15. Тексин И.В. Способ получения отверстий в заготовках из ВКМ

>> К списку публикаций >> К содержанию сборника

УДК 539.3

Тексин И.В.

Научный руководитель – доцент Желтов И.Н.

Успехи науки в области материаловедения за последние два десятилетия привели к созданию нового класса материалов, так называемых композиционных материалов (КМ), уровень свойств которых несравненно выше уровня свойств существующих традиционных сплавов. Физико-химические свойства таких материалов отличаются от свойств компонентов, из которых они изготовлены, что открывает широкие возможности для их использования. В современных ЛА большое распространение получают детали из волокнистых композиционных материалов. Применение их в конструкциях ЛА позволяет снизить массу на 15-50% при сохранении эксплуатационных характеристик.

Разработан способ получения отверстий малого диаметра, при котором производят нагрев зоны деформирования до температуры на 20^о – 60^о ниже температуры плавления связующего вещества и одновременно с приложением усилий в направлении, перпендикулярном плоскости заготовки, прикладывают усилия, имеющие колебательный характер в направлении, параллельном плоскости заготовки. Кроме того, пуансон жестко закреплен верхним торцем в концентраторе-инструменте, соединенном с ультразвуковой установкой, и в прижиме и матрице соосно с направляющими отверстиями выполнены концевые выточки, диаметр которых равен двум диаметрам направляющего отверстия, а глубина определяется из соотношения:

где h – глубина кольцевой выточки;

S – толщина листовой заготовки.

На рисунке 1 приведен общий вид устройства в исходном положении; начальная, промежуточная и заключительная стадии процесса получения отверстия

Предлагаемое устройство для получения отверстия малого диаметра в заготовках из волокнистых композиционных материалов (ВКМ) апробировано в лабораторных условиях. Например, были получены отверстия Æ 1 мм в листовом композиционном материале бор-алюминий с толщиной S=2;3 мм. Нагрев заготовки

Рисунок 1 - Способ получения отверстий малого диаметра под игольчатые точечные соединения

вместе с матрицей и прижимом производился в печи до температуры t=520° C, а затем производился процесс получения отверстий на ультразвуковом станке. Полученные отверстия имели точность Н9 – Н11 и шероховатость Rz20 - Rz40. Контроль целостности армирующих волокон в зоне отверстия, произведенный с помощью микроскопа УИТ-23 после поверхностного травления, показал, что в зоне периметра отверстий волокна смещены в направлении, перпендикулярном армированию, и степень их разрушения колеблется в пределах 10-20% от общего числа волокон. Использование предлагаемого способа позволяет сохранить целостность армирующих волокон ВКМ по периметру отверстия, происходит раздвижение волокон без их разрушения, что приводит к сохранению прочностных свойств ВКМ независимо от получения отверстий. Кроме того, усилия прижима значительно меньше обусловленных прочностью ВКМ в направлении толщины листа предельных усилий, а малые усилия пробивки способствуют повышению стойкости пуансона, и из-за отсутствия прямого контакта пуансона с острыми кромками разрушенных армирующих волокон повышается его износостойкость. Полученные бобышки могут быть легко удалены, так как в них отсутствуют армирующие волокна. Они могут быть удалены лезвийным инструментом, либо могут быть использованы в качестве защиты волокон ВКМ в процессе получения механического точечного соединения. Равномерное, объемное точение связующего материала во всех направлениях будет способствовать незначительному изгибу волокон только в направлении, перпендикулярном оси отверстия.

Устройство для осуществления способа содержит прижим 1 с направляющим отверстием, диаметр которого находится из соотношения

,

где - диаметр цилиндрической части пуансона 2, - зазор, определяемый в процессе эксплуатации. Кроме того, в прижиме 1 соосно с направляющим отверстием выполнена кольцевая выточка 3, диаметр которой равен двум диаметрам направляющего отверстия, а глубина - h.

Прижим 1 снабжен кольцевым индуктором 5 с изолятором 6, а также термопарой 7,спаяный конец которой помещен в зону нагрева, а холодный выведен на потенциометр 8, соединенный с синхронизатором 9 . Матрица 4, также как и прижим 1, имеет направляющее отверстие с кольцевой выточкой 3 и кольцевой индуктор 5. Пуансон 2 жестко закреплен верхним торцем в концентраторе – инструменте 10, который, в свою очередь, соединен с ультразвуковой установкой, состоящей из магнитострикционного преобразователя 11 и генератора 12 токов ультразвуковой частоты (Вайншток И.С. “Ультразвук и его применение в машиностроении”, М. Машгиз, 1958г., стр. 45 – 55). Генератор 12 и кольцевые индукторы 5 также соединены с синхронизатором 9.

Предлагаемый способ осуществляется в такой последовательности.

Заготовку 13 из листового волокнистого композиционного материала размещают на рабочей позиции матрицы 4; прижимают прижимом 1; в зоне деформирования осуществляется нагрев кольцевым индуктором 5 до температуры на 20° – 60° ниже температуры плавления связующего вещества. Верхний температурный предел обусловлен необходимостью сохранения первоначального структурного состава связующего вещества и предохранения от прилипания заготовки к матрице и прижиму, нижний предел необходим для приведения связующего материала в состояние максимальной пластичности. При достижении заданной температуры сигнал от потенциометра 8 поступает на синхронизатор 9, который отключает индукторы 5 и приводит в действие генератор 12 токов ультразвуковых частот. К пуансону 2 через концентратор-инструмент 10 прикладываются усилия, имеющие колебательный характер в направлении, параллельном плоскости заготовки 13. Одновременно к пуансону 2 прикладываются усилия постоянного характера в направлении, перпендикулярном плоскости заготовки 13, и происходит внедрение его в заготовку 13.

Ультразвуковые колебания, совершаемые пуансоном 2, будут способствовать вытеснению связующего вещества по периметру отверстия в кольцевую выточку 3 прижима 1, а также тому, что по мере внедрения пуансон 2 будет раздвигать армирующие волокна ВКМ, не разрушая их. По мере продвижения пуансона 2 вглубь листовой заготовки 13 кольцевая выточка 3 в прижиме 1 полностью заполняется вытесненным связующим веществом, формообразуя верхнюю бобышку на поверхности заготовки 13. Начинается вытеснение связующего вещества в кольцевую проточку 3 матрицы 4. Глубина выточек 3 обеспечивает беспрепятственное вытеснение связующего вещества как пуансоном 2, так и раздвигаемым им армирующим волокном. Конечная стадия процесса получения отверстия малого диаметра характеризуется полным проходом пуансона 2 через листовую заготовку 13 и выходом его в направляющее отверстие матрицы 4. Армирующие волокна ВКМ раздвигаются пуансоном 2 по всей толщине заготовки 13, а вытесненный из нижней зоны пробивки связующий материал полностью заполняет кольцевую выточку 3 в матрице 4. По окончании процесса пуансон 2 возвращается в исходное положение и срабатывает синхронизирующее устройство 9, которое отключает генератор 12 токов ультразвуковых частот от питания.