Глава 5

ПРОЦЕССЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ

ТИПОВЫХ УЗЛОВ ИЗ ПКМ И ПЛАСТМАСС

Процессы выполнения соединения деталей из композитов являются наименее изученной областью технологии. Традиционные виды соединительных швов: клепаные, болтовые, паяные, сварные для полимерных композитов менее эффективны, чем для металлических конструкций.

Иногда выигрыш в весе композиционной конструкции по сравнению с металлической, за счет более высокой удельной прочности, сводится на нет из-за перетяжеления соединительных узлов. В то же время хорошие показатели для сборки композитных конструкций имеют клеевые соединения. Кроме того, для КМ используются специфические соединительные узлы, которые редко применяются в изделиях из металлов, например формованные, прошивочные, игольчатые, замковые и другие.

Специфика соединения КМ определяется, в первую очередь, следующими факторами:

· гетерогенностью их структуры, т.е. большим различием механических и физических свойств матрицы и арматуры;

· тем, что матрица, как правило, термореактивна;

· анизотропией изделия, т.е. существенным отличием свойств в разных направлениях.

Классификация соединений

В зависимости от типа шва, используемых соединительных элементов и схемы восприятия усилий неподвижные соединения можно классифицировать по схеме, изображенной на рис.5.1.

Рис. 5.1. Классификация соединений

Рассмотрим последовательно каждый тип соединений.

5.1. Прессовые соединения

Фиксация деталей при прессовом соединении осуществляется путем натяга между ними. Для этого сопрягаемый размер внутренней детали делается меньше размера охватывающей детали. Чаще всего сопряжение осуществляется по схеме вал – втулка. Типовыми узлами являются валы и оси, соединенные с маховиками, колесами, шестернями (рис.5.2), а также тяги с законцовками в виде вилок и проушин (рис.5.3).

Рис. 5.2. Соединение вала с маховиком

Прессовые соединения типичны для металлических конструкций. В то же время применяются узлы, одна из деталей в которых металлическая, а другая композиционная.

Натяг Н определяется разностью размеров сопрягаемых деталей. Он вызывает контактные усилия (рис.5.2), которые обеспечивают силы трения , предотвращающие разъединение деталей.

· Минимальный натяг выбирают таким образом, чтобы силы трения превосходили эксплуатационную нагрузку N, разъединяющую детали.

· Максимальный натяг не должен разрушать втулку.

Методика определения натяга изложена в книге.

Рекомендуется Н @ (0,01¸0,04) d.

Натяг осуществляется:

· запрессовкой;

· нагревом втулки или охлаждением вала;

· магнитно-импульсным обжатием.

Схема магнитно-импульсного обжатия показана на рис.5.3,б. На первом этапе стержень из композита 1 и металлическая деталь 2 располагаются в нужном положении без натяга (рис.5.3,а). Затем они помещаются в индуктор 3.

На втором этапе включается индуктор. В детали наводится электромагнитное поле обратной направленности. Деталь отталкивается от индуктора L и обжимает трубчатый стержень. При этом проявляется эффект сверхпластичности из-за скоростного метания металлической детали. Таким методом осуществляют соединение композиционных трубок с вилками и проушинами (рис.5.3,в), а также соединение стержней с помощью втулки (рис.5.3,г).

Особенностью прессовых соединений деталей из неметаллов является изменение прочностных свойств от времени эксплуатации. Происходит так называемая релаксация напряжений (рис.5.4). Усилие N сопротивления разъединению деталей уменьшается:

,

где – усилие запрессовки (усилие, создаваемое натягом в первоначальный момент);

t – время в часах;

m – коэффициент, зависящий от типа матрицы,

Обычно время релаксации бывает в пределах ста часов, после чего наступает стабилизация усилий сцепления. Из сказанного следует, что при выборе величины натяга исходя из эксплуатационных усилий , его величину надо умножить на коэффициент, учитывающий картину релаксации напряжений.

Рис. 5.3. Прессовое соединение магнитно-импульсным обжатием:

а – схема обжатия; б – схема магнитно-импульсной установки; в – посадка

проушины на трубчатую деталь; г – соединение стержней металлической

втулкой; 1 – стержень из ПКМ; 2 – металлическая деталь; 3 – индуктор

Рис. 5.4. Зависимость усилия, создаваемого натягом, от времени

Разновидности прессовых соединений. Кроме обычной посадки по цилиндрическим поверхностям используются схемы, позволяющие регулировать величину натяга (сцепления деталей). К ним можно отнести конструкции с проточками по сопрягаемой поверхности или с конусностью соединяемых поверхностей (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Соединения с регулируемой силой сцепления деталей

Рис. 5.6. Параметры клеепрессового соединения

Клеепрессовые соединения

Эффективность прессового соединения можно повысить, комбинируя его с клеевым. На рис.5.6 сплошной наклонной линией показано увеличение силы сцепления деталей N в зависимости от увеличения величины натяга Н. Величиной обозначена сила сцепления, которую обеспечивает клеевое соединение этих же деталей. Пунктирной линией показано изменение сил при простом суммировании составляющих от натяга и клеевого соединения. На рис. 5.6 кривой линией показана область значений силы сцепления для какого-либо конкретного натяга . При этом видно, что . Однако на практике эффект клеепрессового соединения превышает арифметическую сумму прочности от натяга и прочности клеевого соединения.