Введение к работе
Актуальность темы и цель работы. Армированные листы из металлических волокнистых композиционных материалов (ВКМ) являются наиболее распространенным видом полуфабрикатов, из которого изготавливают стрингерные профили, цилиндрические крупногабаритные оболочки и другие элементы новой техники.
Существующие методы изготовления листов из ВКМ, основанные на применении стандартного оборудования, позволяют получать качественные материалы, однако, обладающие рядом недостатков. При шаговом прессовании в изготавливаемых листах имеют место так называемые зоны перехлеста, для которых характерно ослабление характеристик изделия. Прокатка листов в поперечном относительно укладки волокон направлении проводится за несколько проходов, поэтому в результате термоцикли-рования имеет место определенное снижение механических характеристик листов и, кроме того, длина армированной зоны заготовки определяется протяженностью бочки валков. Прокатка в долевом относительно укладки волокон направлении также выпотиется за несколько проходов, поэтому для этого способа также характерно снижение механических характеристик из-за термоциклирования полуфабриката. Другой более значительный недостаток этого способа производства заключается в необходимости жесткого соблюдения расчетных параметров процесса, практически исключающий какие-либо отклонения от них, поэтому получение качественных полуфабрикатов этим методом весьма проблематично.
В связи с этим актуальной задачей обработки металлов давлением является разработка новых методов производства листовых полуфабрикатов, основанных на применении не универсального, а специального оборудования, спроектированного с учетом специфики ВКМ.
Целью работы является исследование и разработка научно-обоснованной технологии производства листов из ВКМ на примере композиций системы А1-В методом однопроходной прокатки.
Научная новизна. На базе критериального подхода разработана методика расчета основных параметров однопроходной прокатки листов из ВКМ.
На основе математического моделирования установлены функциональные зависимости напряжения компактирования от степени деформации для «элементарных ячеек» различных типов.
Построена математическая модель для определения напряжения и деформащш сборной заготовки ВКМ с учетом строения «элементарных ячеек» наружных и внутренних слоев.
Установлена взаимосвязь для определения усилия однопроходной прокатки листовых армированных полуфабрикатов с учетом геометрии инструмента, технологических параметров и размеров заготовки.
Практическая значимость. Разработан новый способ производства листовых армированных полуфабрикатов из ВКМ, на который получен патент Российской Федерации.
Разработана методика проектирования установки для однопроходной прокатки листов из ВКМ.
Разработана методика проектирования технологического процесса производства листов из ВКМ методом однопроходной прокатки.
Изготовлена опытная установка для однопроходной прокатки.
Законченность работы характеризуется выполненным комплексом теоретических и экспериментальных исследований и практической реализацией полученных результатов.
Достоверность результатов исследований подтверждается обоснованностью принятых допущений при теоретическом анализе, применением
апробированных методов проведения и обработки данных, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены па Международной конференции по композиционным материалам в Волгограде в 1998 г и двух Всероссийских конференциях «Новые материалы и технологии» в МАТИ в 1997-98гг.
Публикации. Представленные в диссертационной работе материалы опубликованы в 4 работах, в том числе патенте РФ на изобретение.
- Объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, содержит 120 страниц, 37 рисунков, 18 таблиц, список литературы содержит 42 наименования.
Исследование направлено на разработку и исследование нового технологического процесса производства армированных листов методом однопроходной прокатки. Настоящая работа является частью проводимых в МАТИ комплексных исследований по проблеме технологии производства деталей и полуфабрикатов из ВКМ системы А1-В.
Волокнистые композициошше материалы являются перспективны классом конструкционных материалов. Армированные листы из ВКМ один из самых распространегаїьіх видов полуфабрикатов, из которых изготавливают стрингерные профили, цилиндрические крупногабаритные оболочки, обшивочные элементы и другие элементы новой техники. К числу наиболее перспективных ВКМ отпосится композиция А1-В, благодаря высокому комплексу механических характеристик.
Твердофазные процессы относятся к числу наиболее эффективных технологий изготовления изделий и полуфабрикатов из ВКМ. Особешто
ярко их преимущества проявляются в случаях производства длинномерных изделий с постоянным поперечным сечением и особенно при изготовлении армированных листов.
Твердофазные процессы основаны на приложении внешнего силового воздействия к сборной заготовке, в результате чего происходит ее уплотнение (компактирование) и прочное соединение компонентов. Большинство твердофазных технологических схем производства армированных изделий реализуются методами обработки металлов давлением, к числу которых в первую очередь следует отнести прессование и прокатку.
При применении шагового прессования для изготовления листов образуются так называемые зоны перехлеста. Для этих зон характерным является нестабильность (снижение) характеристик листов. Прокатка листов осуществляется за несколько проходов, поэтому в результате термоцикли-рования имеет место определешюе снижение механических характеристик листовых изделий. Другой не менее значительный недостаток этого способа - это необходимость жесткого соблюдения расчетных параметров процесса. Поэтому получение качественных листовых полуфабрикатов этим методом является достаточно проблематичным.
Все перечисленные методы изготовления листов из ВКМ основаны на применении стандартного оборудования, которое не позволяет учитывать индивидуальные (специфические) особенности структуры и строения композиционных материалов.
Оборудование, применяемое при прокатке, по новой схеме, должно обеспечивать деформацию с заданной скоростью процесса и с расчетным усилием. В этом случае процесс прокатки становится подобен методу бесконечного шагового прессования, т.е. компактирование можно проводить за один проход. Для реализации описанной схемы изготовления армированных листов необходимо проведение комплексных исследований, чему и посвящена настоящая работа.
На основании вышеизложенного сформулирована цель настоящих исследований, которая представлена в разделе «Общая характеристика работы». Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- Анализ процесса прокатки на базе критериальной системы.
Математическое моделирование процесса компактирования сборной заготовки.
Исследование силовых условий однопроходной прокатки армированных листов.
Проектирование экспериментальной установки" для однопроходной прокатки армированных листов.
Экспериментальная проверка результатов исследования и изучение структуры и свойств получаемых изделий.