CC BY
81
УДК 678
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 460-465
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. Ю. Власов*, К. А. Пасечник, В. А. Мартынов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660059, г. Красноярск, ул. Семафорная, 433, корп. 1 E-mail: [email protected]
Полимерные композиционные материалы, ввиду возможности варьирования их свойств в широком диапазоне, находят свое применение во многих отраслях промышленности, например, в аэрокосмической, машиностроительной и т. д. Представлены сведения о проектировании и производстве серийных партий прецизионных изделий сложной формы на основе полимерного композиционного материала углепластика методом пропитки наполнителя связующим материалом под давлением в замкнутой форме. Указаны основные конструкторские и технологические требования, предъявляемые к исходным материалам, формовочному инструменту и изделиям. Проведен прочностной расчет и показаны результаты прочностного анализа спроектированной конструкции антенного рефлектора на основе углепластика. Проведен прочностной расчет и показаны результаты прочностного анализа спроектированной конструкции X-образного фитинга на основе углепластика. Проведен прочностной расчет и показаны результаты прочностного анализа спроектированной конструкции кронштейна на основе углепластика. Указаны основные аспекты технологического процесса изготовления прецизионных изделий сложной формы из углепластика методом пропитки наполнителя связующим под давлением в замкнутой форме.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, углепластик, прецизионные изделия, трансфер-ное формование, антенный рефлектор, фитинг, кронштейн.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 460-465
DESIGN AND TECHNOLOGICAL ASPECTS OF CREATION OF PRECISION PARTS WITH COMPLEX SHAPE FROM POLYMER COMPOSITE MATERIAL
A. Yu. Vlasov*, K. A. Pasechnik, V. A. Martynov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 433/1, Semafornaya Str., Krasnoyarsk, 660059, Russian Federation E-mail: [email protected]
Polymer composite materials apply in various fields of engineering, such as aerospace, transport and sport. We presented some information about design and manufacturing the batch production of precisions parts with complex shape based on polymeric composite material - carbon fiber reinforcement plastic which we manufactured by resin transfer molding. We showed the main design requirements which we have to apply to raw material, such as polymer matrix and reinforcement, tooling and the construction of part and finish product. We indicated the main technological requirements that we have to take into account for choosing raw materials, such as polymer matrix and reinforcement, tooling and the construction of part and product considering the fact that the final products have to operate in space. We had some specific requirements because of that. The requirements by strength construction and shall construction are different. We used finite elements method for strength analysis of designed antenna reflector constructions based on carbon fiber reinforcement plastic and showed the results as well. We used finite elements method for strength analysis of designed X-shaped fitting constructions based on carbon fiber reinforcement plastic and showed the results. We used finite elements method for strength analysis of designed bracket constructions based on carbon fiber reinforcement plastic and showed the results. We delivered the major aspects about technological process of manufacturing precisions parts with complex shape based on carbon fiber reinforcement plastic by resin transfer molding.
Keywords: polymer composite material, carbon fiber reinforcement plastic, precision parts, resin transfer molding, fitting, bracket.
Введение. Возможность управлять свойствами материала в широких пределах, высокая производительность методов изготовления изделий на их основе при обеспечении воспроизводимости структурных и геометрических параметров изделий определяют полимерные композиционные материалы (ПКМ) как ведущие материалы, применяемые для нужд аэрокосмической, транспортной, строительной и электронной промышленности [1-5].
Ключевым преимуществом ПКМ по сравнению с традиционными материалами, такими как металлы, является их специфическое отношение прочности к весу, а также коррозионная стойкость ко многим химическим веществам и долговечность эксплуатации в агрессивных условиях. Использование ПКМ в конструкциях космического назначения позволяет увеличить полезную нагрузку космического аппарата, снизить расход топлива и уровень выбросов [6-12]. Из ПКМ могут быть изготовлены как оболочечные конструкции - антенные рефлекторы, так и силовые элементы, например, различные фитинги и кронштейны.
Постановка задачи. Каждый вид изделия, в зависимости от назначения, имеет различные требования к конструкции и свойствам используемых материалов. К таким требованиям относятся требования по точности, размеростабильности и физико-механическим характеристикам материала и изделия. Под понятием точности понимается отклонение геометрии изготовленной детали от ее идеальной модели, установленной для антенного рефлектора, не хуже 0,08 мм. Размеростабильность в данном случае - комплексное понятие, зависящее от физико-механических свойств композита, самой конструкции в целом и их реакции на воздействующие факторы космического пространства. Важной эксплуатационной характеристикой антенного рефлектора являются величины перемещений в конструкции и, как следствие, среднеквадратичное отклонение геометрии изделия при упругих деформациях в диапазоне эксплуатационных температур, установленное не более 0,140 мм. Конструкция фитинга должна исключать возникновение деформаций, приводящих к закручиванию вокруг ее продольной оси более чем на 1' в рабочем диапазоне температур. Перечень физико-механических характеристик также выражается удельным весом, рабочим диапазоном температур изделия (от -160 до +140 °С), собственной частотой его колебаний (не менее 60 Гц для рефлектора), а также прочностными показателями материала.
Для обеспечения требований необходима реализация комплексного подхода к анализу и проектированию конструкции, выбору армирующих материалов и полимерной матрицы композита, выбору схемы армирования при их единовременном синтезе с технологическими аспектами производства.
Основная часть. Интегральная конструкция параболического антенного рефлектора (рис. 1) состоит из тонкой оболочки сложной геометрической формы, выполненной из углепластика. Тонкая оболочка с тыльной стороны подкреплена тонкостенными ребрами жесткости, выполненными из того же углепластика. Тонкая оболочка содержит окаймляющий кант,
а ребра жесткости состоят из шестигранного элемента У-образного сечения и радиальных элементов У-образного сечения. Радиальные элементы соединяют вершины шестигранного элемента и окаймляющий кант, а верхняя кромка тонкостенного шестигранного элемента находится на одном уровне с вершиной параболоида. Соединение тонкой оболочки и ребер жесткости происходит через зоны частичного отверждения материала связующего для обеспечения монолитности детали.
Рис. 1. Общий вид антенного рефлектора: 1 - оболочка рефлектора; 2 - окаймляющий кант; 3 - ребра жесткости
Путем конечно-элементного моделирования установлено, что первая частота колебаний рефлектора с ребрами равна 64,3 Гц. Максимальные напряжения, возникающие в конструкции, равны 103,8 МПа. При моделировании упругих деформаций в диапазоне температур от -150 до +150 °С установлены максимальные перемещения в рефлекторе, равные соответственно 0,243 и 0,185 мм [13].
Конструкция Х-образного фитинга (рис. 2) состоит из четырёх интерфейсных трубчатых элементов равной толщины, пересекающихся между собой. Угловые пересечения элементов имеют зону утолщения, образующую механические упоры для установки стержней и распределения нагрузки по всей детали.
Рис. 2. Общий вид Х-образного фитинга: 1 - трубчатые элементы; 2 - зона утолщения; 3 - механический упор
Моделирование напряженно-деформированного состояния Х-образного фитинга проводилось в составе ферменной конструкции, включающей верхнее и нижнее основание, 4 абсолютно жесткие штанги, установленные на основание, при условии абсолютно жесткого контакта в месте соединения штанг и фитинга с абсолютным ограничением подвижности нижнего основания по 6 степеням свободы. Нагружая верхнее основание силой 1 кН, коэффициент запаса прочности составил 4,6. Максимальные перемещения в местах соединения фитинга со штангами определены на уровне 1,33 мм.
Кронштейн (рис. 3) представляет собой консольную опорную конструкцию, состоящую из основания, верхней, нижней и двух вертикальных стенок. Стенки образуют балку коробчатого сечения, с плавным уменьшением ее площади по мере сходимости верхней и нижней стенки. В центральной части нижней стенки находится утолщение, вызванное технологическими особенностями изготовления детали.
При моделировании кронштейн был закреплен в четырех точках на основании. Нагружая кронштейн с силой 1 кН, определен коэффициент запаса прочности конструкции, равный 8,5.
При решении задач определения прочностных параметров конструкций особое внимание уделялось выбору исходных компонентов композита. В качестве полимерной матрицы использовалось эпоксидное высокотемпературное связующее. Армирующий материал - ткань сатинового плетения на основе высокопрочных углеродных волокон.
Изготовление мелких партий перечисленных изделий осуществлялось методом трансферного формования (ЯТМ), предусматривающим пропитку сухого армирующего пакета (преформы) полимерным свя-
зующим под давлением. Особенностью изготовления антенного рефлектора являлся способ соединения оболочки рефлектора и ребер жесткости по зонам частичного отверждения связующего [14; 15]. Особенность изготовления фитинга и кронштейна - переменные геометрические и структурные параметры стенки.
Технология изготовления изделий из ПКМ заключалась в следующих основных операциях.
Изготовление антенного рефлектора:
1. Раскрой сухого армирующего материала (для всех деталей - ткань 3198 Porcher ind.) для оболочки рефлектора и ребер жесткости.
2. Дегидратация сухого армирующего материала.
3. Подготовка технологической оснастки. Нанесение разделительного материала.
4. Укладка сухого армирующего материала в технологические оснастки для формования оболочки рефлектора и ребер жесткости согласно квазиизотропной схеме армирования.
5. Смыкание технологических оснасток, их тер-мостатирование, вакуумирование, подвод охлаждающего агента к зонам для частичного отверждения.
6. Вакуумирование и нагрев материала связующего.
7. Пропитка связующим сухого армирующего материла для оболочки и ребер жесткости под давлением.
8. Выдержка при повышенной температуре для отверждения связующего вне охлаждаемых зон и создания зон частичного отверждения связующего в зонах охлаждения.
9. Размыкание технологических оснасток и смыкание матрицы для формования оболочки рефлектора с матрицей для формования ребер жесткости.
10. Финальное отверждение.
11. Извлечение изделия и механическая доработка.
12. Контроль изготовленного изделия.
Рис. 3. Конструкция кронштейна из ПКМ: 1 - основание; 2 - верхняя стенка; 3 - нижняя стенка
Изготовление Х-образного фитинга:
1. Раскрой сухого армирующего материала.
2. Дегидратация сухого армирующего материала.
3. Подготовка технологической оснастки. Нанесение разделительного материала.
4. Укладка сухого армирующего материала на оправку согласно квазиизотропной схеме армирования (рис. 4):
а) укладка первого слоя армирующего материала на каждый трубчатый элемент оправки по спирали встык;
б) каждый последующий слой армирующего материала трубчатого элемента смещен относительно предыдущего в плоскости, перпендикулярной оси трубчатых элементов на 180°, и имеет противоположное направление вращения;
в) укладка сухого армирующего материала на зону оправки, формирующую зону утолщения;
г) последовательное чередование укладки сухого армирующего материала на трубчатые элементы и зону, формирующую зону утолщения, причем каждый слой зоны утолщения смещен относительно предыдущего слоя зоны утолщения в плоскости, проходящей через оси трубчатых элементов, на 180°.
5. Установка оправки в технологическую оснастку для формования Х-образного фитинга.
6. Смыкание технологической оснастки, термо-статирование и вакуумирование, пропитка связующим сухого армирующего материала под давлением.
7. Отверждение связующего материала, извлечение изделия и механическая доработка.
8. Контроль изготовленного изделия.
Изготовление кронштейна:
1. Раскрой сухого армирующего материала.
2. Сушка сухого армирующего материала.
3. Подготовка технологической оснастки. Нанесение разделительного материала.
4. Укладка сухого армирующего материала на матрицу технологической оснастки согласно квазиизотропной схеме армирования.
5. Установка оправки на матрицу технологической оснастки, тем самым сдавливание и фиксирование положения армирующего материала.
6. Позиционирование уложенного на матрицу технологической оснастки сухого армирующего материала на установленной оправке с перекрытием выкроек в центре оправки для создания утолщения, совмещение контуров всех выкроек.
7. Установка и фиксация пуансона. Фиксация оправки.
8. Термостатирование и вакуумирование технологической оснастки, пропитка связующим сухого армирующего материала под давлением.
9. Отверждение связующего материала, извлечение изделия и механическая доработка.
10. Контроль изготовленного изделия.
Непосредственно сам процесс инжекции является
не менее трудоемким и сложным процессом, требующим учета большого число параметров, влияющих на процесс. В первую очередь, необходимо уделять особое внимание технологическим свойствам исходных компонентов. Отличие RTM от других процессов изготовления композитных деталей заключается в необходимости поддержания минимальной вязкости связующего при температуре переработки в течение заданного времени пропитки. Связующее должно смачивать поверхность армирующего материала. Помимо вязкости, время пропитки и применяемые давления инжекции зависят от проницаемости армирующего материала. При изготовлении изделий сложной формы необходимо обеспечить равномерную проницаемость армирующего пакета, поскольку при заполнении полости технологической оснастки связующим различия в структурных параметрах заготовки приводят к искривлению фронта потока и захвату воздуха.
Для получения изделий высокого качества необходимо учитывать также параметры технологической оснастки. В оснастке должна быть продумана система расположения источников питания и стока связующего. При изготовлении деталей сложной формы количество источников и стоков может быть более одного, однако необходимым условием снижения пористости при пропитке является их равномерность и сходимость к отверстиям стока связующего. В противном случае могут образовываться макропоры - большие непропитанные связующим участки преформы. Схема пропитки должна предусматривать возможность движения связующего в направлении уменьшения поперечного сечения фронта пропитки, что при прочих равных условиях снижает время пропитки. В связи с применением давления для осуществления пропитки армирующей преформы, а также учитывая деформа-тивность самой преформы, материал и конструкция оснастки должны обладать определенной жесткостью для сохранения геометрических параметров формообразующей полости, в первую очередь, толщины. При выпуске мелких и средних партий одинаковых деталей методом пропитки наполнителя под давлением колебание времени пропитки может определяться отклонением режима давлений, изменением вязкости связующего или отклонением структурных параметров заготовки, а также точностью смыкания частей технологической оснастки.
Заключение. С учетом вышеизложенной информации были изготовлены мелкие партии антенных рефлекторов, фитингов и кронштейнов (рис. 5).
Рис. 4. Схема укладки армирующего наполнителя на оправку для Х-образного фитинга
Рис. 5. Изготовленные изделия. Х-образный фитинг и кронштейн
Описанный подход к проектированию и изготовлению прецизионных изделий сложной формы является универсальным и позволяет создавать как оболочечные конструкции, так и имеющие значительно большую толщину изделия, и может быть использован при производстве высокоточных изделий из ПКМ.
Благодарности. Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации № 02.G25.31.0043.
Acknowledgements. This work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation № 02.G25.31.0043.
Библиографические ссылки
1. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб. : НОТ, 2008. 820 с.
2. Кербер М. Л., Виноградов В. М. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб. : Профессия, 2009. 560 с.
3. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб. : НОТ, 2009. 660 с.
4. Михайлин Ю. А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. СПб. : НОТ, 2013. 752 с.
5. Морыганова А. П. Современные проблемы модификации природных и синтетических волокнистых и других полимерных материалов: теория и практика. СПб. : НОТ, 2012. 446 с.
6. Long A. C. Design and Manufacture of Textile Composites. CRC Press, 2005. 492 p.
7. Цыплаков О. Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Пермь : Пермское книжное изд-во, 1975. Ч. 2. 276 с.
8. Mallick P. K. Fiber-Reinforced Composites Materials, Manufacturing, and Design. Taylor & Francis Group, LLC, 2007. 617 p.
9. Aliabadi M. H. Woven Composites. Imperial College Press, 2015. 250 p.
10. Boisse P. Composite Reinforcements for Optimum Performance. Woodhead Publishing, 2011. 696 p.
11. Baker A. Composite Materials for Aircraft Structures. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, 2004. 597 p.
12. Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. CRC Press, 2014. 598 p.
13. Разработка прецизионных антенных рефлекторов из полимерных композиционных материалов: конечно-элементное моделирование конструкции / А. В. Лопатин [и др.] // Вестник СибГАУ. 2013. № 3(49). С. 73-78.
14. Власов А. Ю., Пасечник К. А., Мартынов В. А. Исследование процесса отверждения полимерных связующих на основе анализа их диэлектрических параметров при создании тонкостенных формоста-бильных конструкций, устойчивых к негативным факторам космического пространства // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 197-201.
15. Власов А. Ю., Пасечник К. А., Мартынов В. А. Определение диапазонов изменения ключевых параметров, обеспечивающих стабильность технологического процесса производства изделий сложной формы из полимерных композиционных материалов методом RTM // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 202-208.
References
1. Mihajlin Yu. A. Konstruktsionnye polimernye kompozitsionnye materialy. [Structural polymer composite materials]. St. Peterburg, HOT Publ., 2008, 820 p.
2. Kerber M. L., Vinogradov V. M. Polimernye kompozitsionnye materialy: struktura, svoystva, tekhnologiya. [Polymer composite materials: structure, properties, technology]. St. Peterburg, Professiya Publ., 2009, 560 p.
3. Mihajlin Yu. A. Spetsial'nyepolimernye kompozitsionnye materialy. [Special polymer composite materials]. St. Peterburg, HOT Publ., 2009, 660 p.
4. Mihajlin Yu. A. Voloknistye polimernye kompozitsion-nye materialy v tekhnike. [Fibrous polymer composite materials in technique]. St. Peterburg, NOT Publ., 2013, 752 p.
5. Moryganova A. P. Sovremennye problemy modifikatsii prirodnykh i sinteticheskikh voloknistykh i drugikh polimernykh materialov: teoriya i praktika. [Modern problems of modification of natural and synthetic fiber, and other polymeric materials: theory and practice]. St. Peterburg, NOT Publ., 2012, 446 p.
6. Long A. C. Design and Manufacture of Textile Composites. CRC Press, 2005, 492 p.
7. Cyplakov O. G. Nauchnye osnovy tekhnologii kompozitsionno-voloknistykh materialov. Chast' 2. [The scientific basis of the technology of composite fiber materials. Part 2]. Perm', Permskoe knizhnoe izd. Publ., 1975, 276 p.
8. Mallick P. K. Fiber-Reinforced Composites Materials, Manufacturing, and Design. Taylor & Francis Group, LLC, 2007, 617 p.
9. Aliabadi M. H. Woven Composites. Imperial College Press, 2015, 250 p.
10. Boisse P. Composite Reinforcements for Optimum Performance. Woodhead Publishing, 2011, 696 p.
11. Baker A. Composite Materials for Aircraft Structures American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, 2004, 597 p.
12. Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. CRC Press, 2014, 598 p.
13. Lopatin A. V. [Development of composite precision satellite reflector: finite element construction modeling]. Vestnik SibGAU. 2013, No. 3(49), P. 73-78 (In Russ.).
14. Vlasov A. Yu. [Investigation of the curing process of the polymeric binder based on their dielectric parameters when creating a dimensionally stable thin-walled structures resistance to the negative space factors]. Vestnik SibGAU. 2014, No. 4(56), P. 197-201 (In Russ.).
15. Vlasov A. Yu. [Determination of the range of changes in key parameters, ensuring stability production process of complex shapes of polymer composites by method RTM]. Vestnik SibGAU. 2014, No. 4(56), P. 202208 (In Russ.).
© Власов А. Ю., Пасечник К. А., Мартынов В. A., 2016
