Технологическая реализация метода направленной разориентации армирующего наполнителя при изготовлении втулок из полимерных композиционных материалов

УДК 65.015.13+678.86

Р. С. Зиновьев, В. Я. Савицкий

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА НАПРАВЛЕННОЙ РАЗОРИЕНТАЦИИ АРМИРУЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВТУЛОК ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация. Проанализированы условия возникновения свилеватости конструкций намоточных изделий, что обусловливает преждевременное их разрушение. Предложен метод направленной разориентации арматуры при формировании силовой рубашки, эффективность применения которого определяется снижением коэффициента анизотропии, повышением трансверсальной прочности подшипников скольжения.

Ключевые слова: втулки, полимерный композиционный материал, намотка, армирующий наполнитель, свилеватость, метод направленной разориентации, опрессовочные устройства.

Abstract. The authors analyze the origin of knag on constructions of reeling products causing their premature destruction. Theresearchers suggest a method of direct disordered orientation of armature in formation of power sleeve, the effectiveness of which is determined by decreasing anisotropy coefficient and by increasing transverse strength of friction bearings.

Key words: plugs, polymeric composite material, winding-on, reinforcing filler, knag, method of direct disordered orientation, hydrostatic testing unit.

1. Оценка влияния свилеватости на характеристики намоточных изделий из полимерных композиционных материалов

Искривление армирующих волокон в намоточных конструкциях происходит не только из-за внешнего давления, прикладываемого к трубчатой заготовке на этапе намотки и отверждения, но и вследствие различия теплофизических свойств компонентов армированного полимера, а также усадочных явлений, возникающих в полимерной матрице в результате химических, термических и механических процессов, которые при наличии градиента температуры по толщине заготовки протекают крайне неравномерно. Неравномерности усадки и теплофизических свойств армирующих волокон и полимерной матрицы ведут к стесненному деформированию волокон, появлению внутренних сжимающих напряжений в армирующих волокнах. Поскольку матрица на этапе переработки до температуры стеклования Tc представляет вязкую среду, не обеспечивающую взаимодействия между армирующими волокнами, то под действием внутренних сжимающих напряжений при определенных условиях происходит потеря устойчивости их кольцевой формы. Искривленные волокна, занимающие большие зоны в конструкции, образуют дефекты макроструктуры армированного полимера в виде текстурной волнистости - свилеватости. Умение прогнозировать условия, при которых появляются дефекты текстурной волнистости, и рационально управлять определяющими их параметрами переработки армированного полимера открывает перспективы создания конструкций намоточных изделий бездефектной структуры и более обоснованно использовать свойства исходных компонентов.

В работах [1, 2] приводятся теоретические и экспериментальные данные, показывающие, что различие в значениях модуля упругости в направлении армирования для материалов с искривленными и выпрямленными волокнами составляет 24.. .32 %, а различие в прочности этих материалов достигает 60 %. Особую опасность представляют эти дефекты для намоточных конструкций, работающих на сжатие. Резкое местное уменьшение жесткости, вызванное искривлением арматуры, существенно снижает критические параметры готовых намоточных изделий, что ведет к преждевременному их разрушению из-за потери устойчивости при внешнем нагружении.

Для трубчатой заготовки из однонаправленного углепластика (при предположении синусоидального однофазного искривления волокна) оценку влияния текстурного дефекта на ее жесткостные характеристики можно с достаточной степени точности произвести с помощью выражения, предложенного Г. М. Гуняевым [3]:

еф ________Еа^а_______

' _ 1 + Еа*а С1 - V. ) 2’

Ом

где Еф - модуль упругости в направлении волокон при однофазном искривлении; Еа - модуль упругости армирующего волокна; Уа - объемное наполнение волокон; Ом - модуль сдвига полимерной матрицы; ф - угол искривления.

Расчеты показывают, что коэффициент реализации модуля однонаправленного углепластика кф _ Еф / Ех при однофазном искривлении волокон уменьшается от 0,97 до 0,88 при увеличении угла искривления от 5 до 10°. Влияние текстурной волнистости на прочностные характеристики трубчатых заготовок из стеклопластика оценивается зависимостью, позволяющей

вычислить прочность Сф в любом направлении по отношению к оси волокон на основании экспериментально полученных значений в продольном (о х), поперечном (о у) и диагональном (Оп/4 ) направлениях [3]:

оф_----------------------°х-------------------

4

008 ф +

О х О х 1

х . х + __

Оп/4 4 4

/

•2^ Ох .4

81П 2ф+----— 81П ф

О у

Коэффициент реализации прочности стеклопластика Кф° _ о^^ / Ох уменьшается до 0,8 при увеличении угла искривления до 10°.

Экспериментальное определение Еф и оф на образцах, изготовленных из углепластиковых и стеклопластиковых трубчатых заготовок, показало хорошее совпадение с расчетными данными (табл. 1).

Влияние искривлений (в случае синусоидально искривленных волокон) на деформационные свойства в трансверсальном направлении менее значительно [4]. Так, из формулы [1]

Ег =___________Е__________

Г , ЕГ /2 ’

1 + —

СГф 2

ЕГ - :

где ЕГ - модуль упругости материала перпендикулярно армирующим слоям с изогнутыми волокнами; ЕГ - модуль упругости материала перпендикулярно армирующим слоям с выпрямленными волокнами; GГф - модуль меж-

Ґ ЛШ

слоиного сдвига; / = А—--------параметр, характеризующим искривление воло-

кон; А - амплитуда синусоиды; п - число полуволн на базе I, следует, что только при больших значениях А можно ожидать значительного снижения

еГ , так как ЕГ и GГф - величины одного порядка. В то же время при оценке

надежности узла трения следует учитывать даже незначительныи разброс

упругих своИств материала. Коэффициент реализации К г углестеклопла-стика в радиальном направлении изменяется в диапазоне 0,95...0,91 (экспериментальные значения).

Таблица 1

Исследуемые характеристики материалов трубчатоИ заготовки

Физико-механические характеристики Материал трубчатоИ заготовки

Углепластик однонаправленный Стеклопластик на основе ткани Т-10-80

Ех 104, МПа 15,5

сх, МПа 500

Ф, град. 10 10

Еф 10-4, МПа 13,6

оФ, МПа 380

КЕ Кф 0,87

0,88

К£ 0,76

0,80

Анализ экспериментальных данных, полученных на серийно изготавливаемых втулках, показывает, что разброс прочности при трансверсальном сжатии по периметру втулки, обусловленный свилеватостью материала, достигает 154 МПа, коэффициент вариации прочности составляет 12,8 %. Особую опасность представляют эти дефекты, сконцентрированные в одной из торцевых зон втулки, где кромочные напряжения, обусловленные монтажными и эксплуатационными перекосами осей элементов узла трения (корпус, втулка, ось), являются наиболее вероятными. Таким образом, создание конструкции подшипника с бездефектной структурой необходимо связывать не только с умением формулировать и прогнозировать условия появления дефектов текстурной волнистости, но с разработкой и внедрением новых методов переработки армированного полимера.

2. Метод направленной разориентации арматуры при формовании силовой рубашкой

Снижение разброса и повышение свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) в радиальном направлении предложено достичь методом создания направленной разориентации армирующего наполнителя по периметру и толщине трубчатой заготовки [5]. Сущность метода заключается в том, что при опрессовке заготовки слои армирующего наполнителя искривляются равномерно относительно исходной круговой формы с переменной амплитудой прогиба по толщине заготовки. Схематично процесс формования заготовки с созданием направленной разориентации армирующего наполнителя можно представить следующим образом (рис. 1):

- трубчатая заготовка наматывается на оправку радиусом Лоп = Лв с набором толщины И = Лзаг — Лв ;

- давление формования (Рф = Рнэ — Ргс ) осуществляется формовочным

корсетом, выполненным в виде равномерно расположенных по периметру заготовки нажимных элементов диаметром а?нэ, связанных между собой гибкой связью;

- усилие формования создается намоткой поверх нажимных элементов опрессовочной ленты, причем усилие натяжения Тн опрессовочной ленты задается таким, чтобы обеспечить нарастающую (со стороны Лв ) по толщине заготовки амплитуду прогиба разориентированных слоев наполнителя, т.е. создания условия % j+l > % j > % у—, где % j - амплитуда полуволны разориен-

тированногоу-го слоя.

I

Рис. 1. Схема направленной разориентации армирующего наполнителя в процессе формования силовой рубашкой

Реализация заданной программы разориентации армирующего наполнителя связана с определением формы кривой у-го слоя по толщине заготовки и необходимого усилия натяжения Тн опрессовочной ленты.

В общем виде кривая с нарушенной круговой формой армирующего наполнителя запишется в виде

Ю =х j-COS (a ry + 0 j),

где а/ - параметр, характеризующий длину полуволны,

здесь n - число полных волн, образующихся при нарушении устойчивости круговой формы кольцевого слоя армирующего наполнителя; Г/ - радиус

j-го слоя; 0/ - параметр, характеризующий сдвиг по фазе устойчивости j-го

армирующего элемента относительно смежных слоев.

Граничные условия для случая деформации намотанного пакета трубчатой заготовки с нарастающей со стороны внутреннего диаметра прогиба:

- первый кольцевой (антифрикционный) слой не изменяет своей круговой формы. Так обеспечиваются условия полного прилегания антифрикционного слоя подшипника к формообразующей поверхности технологической оправки, т. е.

Xi = 0;

- деформация каждого вышележащего слоя больше нижележащего, т.е.

X j-i <х j <хj+i;

- разориентация армирующих слоев равномерная по периметру трубчатой заготовки в каждом последовательно нанесенном слое, т.е.

0 j-i = 0 j = 0 j+i.

Подставляя (2), (3), (4) в (i), получаем формулу кривой:

- разориентированного j-го слоя:

raj =xj -cos

- внутреннего слоя:

^j = 0;

- разориентированного наружного слоя подшипника:

ЮЕИ =1rH cos

- разориентированного слоя намотанной заготовки:

Юзаг = Хзаг COS

Технологическая реализация кривых (5)-(8) связана с определением оптимальной величины обжатия %заг в зоне нажимных элементов формовочного корсета и усилия натяжения Тн опрессовочной ленты. Варианты схем

формовочного корсета и обжатия заготовок представлены на рис. 2, из которого видно, что максимальная величина %заг обеспечивается формовочным корсетом по варианту 3, т.е. при размещении гибкой связи по верхним кромкам нажимных элементов. Отмечается также, что величина %заг зависит от диаметра нажимных элементов, а давление формования Ргс - от упругих свойств гибкой связи.

Исследование деформационных свойств заготовки при использовании формовочного корсета осуществлялось на плоских образцах по диаграмме Оу — £ при поперечном сжатии. На рис. 3 приведены сравнительные кривые деформации при обжатии пакета полуфабриката (33 слоя стеклоткани Т-1080) двумя типами инденторов - плоским и снабженным нажимными элементами 05 мм с шагом 20 мм.

Из графика (рис. 3) видно, что:

- пределы пропорциональности Оу кр при обжатии полуфабриката по

схемам 1 и 2 примерно одинаковы, однако при обжатии по схеме 2 уплотнение полуфабриката происходит при большей степени обжатия (£ = 20 % при

- коэффициент анизотропии уплотняемого по схеме 2 пакета полуфабриката после Оу кр ниже, чем пакета, уплотняемого по схеме 1, что обуслов-

Рис. 2. Варианты схем технологической реализации способа обжатия трубчатой заготовки формовочным корсетом

оУ , кр = 0,5 МПа);

ливает большую равномерность упругих свойств по толщине заготовки и меньшее влияние технологических несовершенств на разброс характеристик материала;

- нелинейность деформационной кривой при обжатии полуфабриката по схеме 2 выражена в большей степени за счет одновременно протекающих процессов уплотнения пакета и трансверсальной разориентации уложенных слоев наполнителя.

Рис. 3. Диаграммы -£ при поперечном сжатии

полуфабриката: 1 - по схеме 1; 2 - по схеме 2

Эффективность метода направленной разориентации на плоских образцах оценивалась путем анализа экспериментальных значений характеристик (табл. 2) отвержденных стеклопластиков с вышеприведенными структурными параметрами, формование которых производилось по схемам 1 и 2 (см. рис. 2).

Таблица 2

Характеристики стеклопластиков, изготовленных по схемам 1 и 2

Схема изготовления Количество образцов, п Степень отверждения, п, % Содержание смолы, V, % Плотность у, кг/м3 Твердость ИЯС

1 38 92 37-44 1610 80

2 (выступы) 38 92 32-39 1620 92

2 (впадины) 38 92 19-23 1930 94

Из табл. 2 видно, что характеристики материала образцов, изготовленных по схеме 2, выше, чем у образцов, изготовленных по схеме 1.

3. Технологическая реализация метода направленной разориентации армирующего наполнителя

Проблема технологической реализации рассматриваемого метода заключается в разработке наиболее технологичной конструкции опрессовочно-

го устройства, не привносящего в процесс намотки дополнительных временных затрат и обеспечивающего выполнение заданных конструкторско-технологических параметров переработки. В качестве исследуемых рассмотрены несколько вариантов конструктивного исполнения опрессовочных устройств, с помощью которых произведена технологическая отработка метода при изготовлении трубчатых заготовок подшипников скольжения.

На рис. 4 представлено устройство для опрессовки с помощью стержневых нажимных элементов 1, диаметр, расположение и направленное перемещение которых обеспечивается двумя направляющими шайбами 2 и 3, устанавливаемыми на оправке 4 по торцам намотанной заготовки.

Рис. 4. Вариант стержневой конструкции опрессовочного устройства с торцевыми направляющими шайбами: 1 - нажимные элементы (стержни); 2, 3 - торцевые направляющие шайбы; 4 - оправка; 5 - намотанная трубчатая заготовка

Корсетное опрессовочное устройство, схемы выполнения которого приведены на рис. 5, отличается простотой изготовления и универсальностью использования. Изменяя только шаг и диаметр нажимных элементов, возможно изготовление формовочного корсета любой длины, а значит, и опрессовка заготовок различных диаметров.

При опрессовке недлинных втулок (до 30 мм) и толстостенных намоточных конструкций типа «буртик» радиально-упорного подшипника достаточно хорошо себя зарекомендовало цепное опрессовочное устройство (рис. 6). Однако его применение ограничивается специфичностью.

На рис. 7 представлен универсальный формовочный корсет, нажимные элементы которого выполнены из фторопластовых стержней, связанных друг с другом металлической проволокой.

I ^2

Рис. 5. Формовочный корсет: I, II, III - верхнее, нижнее, центральное расположение нажимных элементов относительно рубашки:

1 - нажимные элементы; 2 - ткань; 3 - нити фиксации

Рис. б. Цепное опрессовочное устройство (а) и намоточная конструкция (б), изготовленная с помощью этого устройства

Рис. 7. Формовочный корсет с нажимными элементами из фторопласта

Основное достоинство такого корсета - возможность его многократного использования, что обеспечивается простотой его подготовки к повторной опрессовке. Полимерное связующее, мигрирующее в процессе опрессовки к наружным слоям заготовки, достаточно легко очищается с поверхности фторопластовых стержней.

Проведенная с использованием перечисленных опрессовочных устройств конструкторско-технологическая отработка метода направленной разориентации [6, 7] показала существенное улучшение не только трансвер-сальной прочности материала, но и стабильности свойств по периметру заготовки (табл. 3).

Таблица 3

Сравнительные характеристики материала втулок ПД-036.00.04.011 с различными способами опрессовки

Способ опрессовки Количество втулок, шт. и к а к, о Я аск в Плотность, кг/м3 Содержание смолы, % Прочность при сжатии Су

МПа Коэффициент вариации, %

Опрессовка стеклолентой ЛЭС 22 0,670-0,672 1580 37-44 320 12,1

Опрессовка с помощью формовочного корсета 22 0,730-0,748 1740* 1920** 31- 38* 19- 21** 409* 471** 8,1* 8,0**

Примечание. * - свойства материала по выступам; ** - свойства материала по впадинам.

На основании созданного метода разработан технологический процесс [6] изготовления намоточных подшипников скольжения из армированных реактопластов (рис. 8), серийно изготавливаемых с 1999 г.

Рис. 8. Общий вид подшипников скольжения с направленной разориентацией наполнителя

Заключение

Таким образом, теоретически и экспериментально в производственных условиях показана эффективность дополнительного уплотнения трубчатых заготовок методом создания внешнего давления в процессе намотки и отверждения. Применение внешнего давления в качестве средства управления напряженным состоянием материала заготовки дает возможность получать более плотную и монолитную структуру и предотвращать самопроизвольное растрескивание. Метод особенно эффективен при изготовлении изделий больших размеров, когда давления, создаваемого силовой намоткой, недостаточно.

Анализ известных способов и методов, применяемых для достижения необходимого давления формования при отверждении намоточных конструкций из ПКМ, показал, что наиболее доступным и экономически эффективным для изготовления широкой номенклатуры трубчатых заготовок является метод формования силовой технологической рубашкой. Использование для рубашки опрессовочной ленты, составленной из отдельных особо прочных ниток, позволило достичь давления формования 4...5 МПа. Ограничения, накладываемые на величину внешнего давления, связаны с повышенной опасностью возникновения искривления волокон (потерей круговой формы) кольцевых слоев армирующего наполнителя, поэтому кроме расчета степени уплотнения заготовки необходимо проводить расчет окружных напряжений. При этом максимально допустимое давление формования не должно превышать значения, при котором минимум суммарных окружных напряжений (от намотки заготовки и опрессовки) равен нулю.

Снижения разброса свойств и повышения трансверсальной прочности ПКМ при сжатии можно добиться разработанным и внедренным в ООО НПП «Полидор» методом формования трубчатых заготовок с направленной разо-риентацией армирующего наполнителя, проводя опрессовку заготовки силовой рубашкой регулярно расположенными по периметру нажимными элементами. Удалось добиться повышения Су на 27.47 %, снизить разброс характеристик на 34 %.

Список литературы

1. Тарнопольский, Ю. М. Особенности расчета деталей из армированных пластиков / Ю. М. Тарнопольский, А. В. Розе. - Рига : Зинатне, 1969. - 274 с.

2. Влияние натяжения и искривления армирующих волокон на прочность и дефор-мативность стеклопластиков / под ред. Ю. М. Тарнопольского и В. В. Перова. -М. : ВИАМ, 1966. - 54 с.

3. Гуняев, Г. М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов / Г. М. Гуняев. - М. : Химия, 1981. - 232 с.

4. Тарнопольский, Ю. М. Методы статических испытаний армированных пластиков / Ю. М. Тарнопольский, Т. Я. Кинцис. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия, 1981. - 272 с.

5. Пат. 2252345 Российская Федерация. Способ изготовления подшипника скольжения / Р. С. Зиновьев и др. - № 2003129444/11 ; заявл. 01.10.2003, Бюл. № 14, 2005. МКлР16С 33/20.

6. ПД ТП 023-97. Технологический процесс изготовления трубчатых заготовок подшипников скольжения из ПКМ. - Челябинск : Полидор, 1997. - 63 с.

7. Выбор технологической оснастки для опрессовки трубчатых заготовок / Инструкция ПД ИН 17/06-03. - Челябинск : Полидор, 2003. - 54 с.

Зиновьев Радий Сергеевич кандидат технических наук, технический директор группы научно-промышленных компаний «Полидор»

E-mail: rapolidor@mail.ru

Савицкий Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, кафедра № 11, Пензенский филиал Военной академии материальнотехнического обеспечения

E-mail: W.savis@gmail.com

Zinovyev Radiy Sergeevich Candidate of engineering sciences, technical director of research-industrial compnies “Polidor”

Savitsky Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department №11, Penza branch of the Military Academy of Material Support

УДК 65.015.13+678.86 Зиновьев, Р. С.

Технологическая реализация метода направленной разориентации армирующего наполнителя при изготовлении втулок из полимерных композиционных материалов / Р. С. Зиновьев, В. Я. Савицкий // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. -№ 3 (23). - С. 127-138.