Введение к работе
Актуальность проблемы. Отличительной особенностью современного научно-технического прогресса является тенденция к развитию производства и применения изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ). По оценкам специалистов в настоящее время потребление ПКМ в России составляет приблизительно 0,4кг на душу населения. Вклад России в мировое производство и применение ПКМ составляет в настоящее время менее 3%. При современном уровне развития технологий такой показатель не позволяет отнести Россию к технологически развитым странам. Исходя из этого, актуальность развития высокопроизводительных и конкурентоспособных непрерывных технологий производства композиционных материалов является очевидной.
На сегодняшний день существует большой выбор связующих и армирующих наполнителей. Разработка различных схем армирования позволяет управлять прочностью, жесткостью и другими свойствами материала путем изменения состава, структуры и соотношения компонентов. Однако на предприятиях отрасли композиционных материалов сохраняется высокий объем ручного труда, особенно, при изготовлении сложных ответственных деталей. Существующие технологии изготовления длинномерных изделий из ПКМ, как правило, не реализуют возможности повышения эксплутационных характеристик изделий за счет применения сложных схем армирования. Анализ известных технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из ПКМ показывает, что они не обеспечивают выпуска широкой номенклатуры изделий, высокой производительности, получения изделий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Поэтому разработка непрерывных технологий и оборудования для производства длинномерных изделий из ПКМ является актуальной задачей, имеющей большое значение для развития наукоемких отраслей отечественной промышленности. В ряду непрерывных технологий производства изделий из ПКМ наиболее прогрессивной является технология пултрузии, представляющая собой протягивание через нагретую формообразующую фильеру массива пропитанных связующим волокон.
Во многих странах мира ежегодные темпы роста объемов выпуска изделий из металлических порошков опережают темпы роста традиционных отраслей промышленности. Рост производства изделий из порошковых композиционных материалов также предполагает развитие и совершенствование непрерывных методов формования, обеспечивающих более высокую производительность труда, высокие коэффициент использования металла и степень автоматизации. Особенно эффективными эти методы становятся при изготовлении изделий, получение которых другими способами невозможно или экономически невыгодно, например, в производстве длинномерных изделий.
Известные способы компактирования ультрадисперсных порошковых материалов позволяют получать изделия с достаточно ограниченными размерами. При этом ультрадисперсные порошковые материалы относятся к материалам с большим коэффициентом межчастичного трения. В этой связи, наиболее актуальным направлением научных исследований становится
разработка теории и технологии непрерывного формования изделий из ультрадисперсных композиционных порошковых материалов, которые распространяются на порошковые конструкционные, электротехнические, жаропрочные, жаростойкие, тугоплавкие, фрикционные, антифрикционные, капиллярно-пористые, коррозионностойкие материалы, материалы для авиации, космоса и атомной энергетики.
Цель работы. Разработка и создание высокопроизводительных технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов на базе развития научных представлений для их проектирования и математического моделирования.
Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:
- проанализировать и систематизировать современные технологии
непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и
порошковых композиционных материалов, применяемые на
высокотехнологичных предприятиях и в ведущих научно-исследовательских
организациях;
разработать математические модели процессов непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов;
- разработать прогрессивные методы, технологии и оборудование для
непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и
порошковых композиционных материалов;
- исследовать влияние различных факторов на технологические параметры
непрерывного формования изделий из полимерных и порошковых
композиционных материалов и конструктивные параметры отдельных
устройств;
- определить оптимальные схемы армирования многослойных структур
длинномерных пултрузионных изделий, работающих в условиях сложного
нагружения;
разработать методики экспериментального исследования триботехнических характеристик, напряжения текучести, окружного проскальзывания порошковых композиционных материалов и силовых параметров процесса непрерывного формования;
использовать результаты теоретических и экспериментальных исследований при создании новых технических решений, повышающих технологические параметры процессов непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных и порошковых композиционных материалов.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях материаловедения и технологии композиционных материалов, научном анализе и обобщении материалов экспериментальных исследований, методах математического и компьютерного моделирования технологических процессов изготовления изделий из полимерных и
порошковых композиционных материалов, методах математического моделирования длинномерных пултрузионных изделий. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием опытно-промышленного оборудования для непрерывного формования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась компьютерными и программными средствами вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в:
разработке комплекса методов и средств для непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов, сочетающего формообразование внутренних и наружных слоев изделий с различными схемами армирования;
математической модели процесса пултрузии, позволяющей установить закономерность распределения материала между отвержденной и неотвержденной областями внутри фильеры, и на этой основе оптимизировать технологические параметры процесса и конструктивные параметры оборудования;
прикладной теории композитного слоистого квазиортотропного пултрузионного стержня круглого поперечного сечения, находящегося в условиях сложного нагружения, позволяющей определить значения перемещений и деформаций стержня, основные компоненты напряжений, действующих в слоях стержня, межслоевые касательные напряжения и произвести оценку прочности стержня;
- предложенной математической постановке задачи оптимального
проектирования композитных слоистых квазиортотропных пултрузионных
стержней круглого поперечного сечения, предусматривающей определение
углов армирования, толщин и количества слоев, обеспечивающих
минимизацию массы стержней при ограничениях по прочности, жесткости и
устойчивости;
- методе, технологии и оборудовании для непрерывного формования
длинномерных изделий из порошковых композиционных материалов с
большим межчастичным трением, позволяющих генерировать в процессе
формования изделия интенсивные пластические деформации;
математической модели процесса непрерывного формования порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющей установить закономерность распределения напряжений и плотности материала по длине канала инструмента и связывающей энергосиловые параметры процесса, свойства материала и конструктивные параметры инструмента.
Практическая ценность работы заключается в:
- разработанной технологии непрерывного формования длинномерных
изделий из полимерных композиционных материалов сочетающих различные
схемы армирования;
созданном промышленном образце технологического комплекса для непрерывного изготовления длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов, включающем шпулярник, пропиточное устройство, намоточное устройство, фильерный узел, охлаждающее, тянущее и режущее устройства, сочетающем формообразование внутренних и наружных слоев изделия с различными схемами армирования с производительностью в два раза выше по сравнению с существующими аналогами;
разработанной технологии непрерывного формования изделий из порошковых композиционных материалов с большим межчастичным трением, позволяющей получать изделия с различными свойствами и геометрией;
методиках экспериментального исследования и алгоритмах расчета конструктивных параметров инструмента, триботехнических характеристик, напряжения текучести, окружного проскальзывания порошковых материалов и силовых параметров процесса непрерывного формования.
Реализация результатов работы. Работы выполнялись в МГТУ
«СТАНКИН» в рамках хоздоговорных тем (№№ гос.рег. 01201353377) и
госбюджетных контрактов (№№ гос.рег. 10411.1003702.05.006,
11411.1003704.05.050, 11411.1003704.05.044, 11411.1003704.05.053).
Результаты работы используются на предприятиях ОАО «Авангард», ООО «Нанотехнологический центр композитов», ООО «Машспецстрой», ЗАО «Металюкс-Электро», НПО «Инфокристалл» и др. Материалы диссертации в виде разделов лекционных курсов используются в учебном процессе МГТУ «Станкин».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2010г.), Международной научно-практической конференции «Композитные материалы: производство, применение, тенденции рынка» (Москва, 2011г.), Всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2011г.), Международной научной конференции «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2012г.), Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития производства и использования композитных материалов в России (Москва, 2012г.), Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (Москва, ИМАШ РАН, 2012), Международной научной конференции «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012), Международной научно-практической конференции «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» (Ульяновск, 2012), Международной научной конференции «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2013) и многих других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе 2 монографии, 21 публикация в изданиях, рекомендованных ВАК, 15 авторских свидетельств, 10 патентов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (194 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 267 страниц, включая 117 рисунков и 19 таблиц.
