Таблица 4. Характеристики различных подвесок

Параметры

Подвески

 

Макферсона

со стандартной рессорой

из композиционно­го материала

с рессо­рой фир­мы Benin

Масса, кг

14,6

12,8

4,8

Снижение массы, %

-

12,0

67,0

Число основных деталей, шт.

7

6

3

Общее число деталей, шт.

23

16

11

Энергозатраты на изготовле­ние

одной подвески, кВт-ч

230

200

90

Стоимость, %

100

119

74

 

Благодаря новой конструкции значительно уменьшилась неподрессоренная масса, затраты на производство подвески с однолистовыми рессорами составят предположительно 74% затрат на изготовление подвески Макферсона. Важно отметить, что рессора выполнена из КМ, армированного ориентированным в одном направлении волокном с по­стоянным его объемом по всей длине, что облегчает внедрение рессо­ры в массовое производство.

Основными преимуществами рессор из КМ по сравнению с метал­лическими являются:

- снижение массы на 50-80%;

- коррозионностойкость;

- снижение внутреннего трения в рессорах, повышение комфорта­бельности;

- снижение шума (на 5 дБ для грузовых автомобилей малой грузо­подъемности);

- возможность создания принципиально новой конструкции подвес­ки;

- повышение долговечности в пять раз, снижение коэффициента замены и ремонта;

- медленное разрушение рессоры за счет постепенного разрыва стекловолокна, а не мгновенный излом, как это имеет место при разру­шении металлической рессоры.

Анализ основных областей применения КМ на основе стекловолок­на и термореактивных смол в конструкции автомобилей выявил два главных направления:

- производство крупногабаритных кузовных пане­лей, таких, как передние и задние панели кузовов, багажники, капоты, крыши, в том числе крыши фургонов, наружные двери, обтекатели (аэ­родинамические дефлекторы) и т.д., и в перспективе - навесные панели цельнопластмассовых кузовов и кабин;

- производство силовых нагруженных деталей типа бамперов, рес­сор, дисков колес, элементов рам и т.д.

Применение углепластиков. Когда в 1973 г. возник нефтяной кри­зис, остро встал вопрос экономии энергии. К тому же с ростом парка автомобилей обостряется проблема загрязнения окружающей среды. В связи с этим во всех странах стали интенсивно проводить теоретиче­ские и прикладные исследования по уменьшению потребления горюче­го, количества выхлопных газов и шума автомобилей, повышению их безопасности и т.д. Естественно, что в этих исследованиях приняли участие и фирмы-изготовители углепластиков. Все это привело к уско­ренной разработке углепластиков для применения их в автомобиле­строении с целью снижения массы автомобилей.

Экономия горючего достигается путем снижения массы автомоби­ля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя, улучшению аэродинамических характеристик, применению системы турбо-наддува и т.д. Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требуется уменьшить ее приблизительно на 660 кг. Посредством замены деталей из стали и чу­гуна на детали из углепластиков, стеклопластиков, армированных угле­родными или стеклянными волокнами термопластов, и других конструк­ционных полимерных материалов возможно снижение массы автомо­билей приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наря­ду с использованием новых перспективных материалов следует умень­шать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использова­ния энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горюче­го.

Так, в 1977 г. фирма «Форд» приступила к разработке облегченного экспериментального автомобиля, в котором использованы, в основном, углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе угле­родных и стеклянных волокон. Первый опытный экземпляр такого авто­мобиля был создан в мае 1979 г. В опытной модели «Форд LTD» 1979 г. из углепластиков, гибридных и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера и другие детали автомобиля (рис. 4). Данные о массе различных де­талей такого автомобиля приведены в табл. 5. В результате исполь­зования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т.е. приблизительно на 33%, а экономич­ность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т.е. на 35%.

 

Рис.4. Экспериментальный автомобиль с уменьшенной массой фирмы «Форд»:

1 - кузов из углепластика; 2 - капот двигателя из углепластика; 3 - передняя

панель и передние крылья из углепластика; 4 - решетка радиатора из листового

формовочного материала; 5 - алюминиевый радиатор; 6 - передний бампер из

углепластика; 7 - двигатель объемом 2300 см; 8 - автоматическая трансмиссия

С-3; 9 - радиальные шины марки РР78-14; 10 - диск колеса из углепластика;

11 - малогабаритный усилитель тормозов; 12 - рама из углепластика;

13 - приводной вал из углепластика; 14 - верхний и нижний рычаги подвески

задних колес из углепластика; 15 - ступица колеса из углепластика; 16 - петля

двери из углепластика; 17 - дверь с дополнительными армирующими

элементами; 18 - дверь из углепластика; 19 - нейлоновый бак для горючего

(57 л); 20 - задний бампер из углепластика; 21 - пластмассовая задняя панель;

22 - каркас переднего сиденья из углепластика; 23 - крышка багажника

из углепластика

 

 


Таблица 5. Масса деталей из углепластика экспериментального

автомобиля фирмы «Форд»

Наименование

детали

Масса сталь­ных

деталей, кг

Масса дета­лей

из плас­тика, кг

Снижение

массы кг, %

Кузов

209,1

94.3

114,8-61

Рама

128,3

94,0

34,3 - 27

Передняя панель

43,5

13,3

30,2 - 70

Капот

22,2

7,6

14,6-66

Крышка багажника

19,4

6,3

13,1 -67

Бампер

55,8

20,1

35,7 - 74

Диски колес

41,7

22,4

19,3-46

Двери

70,6

27,7

42,9 - 61

Другие детали

31,4

16,2

15,2-49

Итого

622,0

301,9

320,1 - 51


Фирмы «Дженерал моторе» (США), «Крайслер» (США), «Мерседес Бенц» (ФРГ) и «Вольво» (Швеция) разрабатывают приводные (кардан­ные) валы, рессоры и другие детали из углепластиков, а фирма «Пли­мут» (США) ведет работы по применению углепластиков в деталях дви­гателя. Например, значительное повышение экономичности двигателя достигается благодаря снижению массы поршневых пальцев, шату­нов, штока толкателя клапана, клапанного коромысла и других дета­лей двигателя. По сравнению с другими материалами использование углепластиков, в том числе армированных волокнами термопластов, экономически целесообразно. Полимерная матрица должна выдержи­вать в условиях эксплуатации высокие температуры и нагрузки. По­этому изучается возможность использования в качестве полимерных матриц термостойких эпоксидных смол, полиимидных смол, полиэфирсульфонов, полиэфиркетонов и других смол.

Изготовление листовых рессор. Жесткость одной стальной пла­стины рессоры, выдерживающей определенную нагрузку (пластина с определенной толщиной), оказывается очень высокой - постоянная пружины будет ниже необходимой. Поэтому до настоящего времени использовались рессоры, состоящие из нескольких пластин (в легковых автомобилях - из 2-4 пластин, а в грузовых автомобилях - из 10 и больше пластин). Если же использовать углепластики, обладающие к тому же очень высокими усталостными характеристиками, то можно существенно снизить массу листовых рессор (табл. 6).

 

Таблица 6. Сравнение различных листовых рессор

Характеристика*

Сталь

Угле­пластик

Стеклопластик

Гибрид на основе УВ и СВ**

Толщина отдельного листа рессоры, мм

10,1

14,8

21,6

23,3

Число листов в рессоре, шт.

4

2

2

1

Общая масса, кг

47,3

14,5

27,5

13,7

Снижение массы, %

0

69

42

71

Свойства материала

Усталостная проч­ность, МПа

600

1080

500

-

 

Усталостный модуль упругости, ГПа

210

130

40

-

 

Плотность, т/м3

7,8

1,56

2,00

1,87

*Длина пролета рессоры - 1500 мм, ширина рессоры 100 мм, нагрузка -18 000 Н, постоянная пружины - 100 Н/мм.

**УВ - углеродные волокна, СВ - стеклянные волокна.


 

Используя гибридные композиционные полимерные материалы на основе стеклянных и углеродных волокон, можно получить еще более высокие характеристики листовых рессор, чем при использовании угле­пластиков. Листовые рессоры из армированных пластиков можно изго­тавливать методом горячего прессования с высокой экономической эффективностью.

При использовании углепластиков для изготовления приводных (карданных) валов снижается их масса, увеличивается критическая ско­рость вращения, увеличивается длина приводного вала (возможность изготавливать не двухступенчатые, а одноступенчатые валы), повыша­ются вибрационные и снижаются шумовые характеристики валов, воз­растает их коррозионная стойкость.

В настоящее время разрабатываются различные конструкции при­водных валов, схема наиболее удачной из них приведена на рис.5.

 

Рис. 5. Схема конструкции приводного вала из армированных пластиков:

1 - слой стеклопластика, угол намотки 80-90; 2 - слой углепластика, угол

намотки 0-10°; 3 - слой гибридного полимерного композиционного материала

на основе углеродных и стеклянных волокон, угол намотки +45°

 

При формовании валов используют сочетание методов намотки ни­тями (или жгутами) и «ковровой» намотки. В табл. 7 приведены дан­ные о снижении массы приводных валов, рессор и рам благодаря ис­пользованию углепластиков.

Ожидается, что при расширении области применения углепласти­ков их стоимость снизится. Разработка сравнительно дешевых методов массового производства в ближайшем будущем приведет к тому, что различные композиционные материалы и, в первую очередь, углепла­стики получат широкое применение в автомобилестроении.

 

Таблица 7. Снижение массы деталей автомобилей благодаря использованию углепластиков

Наименование детали

Масса детали, кг

Из стали

Из угле­пластика

Снижение массы, %

Приводной вал автомобиля

легкового

5,7

2,9

48

 

грузового

74,8

22,7

70

Листовая рессора автомобиля

легкового

50,8

10,0

80

 

грузового

59,0

13,6

77

Рама грузового автомобиля

725,7

136,1

81

Применение КМ в строительстве

К композитам, применяемым в строительстве, кроме традиционных (высокая прочность и жесткость, низкая стоимость, технологичность и др.), предъявляют и специфические требования:

- высокая теплоизолирующая способность;

- огнестойкость (негорючесть);

- долговечность (светостойкость, атмосферостойкость, срок службы, исчисляемый десятками и сотнями лет);

- обитаемость - удовлетворение санитарным нормам по уровню выделения вредных продуктов.

Кроме этого, к строительным конструкциям часто предъявляют по­вышенные требования, касающиеся износа, декоративного вида, аку­стики и др. В настоящее время наиболее употребительным композици­онным материалом для строительных целей является стеклопластик на основе различных наполнителей и связующих. Использование других видов композитов затруднено в силу достаточно высокой их стоимости.

Требования к строительным материалам на основе композитов

Горючесть. Все пластики могут быть разрушены при воздействии достаточно высоких температур. Наполнители, пластификаторы и дру­гие компоненты сильно влияют на их воспламеняемость. Одни пластики не воспламеняются, другие обладают способностью к самогашению, а третьи сгорают с той или иной скоростью. Состав продуктов сгорания зависит не только от состава материалов, но и от условий горения. При избытке воздуха основными продуктами сгорания являются двуокись углерода и вода, однако при дефиците кислорода в больших объемах образуются моноокись углерода и дым. Выделение дыма также зависит от состава материалов. Некоторые из наименее огнеопасных пластиков выделяют при горении очень большое количество дыма.

Методы испытаний. Почти во всех нормах и правилах приняты методики испытаний, разработанные Американским обществом по ис­пытанию материалов (ASTM).

ASTM Е-119, огнестойкость. В этом испытании образец большой площади устанавливают в качестве перегородки в печи, имеющей раз­меры комнаты. Газовое пламя с контролируемой и постепенно повышающейся интенсивностью воздействует на одну из сторон образца. На этой (горячей) стороне температуру повышают до 538°С за пять минут, до 704°С - за десять минут, до 927°С - за один час и до 1093°С - за че­тыре часа. Материал считают приемлемым, если средняя температура на обратной стороне образца не превышает 121°С. Кроме того, ни пла­мя, ни дым не должны проникать сквозь испытываемый образец. Мате­риалы классифицируют по времени (в минутах или часах), необходи­мому для достижения на обратной стороне температуры 121°С либо для проникания пламени или дыма.

ASTM Д-635, возгораемость. Один конец горизонтального стержня размерами 6,35x12,7x127 мм помещают на глубину 25 мм в пламя бунзеновской горелки на 30 с и отмечают скорость, с которой он горит. Ес­ли образец не воспламеняется в течение первых 30 с, испытание по­вторяют. В общем случае рекомендовано материалы, горящие со ско­ростью более чем 63,5 мм/мин, исключить из числа используемых в строительной промышленности, даже несмотря на то, что эту скорость называют умеренной. Материал, горящий со скоростью менее чем 38 мм/мин, считают горящим медленно. Введение в состав материала наполнителей или волокнистых упрочнителей может заметно ускорять или замедлять его горение.

ASTM E-84, скорость распространения пламени. Испытания про­водят в камере из огнеупорного кирпича длиной 7,62 м, шириной 45,7 см высотой 30,5 см. Испытываемый образец устанавливают на место по­толка этого туннеля и поддерживают зажимами вдоль длинных краев. Мощная газовая горелка, поджигает образец в одном из концов туннеля и обеспечивает избыток энергии горения. Скорость распространения пламени определяют в течение десяти минут или в течение времени, за которое пламя проходит всю длину туннеля. Выделение дыма на вы­ходном конце туннеля измеряют фотоэлементом, показывающим долю света от какого-либо источника, которая поглощена отходящим дымом. Вклад образца в энергию горения учитывают термопарой, установлен­ной на выходе из туннеля.

Результаты испытания соотносят с результатами испытаний асбе­стовой плиты, скорость распространения пламени горения которой, дымовыделение и вклад в энергию горения приняты за нуль, и 16-миллиметровой доски из красного дуба, аналогичные параметры кото­рой приняты за 100. Если при испытании материала пламя прошло длину, составляющую 25% дальности прохождения пламени вдоль красного дуба, то его показатель скорости распространения пламени оценивают в 25 баллов. Если материал воспламеняется по всей своей длине за половину времени (2,25 мин.), характерного для красного дуба (4,5 мин), тогда скорость распространения пламени для такого мате­риала составляет 200 баллов. Для расчета дымовыделения строят диа­граммы зависимости снижения показаний фотоэлемента от времени. Площадь под этой кривой сравнивают с аналогичной величиной для красного дуба. Если у какого-либо материала эта площадь в три раза больше, то его дымовыделение оценивают в 300 баллов.

Основные региональные правила, касающиеся скорости распро­странения пламени, составлены в соответствии с инструкциями Е-84. С некоторыми отклонениями они предписывают, что скорость распреде­ления пламени отделочных материалов для вертикальных внутренних лестниц не должна превышать 25 баллов при стандартных туннельных испытаниях, для других проходов - не выше 75 баллов, максимальная скорость распространения пламени во внутренних помещениях должна быть в пределах от 75 до 225 баллов в зависимости от их расположе­ния.

Нормы. Основные строительные нормы 1970 г. Американской кон­ференции по строительству определяют несгораемые материалы следующим образом.

Несгораемыми называют материалы, которые в используемой форме удовлетворяют какому-либо из требований, приведенных ниже.

1) Материалы, которые выдерживают испытания в печи, темпера­тура которой 750°С. В течение пяти минут их температура не должна вырастать (по показаниям термопары на поверхности или внутри мате­риала) более чем на 30°С в сравнении с температурой воздуха в печи в начале испытания, и он не должен воспламеняться после помещения в такую печь на 30 с.

2) Материалы, структурная основа которых относится к категории несгораемых согласно п.1 и толщина поверхностных слоев которых со­ставляет не более 3,175 мм. Их скорость распространения пламени не превышает 50 баллов.

3) Материалы, не вошедшие в п.п. 1 и 2, обладающие скоростью распространения пламени не выше 25 баллов при отсутствии следов прогрессирующего горения.

Атмосферная и химическая стойкость. Под воздействием раз­личных факторов стеклопластики стареют. Наружная их поверхность при эксплуатации на открытом воздухе без соответствующих мер защи­ты теряет товарный вид. Происходит растрескивание и шелушение свя­зующего в наружном слое, стеклянное волокно выступает на поверх­ность изделия, материал расслаивается, и снижаются многие важные его показатели.

Установлено, что старение стеклопластиков, используемых на от­крытом воздухе, является результатом комплексного действия следую­щих процессов: цепных реакций окисления, которые инициируются све­том, теплом, озоном и вызывают деструкцию связующих, температурно-влажностных деформаций связующего, которым препятствуют волокна. Это вызывает перенапряжение в связующем и нарушение адгезии меж­ду волокнами и смолой, проникновение влаги внутрь стеклопластика с последующим выщелачиванием стекла, а также абразивное действие пыли.

Старение стеклопластиков происходит значительно интенсивнее, если воздействие атмосферных факторов сопровождается длительно действующими напряжениями, близкими по величине к допустимым на­пряжениям материала.

Установлено, что стеклопластики на основе полиэфирных, эпок­сидных и фенольных связующих после трехлетней выдержки на откры­том воздухе в различных климатических зонах сохраняют не менее 90% исходной прочности.

Основные направления применения композитов в строительстве

За рубежом накоплен опыт изготовления из стеклопластиков раз­личных строительных конструкций и деталей. Широкое распростране­ние получили декоративные и защитные панели, а также легко транс­портируемые и устанавливаемые сборные конструкции. Однако преоб­ладающими являются пространственные конструкции: оболочки, купо­ла. На долю несущих конструкций (арок, консольно-балочных систем, опор, навесов и т.д.) приходится около 19%. Широко используют про­стейшие плоские конструкции: панели, стеновые перегородки, листы для внутренней и наружной отделки.

В США стеклопластики используют, главным образом, в промышленном, сельскохозяйственном и коммунальном строительстве. Используют, в основ­ном, облицовочные панели построек, резервуаров, бункеры силосных башен и т.д. Стеклопластики используют для замены стали в строительстве силос­ных башен. Одним из распространенных строительных элементов явля­ются трехслойные панели из полиэфирного стеклопластика с полиуретановым заполнением. Это позволит еще больше увеличить объем ис­пользования стеновых панелей из стеклопластика для промышленных и коммунальных сооружений.

В Англии широкое распространение получили облицовочные панели из полиэфирных стеклопластиков. Крупнейшим их поставщиком являет­ся фирма «Индулекс», однако в отличие от американских конструкций они заполнены легким пенообразным бетоном. Расширено производство строительных изделий и панелей из премиксов, оконных рам, изготовленных на основе препрегов.

В бывшем СССР был подготовлен к освоению и выпускался сле­дующий ассортимент строительных деталей и элементов из стеклопла­стиков: карнизы, балконные плиты, ограждения лестниц й балконов, хо­лодная прозрачная кровля, плинтусы, подоконники, балки, стеновые панели, сантехнические изделия, полупрозрачные и другие плиты для световых двориков, плиты для огнестойких перегородок, элементы вен­тиляционных систем и др.

Основными областями применения стеклопластиков в строитель­стве можно пока считать несущие конструкции, светопрозрачные покры­тия и опалубку.

Несущие конструкции. Удельная прочность и жесткость строительных конструкций из стеклопластиков значительно выше, чем конст­рукций, изготовленных из большинства традиционных материалов. Для увеличения жесткости и уменьшения расхода материала поперечные сечения изделий из стеклопластика выполняют коробчатой, лотковой или других форм. Коробчатые и лотковые поперечные сечения сплошных плоских несущих конструкций изготовляют либо наклейкой контактным способом пропитанного стеклохолста или ткани на заранее заготовлен­ную форму, либо склеиванием отдельных профилей стеклопластика. Использование стеклопластиков в большинстве случаев наиболее эффективно в пространственных конструкциях, которые, как правило, являются одновременно несущими й ограждающими, в отличие от плоских конструкций, где несущие и ограждающие функций разделе­ны. Одно из главных достоинств панелей из стеклопластиков — их не­большая масса: 1 м2 стеновых панелей из стеклопластиков весит при мерно в 4,5 раза меньше 1 м2 кирпичных трехслойных панелей, а 1 м2 кро­вельных панелей в 3-4 раза меньше панелей из железобетона.

Светопрозрачные покрытия. В настоящее время организовано промышленное производство волнистого стеклопластика с использова­нием высокопроизводительных установок непрерывного действия. Вол­нистые стеклопластики предназначены для устройства кровельных покры­тий многих видов зданий и сооружений. В небольших количествах их приме­няют при строительстве разных объектов, в том числе и капитальных зда­ний. Но в большинстве случаев они предназначены для кровельных по­крытий некапитальных и неотапливаемых зданий и сооружений. Помимо светопрозрачности, они обладают относительно малой массой, различ­ными цветовыми характеристиками, большим термическим сопротивле­нием, лучшим рассеиванием света и т.д. Наиболее часто стеклопласти­ки используют при строительстве промышленных и общественных зда­ний и сооружений, а также в устройствах специального назначения лавным образом, в ограждающих конструкциях в виде панелей и про­емов освещения взамен силикатного стекла.

За рубежом светопроницаемые панели из стеклопластиков получи­ли достаточно большое распространение в промышленном и граждан­ском строительстве.


Типы строительных материалов и полуфабрикатов

Листовой полиэфирный стеклопластик. Материал горючий. Его выпускают в виде плоских и волнистых листов длиной 1000-6000 мм, шириной 800-1200 мм, толщиной 1,5-1,9 мм. Коэффициент светопропускания составляет 35-75%. Предел прочности материала марки С -60 МПа, марки Н - 50 МПа, марки О -40 МПа.

Конструкционно-отделочный стеклопластик ЛТС. Его изготавли­вают горячим прессованием из пресс-материала ПМ-214 и специальной бумаги, пропитанной карбамидными смолами. Трудновоспламеняем. Материал выпускают в виде плоских листов длиной 1400 мм, шириной 650 мм и толщиной 3, 4, 5, 6 мм. Плотность р=1,8 г/см3. Предел прочно­сти на растяжение - 80 МПа. Горючесть (по методу «огневой трубы») составляет 10%.

Листовой стеклопластик на основе композиций смол. Его изго­тавливают горячим прессованием стекломатов различных цветов. Лис­ты производят длиной 925-1800 мм, шириной 1100 мм, толщиной 1-1,8 мм. Плотность ρ=1,0-1,8 г/см3. Предел прочности на изгиб - 60 МПа. Водопоглощение - 2,5%.

Стеклопластик ДС-18-ОТ. Его изготавливают на основе мата ХЖКМ и стеклоткани различных марок. Материал выпускают длиной 1000-2000 мм, шириной 800-1200 мм, толщиной 2-6,5 мм. Плотность -1,4-1,6 г/см3. Предел прочности на изгиб - 70 МПа. Водопоглощение -1 %. Горючесть - 5%.

Стеклопластик ФСП. Изготавливают пропиткой стеклоткани или сетки фенолформальдегидными смолами с последующим прессовани­ем. Примеры:

Стеклотекстолит КАСТ-В. Листы из этого материала выпус­кают длиной 2400 мм, шириной 600-1200 мм, толщиной 0,5-35 мм. Их применяют в трехслойных конструкциях, в том числе для работы в химически агрессивных средах.

Прессовочные и литьевые материалы разделяют на ориентирован­ные и неориентированные.

Неориентированный пресс-материал ДСВ выпускают в виде гра­нул из комплексных стеклонитей и термореактивных смол. Марка ДСВ-2 содержит две нити, ДСВ-4 - четыре нити. Гранулы марок Л - длиной 6 мм, О - 10 мм, П - 20 мм. Этот материал применяют для изготовления конструкционных деталей.

Стеклонаполненные термопласты КПС-30 и КВС-30 выпускают на основе капроновых смол, наполненных комплексными стеклонитями. Его применяют для изготовления деталей повышенной прочности.

Пресс-материал АГ-4 выпускают марок АГ-4С, АГ-4НС, АГ-4В и применяют для изготовления гаек, болтов, прокладок, работающих в химически агрессивных средах. Поставляют материал АГ-4С в виде лент и полотен различной ширины (изготовляют на фенолформальдегидном связующем Р-2), АГ-4НС - тоже, но из некрученых нитей, АГ-4В - пресс-композиция из хаотически расположенных волокон.

Премиксы - прессовочные материалы, содержащие композиции с волокнами различной длины (ПСК-5, ПСК-20, ПСК-30) с порошковым химически нейтральным наполнителем (мел, каолин) и пигментом. Свя­зующее - полиэфирные, эпоксидные смолы. Стоимость премиксов не­высокая, поэтому они получили широкое распространение.

Препреги АП-66-151А, АП-66-151Б изготавливают на основе стирольной полиэфирной смолы. Материал ПП-5М - на основе бесстирольного полиэфирного связующего. Поставляют в виде рулонов или листов с двухсторонней защитной пленкой. Применяют для прессова­ния крупногабаритных разнотолщинных изделий с выступами, углубле­ниями и ребрами.

Примеры строительных конструкций из КМ

Из волокнистых композиционных материалов можно изготовить стандартные линейные элементы, например, двутавры, прутки и т.д., применяющиеся в строительной промышленности, однако они не все­гда выдерживают конкуренцию с подобными деталями из традиционных металлов или дерева. Наиболее выгодно использовать композицион­ные материалы в конструкциях, обладающих жесткостью и прочностью благодаря своей форме. Примерами таких конструкций служат оболоч­ки и гофрированные пластины.

Оболочки имеют искривленную поверхность (рис. 6). Кривизна их может быть одинарной, полученной изгибом плоского листа, или двойной, т.е. поверхность изогнута в двух направлениях. Так как пла­стикам можно придавать любую окончательную конфигурацию, то наи­более предпочтительными часто оказываются оболочки двойной кри­визны вследствие присущей им жесткости в отличие от оболочек оди­нарной кривизны.

 

Рис. 6. Типы оболочек:

а) коноид - пример простой кривизны;

б) гиперболический параболоид - отрицательная гауссиана;

в) купол - положительная гауссиана

 

Гофрированные листы. Получают путем гофрирования плоских листов до различной конфигурации (рис.7). Они могут быть подоб­ными гофрированной бумаге или призматическими в виде пирамид и тетраэдров. Их используют отдельно или вместе с другими деталями, например, комбинация призм и штанг образует пространственную пло­скую или куполообразную конструкцию. Гофрированные пластины и оболочки можно соединять со слоистыми панелями, что позволяет по­лучить высокие жесткость и прочность, характерные для толстых сече­ний, однако без чрезмерного увеличения массы.

 


Рис. 7. Сборные конструкции:

а) типы гофрированных пластин; б) итальянская сводчатая

конструкция крыши из гофрированных пластин; в) сводчатая

пространственная конструкция из шестиугольных призм и стержней

 

Конструкции мембран­ного типа. Для содержания активных веществ, занимающих большой объем, требуются большие помещения или несколько сооружений. Мембран­ные конструкции позволяют изготавливать такие сооружения с мини­мальной затратой материала. Существуют две основные конструкции мембранного типа: натянутые и конструкции, поддерживаемые избы­точным давлением воздуха (надувные). В обоих типах мембраны нахо­дятся в натянутом состоянии, поэтому конструкции сохраняют свою форму и не разрушаются. Мембраны обычно изготавливают из компо­зиционных материалов, представляющих собой ткань из стекловолокон или других высокопрочных волокон, таких, как нейлон, покрытый пла­стиком, например, полихлорвинилом.

В натянутых конструкциях для получения больших замкнутых про­странств используют комбинации тросов и мачт (или подпорок) с натя­нутыми мембранами. Тросы туго натягивают между мачтами и прикреп­ляют анкерами к земле. Мембраны из пропитанной ткани или прозрач­ного пластика растягивают поверх тросов.

В настоящее время наблюдается значительный рост как числа, так и размеров конструкций, поддерживаемых внутренним избыточным воздушным давлением. Эти конструкции, как правило, представляют собой прозрачные мембраны из пластиков или тканей из стекловолокон или нейлона, покрытых пластиками. Наиболее ранними примерами та ких конструкций являлись надувные кожухи антенн радаров, защищав­шие их от воздействия непогоды в Арктике и тропических районах. Позднее были построены помещения с большим внутренним объемом для складов, спортивных площадок и для теплиц.

За рубежом широко применяют стеклопластиковые телеграфные столбы высотой 11 м и диаметром 28 см. Не уступая по прочности ста­ли, они выгодно отличаются малой массой. Например, масса одного стеклопластикового столба составляет всего 50 кг, тогда как аналогич­ной деревянной опоры - около 340 кг. Существенное значение имеет и высокая деформативность стеклопластиковых столбов. В результате этого при обрыве проводов в одном из пролетов усилия в необорванных проводах смежных пролетов значительно снижаются. Наконец, стеклопластиковые столбы более долговечны, чем деревянные. Несмотря на то, что стоимость стеклопластиковых столбов несколько выше деревян­ных, затраты окупаются благодаря перечисленным преимуществам строительного материала.

Широко используют за рубежом дымовые трубы из стеклопластика. Это обусловлено их небольшой массой и, следовательно, малыми за­тратами на устройство фундаментов, легкостью их монтирования и очи­стки. Но главное преимущество стеклопластиковых труб заключено в их способности противостоять воздействиям различных агрессивных ве­ществ (летучей золы, кислотных и щелочных паров и т.д.), которые пе­ремещаются по ним вместе с газами, а также в их антикоррозионной стойкости. Например, по данным некоторых зарубежных фирм, вытяж­ные трубы металлургических производств, изготовленные из обычной стали, выходят из строя через несколько недель, трубы из нержавею­щей стали эксплуатируются месяцами, а стеклопластиковые - годами. Поэтому, несмотря на более высокую первоначальную стоимость стек­лопластиковых труб, в конечном итоге они обходятся на 20% дешевле, чем стальные.

Некоторые примеры применения армированных пластиков в строи­тельстве приведены на рисунках 8-12.

 


Рис. 8. Фрагмент сводчатой конструкции

 

Рис. 9. Общий вид купольного сооружения из стеклопластика

 

Рис. 10. Теплица, смонтированная из цельноформованных элементов

 

Рис. 11. Стеклопластиковый опорный купол над зданием рынка (Франция)

 

 


 

Рис. 12. Цельнопластмассовый дом из трёхслойных гиперболических элементов (США)

 

Вопросы для самопроверки

- Какие виды механической обработки применяются для КМ?

- Особенности процесса резания ПКМ.

- Как влияет механическая обработка на качество ПКМ?

- Какие материалы применяют для резцов при обработке КМ и почему?

- В чем особенности механической обработки органо- и боропластиков?

- Какие типы резьбы используются в КМ?

- Перечислите методы резки КМ.

- Основные правила безопасности при механической обработке КМ.

- Назовите основные задачи конструирования железнодорожных транспортных средств.

- Каковы преимущества выборочного армирования для элементов конст­рукции подвижного состава?

- Каковы наиболее перспективные направления использования компози­тов для железнодорожного транспорта?

- Укажите наиболее целесообразные типы армирующих наполнителей и связующих?

- Какие добавки позволяют повысить огнестойкость конструкций из арми­рованных пластиков при применении для элементов конструкций железнодо­рожного транспорта?

- Основные преимущества использования многослойных конструкций.

- Основные направления применения стеклопластиков в конструкции ав­томобиля.

- В чём преимущества применения препрегов для изготовления деталей автомобиля?

- В чём преимущества изготовления рессор автомобилей из армирован­ных пластиков?

- Перечислите основные требования к материалам, используемым в строительстве.

- Как определяется горючесть материалов?

- Как классифицируются материалы по негорючести?

- Основные причины старения материалов в условиях атмосферного воздействия.

- Каковы основные направления применения композитов в строительной индустрии?

- Определите типы строительных материалов и полуфабрикатов, исполь­зуемых в строительстве.

- Какие строительные элементы наиболее целесообразно изготавливать из композитов?


email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

Теоретическая механика   Сопротивление материалов

Прикладная механика  Строительная механика  Теория машин и механизмов

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru Каталог-Молдова - Ranker, Statistics

Directrix.ru - рейтинг, каталог сайтов