4.1.3 Сварные соединения.
Этот метод предпочтителен в тех случаях, когда соединяемые детали изготовлены из одинаковых материалов, и недопустимо присутствие чужеродных по отношению к применяемым материалам крепежных элементов или клеев.
В зависимости от механизма процесса различают диффузионную и химическую сварку. Диффузионную сварку используют для соединения термо- и эластопластов путем их нагрева или с помощью растворителя. Химическая сварка эффективна при соединении реактопластов, термопластов с поперечными связями между молекулами, а также с кристаллической или ориентированной структурой.
4.2 Механические соединения
Так как композиционные материалы обладают повышеной чувствительностью к концентраторам напряжения и низкой стойкостью к сосредоточенным нагрузкам, одной из основных задач при проектировании механического соединения элементов кострукиции из КМ, является проработка вопроса распределения нагрузки. Наиболее простым способом явлется увеличение количества крепежа с одновременным уменьшением его диаметра, т.е. целесообразно выбирать крепеж с минимально возможным диаметром, исходя из условий серийного производства.
Зависимость качества соединения от внутренней структуры материала выражется в следующем: наименьшей прочностью в зоне соединения обладают слои с ориентацией волокон 90. Слои с ориентацией 45 наилучшим образом воспринимают нагрузки, передаваемые механическим крепежом, однако изделие, содержащие 100% слоев 45 в зоне крепежа не будет воспринимать нагрузки наилучшим образом, т.к. в таком случае произойдет общее разупрочнение материала. В таком случае необходимо иметь в материале, как минимум, 10-20 % слоев с ориентацией 0.
Другая проблема, обусловленная особенностями строения материала, связана с тем, что в случае сверления отверстий под крепеж перерезается часть волокон в зоне отверстия, что приводит к ослаблению материала в этом месте. Соответственно, уменшение диаметра крепежа, при увеличении его количества, также работает в направлении уменьшения местной потери прочности, т.к при меньшем диаметре отверстий перерезается меньшее количество волокон.
Также способом обхода проблемы перерезания волокон в процессе сверления отверстий под крепеж, является внедрение крепежных элементов в полуотвержденную деталь, когда волокна как бы раздвигаются. Потери прочности за счет искривления волокон значительно ниже потерь от их перерезания.
4.2.1 Резьбовые соединения.
Соединения такого типа характеризуются простотой исполнения, малыми осевыми размерами и массой. Значительное различие механических характеристик КМ и металлов, в основном предела прочности при срезе, обусловило необходимость использования “несимметричных” профилей резьб. Несимметричность зависит от соотношения при межслойном срезе в КМ и сдвиге в металлах.
Один из вариантов установки резьбового крепежа, который в достаточно малой степени повреждает материал, и обеспечивает распределение нагрузки показан на Рис 4. 1.
Рис 4.1.
Резьбовой элемент 1 устанавливается между слоем неотвержденного материала и поджимается шайбой 2.
Другой метод распределения нагрузок показан на рисунке 4.2, и заключается в установке опорного элемента (Рис 4.2.а), который может состоять из двух свинчивающихся половин (Рис 4.2.б), путем напрессовывания одной втулки на другую (Рис 4.2.в), или, как показано на Рис 4.2.г, когда фланец втулки 1 развальцовывается по поверхности б шайбы 2.
а)
б) в)
г)
Рис 4.2.
Для дополнительной прочности опорный элемент может соединяться с КМ посредством клеевого слоя.
Нормальные напржения, возникающие вследствие сжатия волокон фланцами опорного элемента, при его установке, также благоприятно сказываются на прочности соединения.
Резьбовые соединения характеризуются простотой исполнения, малыми осевыми размерами и массой. Значительное различие механических характеристик КМ и металлов, в основном предела прочности при срезе, обусловило необходимость использования “несимметричных” профилей резьб. Несимметричность зависит от соотношения при межслойном срезе в КМ и сдвиге в металлах.
В резьбовых соединениях КМ с металлом главным образом применяют прямоугольные, треугольные, круглые и упорные несимметричные профили.
Треугольный профиль.
Преимущества: простота изготовления и контроля, большая площадь среза.
Недостатки: наличие радиальных напряжений при нагрузке, концентрация напряжений в острых углах.
Круглый профиль.
Преимущества: малая концентрация напряжений, большая площадь среза.
Недостатки: наличие радиальных напряжений при нагрузке, трудность изготовления и контроля.
Прямоугольный профиль.
Преимущества: отсутствие радиальных напряжений при нагрузке, простота изготовления и контроля.
Недостатки: уменьшение площади среза и снижение прочности из-за наличия ленточной канавки.
Упорный профиль.
Преимущества: отсутствие радиальных напряжений при нагрузке, большая площадь среза.
Недостатки: наличие концентрации напряжений, трудность изготовления.
При соединении тонкостенных оболочек из КМ, нагруженных внутренним давлением, применение иреугольных и круглых профилей ограничено наличием осевой растягивающей силы. Эта сила создает радиальные напряжения сжатия, которые могут превысить допускаемые значения, в результате чего оболочка разрушится в зоне резьбы от сдвиговых и радиальных напряжений.
Прочность резьбового соединения КМ с металлом ограничивается главным образом сравнительно низким значением допускаемых напряжений сдвига в связующем. Ее можно увеличить за счет структурного повышения сдвиговой прочности и эластичности связующего. Также, ввиду того, что модуль упругости КМ (стеклопласты, стеклотекстолиты, органопласты) почти на порядок меньше, чем у стали, металлическую обойму (кольцо) резьбового соединения, в случае внутренней нагрузки, следует располагать на внешней поверхности оболочки из КМ. В оболочках, на которые действует внешнее давление, сопрягаемые детали (металлическая обойма и оболочка из КМ) должны быть расположены в обратном порядке. Для обеспечения прочности соединения, торец оболочки из КМ следует поджимать буртиком, выполняемым в кольце. Такое конструкторское решение позволяет обеспечить прочность и герметичность соединения: под действием внутреннего или наружного давления стенки оболочки из КМ, как более пластичные, деформируясь, плотно прижимаются к металлическому кольцу. Во избежание отслоения металлического кольца от оболочки из КМ при температурных перепадах, соединения следует выполнять на клеевой прослойке, которая предотвратит отслаивание разнородных материалов сопрягаемых деталей.
Шпилечно-болтовые соединения (ШБС).
Для соединения высоконагруженных конструкций из КМ чаще всего используют способы с применением различного вида болтов и шпилек. Особенностью ШБС является наличие концевых утолщений в элементах конструкции, радиальных штифтов, болтов (или резьбовых шпилек с гайками и шайбами), расположенных в профилированных отверстиях и пазах концевых утолщений. В ряде случаев, высокий уровень нагрузок не позволяет ограничиться однорядными расположениями отверстий под штифты, тогда применяют многорядные соединения (например, соединения с шахматным расположением отверстий). Концевые утолщения выполняют( как наружные, так и внутренние) различными способами, среди которых следует отметить специальную намотку кольцевых утолщений, дополнительную приформовку, введение специальных упрочняющих элементов. Введение в зону утолщения высокопрочного изотропного материала (металлической фольги, борных пленок и др.) позволяет повысить значения упругих и прочостных характеристик КМ. Так, использование в зоне соединений стеклопластиковых труб дополнительного армирования из бороалюминиевых лент позволяет повысить прочность конструкции на 20...30 %, при снижении массы стыка на 10...15 %.
Неметалические крепежные элементов.
Как показывает опыт создания изделий с использованием полимерных композиционных материалов (ПКМ) приносит успех там, где решаются комплексные задачи. Используя полуфункциональный характер физико-химических и технологических качеств ПКМ, при известном компромиссе удается найти приемлемое решение разнообразных инженерных задач.
К числу таких инженерных задач относится и проблема резьбовых соединений конструкций из ПКМ. Необходимость обеспечить в таких конструкциях сочетание достаточно высокой прочности, радиопрозрачности, химической стойкости, близости коэффициентов термического расширения, при сохранении (желательно снижении) весовых характеристик – все это исключает применение металлического резьбового крепежа. Создание резьбовых изделий из ПКМ в основном связано с нахождением решения в области “прочность - технологичность”. Так, наибольшей прочностью обладают однонаправленные ПКМ, но не пригодные для оформления (при сохранении целостности армирующих волокон) мелких элементов резьбы. Изотропные материалы обладают технологичностью, достаточной для оформления резьбы, но, по прочностным показателям, не в состоянии обеспечить необходимую работоспособность (равнопрочность) конструкции из ПКМ в целом.
Одним из возможных направлений создания высокопрочного резьбового крепежа из ПКМ является “конструирование” ПКМ с пространственной криволинейной схемой армирования длинных (непрерывных) волокон. Изогнутость волокон обеспечивает запас деформируемости, необходимой для оформления резьбы без разрыва волокон. Некоторое снижение прочностных показателей в продольном направлении сопровождается возрастанием этих показателей в поперечном направлении (особенно повышается сдвиговая прочность), что создает возможность достижения равнопрочности, например, винта по срезу витков резьбы и разрывной прочности тела винта. Практическое решение заключается в получении полуфабриката – заготовки в виде монолитного пруткового профиля, калиброванного под соответствующий диаметр резьбы. Возможный метод формования – протяжка (пултрузия).
Для изготовления собственного резьбового изделия – винта, болта, шпильки – пригоден метод прессования в разъемной форме. В реализации этого способа производства резьбовых изделий большое значение имеет выбор исходных материалов: армирующих волокон и полимерной матрицы – связующего. С учетом малых радиусов скруглений элементов резьбы и неизбежной в связи с этим ломкой волокон, предподчтительно применение неломких эластичных органических волокон типа арамидных. В качестве связующего лучше использовать термопластичные полимеры, допускающие многократную переформовку, как минимум 2-х кратную: формование пруткового профиля и формование резьбы и головки винта. К числу таких термопластов относятся полиамиды, как хорошо освоенные, многотоннажные полимеры конструкционного назначения. В исследованиях использовались модельные материалы на основе полиамидов ПА-6, ПА-610 и арамидных волокон СВМ и терлон. Такие материалы, в силу своих достаточно высоких физико-механических характеристик, представляют и практический интерес, т.к. способны обеспечивать резьбовым изделиям повышенные, по сранению с существующими пластмассовыми винтами, эксплуатационные показатели. Кроме того, исходный вид обоих компонентов в виде волокон позволяет использовать преимущества так называмой “волоконной технологии” при формировании исходной заготовки. В этом случае имеется возможность создать заготовку, применяя промышленные текстильные способы производства – в виде шнуров, канатов, тросов, сплетенных из 2-х типов волокон: армирующие волокна СВМ или терлон и плавкие волокна (матрица) ПА-6 или ПА-610. Этот подход допускает в принципе применение волокон других типов и природы. Все это значительно упрощает весь процесс производства на предприятиях производителях-потребителях резьбовых изделий.
В настоящее время 2-х стадийный процесс производства резьбовых изделий (прутковая заготовка – формирование резьбы) является технически решаемой задачей. Пултрузия, как метод получения прутков, достаточно известен, но до сих пор при решении конкретных вопросов превалирует эмпирический подход. Размеры, профиль и конструкция фильер, степень и структура армирования материала, размеры получаемого профиля и другие вопросы пултрузии требуют экспериментального определения.
Технология прессования в стальных разъемных формах достаточно традиционна для переработки ПКМ и может быть признана пригодной как для подтверждения самого принципа получения резьбовых изделий из КМ с непрерывными волокнами, так и для мелкосерийного (1...5 тыс. шт. в год) производства. Также возможен вариант накатки резьбы.
Результаты механических испытаний самих винтов и 2-х типов разъемных соединений на винтах М6х1 позволяют считать, что цель – создание конструкционного (σb≥ 15 кг/мм2 τср≥20 кг/мм2) резьбового крепежа радиотехнического назначения достигнута.
Прочность болтовых соединений в композитных пластинах ограничивается хрупкостью отвержденных при температуре 177ºС связующих. Поэтому жизненно важно рассредоточить слои как можно сильнее и не укладывать параллельные слои друг на друга. Испытаниия ленты толщиной 0,010 дюйма и ленты толщиной 0,005 дюйма показали, что более широко распространенные расслоения, связанные с более толстыми слоями, по-видимому, должны быть не желательными при растягивающих нагрузках и вполне терпимыми при сжимающих нагрузках. Однако другие комбинации волокон и связующего могут вести себя по-иному.
Высокие деформации поперечных сечений, имевшие место при испытании болтовых соединений, свидетельствуют о том, что сильно нагруженные первичные композитные структуры возможны, но требуют более тщательного проектирования, чем структуры из пластичных металлических сплавов.
Применение ПКМ для изготовления винтов позволяет столь существенно повысить их прочностные свойства, что они становятся конкурентно способными с винтами не только из цветных металлов и сплавов, но и из стали 45, использование таких винтов взамен металлических целесообразно из-за ряда присущих им специальных свойств: в 3...5 раз меньшая масса, хорошие диэлектрические свойства, высокая химическая и коррозионная стойкость и меньшие напряжения в соединениях деталей из ПКМ.
Резьбовые детали из ПКМ типа термопластичных органоволокнитов (ТОВ), анизотропно упрочненных непрерывными волокнами, наряду с указанными преимуществами неметаллического резьбового крепежа, имеют существенно более высокую прочность при растяжении (более 250 Мпа), на срез (более 300 Мпа), не проявляют хладотекучести под нагрузкой и обеспечивает длительную работоспособность в нагруженых соединениях
В соединениях при нагружении винта в осевом направлении может произойти срез резьбы или разрыв винта, поэтому при производстве винтов из ТОВ важно обеспечить равнопрочность на срез резьбы и на растяжение в осевом направлении винта.