/
Author: Яновский Л.С. Ягодников Д.А. Сорокин В.А. Страхов В.Л.
Tags: тепловые двигатели (кроме паровых машин и паровых турбин) технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы междупланетные соединения (междупланетные полеты) космонавтика (аэронавтика) ракетная техника ракетные двигатели
ISBN: 978-5-7038-5030-5
Year: 2019
Text
Технология производства
ракетно-прямоточных двигателей
на твердом топливе
Учебное пособие
Под редакцией
В.А. Сорокина, Д.А. Ягодникова
УДК 621.452:621.763:621.9
ББК 39.62
Т38
Авторы:
В.А. Сорокин, Д.А. Ягодников, Л.С. Яновский, В.Л. Страхов,
В.А. Калинчев, С.В. Резник, М.А. Тихомиров,
О.В. Мокрецова, Е.А. Стирин, Г.Г. Кобко
Рецензент
зав. лабораторией ИПХФ РАН канд. хим. наук Д.Б. Лемперт
Т38
Технология производства ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе : учебное пособие / [В. А. Сорокин и др.] ; под ред.
В. А. Сорокина, Д. А. Ягодникова. — Москва : Издательство МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 323, [5] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5030-5
Изложены основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей
на твердом топливе (РПДТ). Приведена классификация характеристик режимов
работы отдельных агрегатов и РПДТ в целом, а также действующих на них силовых и тепловых нагрузок, обусловливающих выбор функциональных конструкционных материалов. Представлены данные о физико-механических и теплофизических свойствах металлических и композиционных конструкционных материалов,
используемых при изготовлении элементов конструкции РПДТ. Рассмотрены
основные технологические процессы и операции формообразования деталей, в том
числе инновационные, и показаны примеры внедрения в конструирование и технологию изготовления РПДТ систем автоматизированного проектирования.
В учебном пособии использованы материалы научно-исследовательских работ,
выполняемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, ИПХФ РАН, а также данные зарубежных научных периодических изданий.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Авиационная и ракетно-космическая техника»,
специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» направления
подготовки дипломированных специалистов «Двигатели летательных аппаратов»,
а также для инженеров, работающих в области ракетно-космической техники.
УДК 621.452:621.763:621.9
ББК 39.62
В оформлении обложки использовано фото А.В. Карпенко
ISBN 978-5-7038-5030-5
© Оформление. Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
Предисловие
Расширение объема опытно-конструкторских и научно-исследовательских
работ, посвященных созданию прямоточных воздушно-реактивных, ракетнопрямоточных и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей,
свидетельствует об их востребованности и необходимости развертывания
поисковых и фундаментальных исследований, ориентированных на освоение
и реализацию новых схемных решений двигателей, разработку новых топливных
композиций, конструкционных материалов и более совершенных, инновационных
технологий.
Для решения этих комплексных задач профильным проектно-конструкторским
и машиностроительным предприятиям требуются специалисты, обладающие
соответствующими компетенциями. Обучение и подготовка таких специалистов
в той или иной форме осуществляются в ведущих вузах России, в частности
в МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, МФТИ, НГУ и др.
В 2009–2016 гг. выпущены учебники, учебные пособия и монографии*,
в которых изложены особенности рабочих процессов, приведены свойства
различных видов топлива, представлены методики внутрибаллистических, газои термодинамических расчетов и конструирования как ракетно-прямоточных
двигателей в целом, так и их отдельных агрегатов. Тем не менее без должного
учебно-методического обеспечения остается такой принципиально важный
объект изучения, как технология изготовления прямоточных воздушнореактивных и ракетно-прямоточных двигателей, хотя от эффективности
разрабатываемых технологий напрямую зависит реализация всех преимуществ,
которые свойственны этим двигателям, в том числе двигателям, работающим
на твердом и боросодержащем топливе.
Учитывая это, авторский коллектив счел необходимым обратиться к предмету настоящего издания и на основе теоретических, расчетных данных,
конструкторских проработок в виде технических предложений и эскизных
проектов подготовить учебное пособие, посвященное технологии изготовления
*
См., например, Конструкция и проектирование комбинированных ракетных двигателей на твердом топливе / Б.В. Обносов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
303 с.; Проектирование и отработка ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе / В.А. Сорокин и др.; под ред. В.А. Сорокина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2016. 317 с.; Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах.
Основы проектирования и экспериментальной обработки / В.А. Сорокин и др. М.: Физматлит, 2010. 320 с.; Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей:
справочник. М.: Физматлит, 2009. 400 с.
4
Предисловие
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе. Не претендуя на
исчерпывающее рассмотрение в предлагаемом издании всех технологических
процессов, которые необходимы для разработки опытных и создания серийных
образцов реактивных двигателей данного класса, авторы надеются, что оно
будет востребовано в учебном процессе заинтересованных кафедр. Можно
с уверенностью утверждать, что впоследствии изложенный материал будет
дополнен, например будут рассмотрены особенности технологического
процесса изготовления воздухозаборных устройств, корпусных металлических
элементов и др.
Члены авторского коллектива представляют ведущие организации России
в данной предметной области. Материал учебного пособия распределен между
авторами следующим образом: В.А. Сорокин (АО «МКБ “Искра”») — предисловие, параграфы 1.2, 4.2 и 4.3; Д.А. Ягодников (МГТУ им. Н.Э. Баумана) —
предисловие, главы 2 и 4; Л.С. Яновский (ЦИАМ им. П.И. Баранова) — глава 5;
В.Л. Страхов (ЦНИИСМ) — параграфы 2.3, 3.6 и 3.7; В.А. Калинчев
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) — глава 2, параграфы 3.1–3.4; С.В. Резник (МГТУ
им. Н.Э. Баумана) — параграфы 1.1, 2.1 и 2.2; М.А. Тихомиров, О.В. Мокрецов, Е.А. Стирин (АО МКБ “Искра”») — параграфы 1.1–1.4 и 3.5.2; Г.Г. Кобко (МАИ) — параграфы 1.5 и 4.3.
В заключение авторы выражают большую признательность всем, кто принял
участие в обсуждении и подготовке данного издания, в частности сотрудникам
АО «Композит» и персонально В.П. Францкевичу — советнику генерального
директора АО «МКБ “Искра”».
В.А. Сорокин, Д.А. Ягодников
Список основных сокращений
АП
АСУ
БП
БРПЛ
БС
ВВ
ВЗУ
ВКМ
ВНДС
ГИП
ГЛА
ГЛР
ГПВРД
ГФО
ДТП
ЕСКП
ЖРД
ЖРДМТ
ККМ
ЛКИ
МК
МКА
МКМ
НА
НГ
НИР
НЦ
ОКР
ОП
ОПД
ОТК
ОТКИ
ПА
ПАВ
ПВРД
ПДК
— асбопластик
— автоматизированная система управления
— боропластик
— баллистические ракеты подводных лодок
— быстрорежущая сталь
— взрывчатое вещество
— воздухозаборное устройство
— высокоскоростная кристаллизация металлов
— вольфрамоникелевый дисперсионный сплав
— горячее изостатическое прессование
— гиперзвуковой летательный аппарат
— газолазерная резка
— гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель
— газофазное осаждение
— дополнительное технологическое покрытие
— Единая система качества продукции
— жидкостный ракетный двигатель
— жидкостный ракетный двигатель малой тяги
— керамический композиционный материал
— летно-конструкторские испытания
— минералокерамика
— многоразовый космический аппарат
— металлический композиционный материал
— нитрат аммония
— нитроглицерин
— научно-исследовательская работа
— нитроцеллюлоза
— опытно-конструкторская работа
— органопластик
— опережающее пластическое деформирование
— отдел технического контроля
— отработка технологичности конструкции изделия
— перхлорат аммония
— поверхностно-активное вещество
— прямоточный воздушно-реактивный двигатель
— предельно допустимая концентрация
6
ПК
ПКМ
ПМ
ПН
ПП
ПС
РДТТ
РПДТ
РСМД
САПР
СОЖ
СОК
СП
СПИД
СТМ
СТО
ТВЧ
ТЗМ
ТЗП
ТКИ
ТМО
ТО
ТП
ТПП
ТРТ
ТС
ТТ
ТТР
ТТТ
ТТХ
УМ
УП
УУКМ
ФХМ
ФХО
ЧПУ
ЭХО
ЭЦ
Список основных сокращений
— перхлорат калия
— полимерный композиционный материал
— порошкообразный материал
— перхлорат нитрония
— производственный процесс
— производственная система
— ракетный двигатель твердого топлива
— ракетно-прямоточный двигатель на твердом топливе
— ракеты средней и меньшей дальности
— система автоматизированного проектирования
— смазочно-охлаждающая жидкость
— силовая оболочка корпуса
— стеклопластик
— станок — приспособление — инструмент — деталь
— сверхтвердый материал
— средства технологического оснащения
— ток высокой частоты
— теплозащитный материал
— теплозащитное покрытие
— технологичность конструкции изделия
— термомеханическая обработка
— технологическая операция
— технологический процесс
— технологическая подготовка производства
— твердое ракетное топливо
— твердый сплав
— твердое топливо
— твердотопливная ракета
— тактико-технические требования
— тактико-технические характеристики
— углеродный материал
— углепластик
— углерод-углеродный композиционный материал
— физико-химические методы
— физико-химическая обработка
— числовое программное управление
— электрохимическая обработка
— этилцеллюлоза
1. Основы технологии изготовления
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе
Анализ конструкции и эксплуатационных нагрузок ракетно-прямоточного
двигателя на твердом топливе (РПДТ) позволяет заключить, что для создания
эффективного и надежного летательного аппарата, оснащенного РПДТ, необходимо разработать технологические процессы, обеспечивающие качественное изготовление металлических силовых элементов воздухозаборного устройства (ВЗУ), регулятора расхода, корпусов газогенератора и камеры дожигания
с соплом, а также изготовление для всех перечисленных элементов функциональных теплозащитных материалов и покрытий (ТЗМ и ТЗП) с соответствующими технологиями их надежного нанесения на защищаемые поверхности.
Рассмотрению этих вопросов и посвящена данная глава.
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе
Использование РПДТ для высокоскоростных летательных аппаратов
(рис. 1.1), по сравнению с ракетными двигателями твердого топлива (РДТТ),
позволяет:
• обеспечить более высокое значение импульса тяги РПДТ, в частности,
за счет использования топлива, обладающего большей теплотой сгорания;
• увеличить дальность полета в 1,5–2 раза;
• осуществлять регулирование РПДТ для оптимизации характеристик
летательного аппарата, например, по дальности полета.
Рис. 1.1. Схема расположения основных элементов РПДТ:
1 — газогенератор; 2 — регулятор расхода газогенератора; 3 — стартовый РДТТ;
4 — аэродинамический руль; 5 — ВЗУ
8
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Основными структурными элементами РПДТ (рис. 1.2) являются:
• ВЗУ;
• газогенератор, в котором происходят разложение и газификация твердого топлива;
• регулятор расхода продуктов газификации;
• стартовый РДТТ, который расположен в камере дожигания и обеспечивает разгон летательного аппарата до скоростей полета, необходимых для
запуска ВЗУ;
• аэродинамические и газодинамические рули.
Ориентировочные характеристики летательного аппарата класса
«воздух-воздух» с РПДТ:
Скорость полета М ............................................................................. 0,8...4,0
Диапазон высот, км ............................................................................ 0...20
Дальность полета, км ......................................................................... ~100
Для достижения высоких значений летно-баллистических, аэродинамических, высотно-скоростных, тягово-энергетических характеристик летательного аппарата РПДТ требуется обеспечить работоспособность т е п л о н ап р яж е н н ы х деталей и узлов двигательной установки, в частности, за счет
применения новых принципов теплозащиты, например, на основе композиционных материалов, термо-, эрозионно- и химически стойких к эксплуатационным воздействиям.
К основным элементам РПДТ, содержащим теплонапряженные конструкции и детали, относятся:
• элементы конструкции ВЗУ;
• внутренняя и внешняя поверхности камеры дожигания (рис. 1.3, а)
и газогенератора (рис. 1.3, б) маршевого топлива;
• детали регулятора расхода (рис. 1.3, в);
• сопловой блок маршевого двигателя.
В некоторых вариантах конструкции стартовый ускоритель может быть
выполнен как бессопловой РДТТ, интегрированный в конструкцию камеры
дожигания (см. рис. 1.3, а).
Важным элементом конструкции РПДТ является ВЗУ, включающее предназначенный для торможения набегающего потока входной диффузор и воздухопровод с необходимыми вспомогательными элементами (например,
заглушками, пилонами, регуляторами и др.). В зависимости от высоты и скорости полета летательного аппарата при торможении воздуха часть кинетической энергии потока будет переходить в тепловую энергию, что приведет
к соответствующему нагреву воздуха и элементов конструкции ВЗУ.
К факторам эксплуатационного воздействия на внешние и внутренние
поверхности силовых оболочек газогенератора, камеры дожигания и детали регулятора расхода относятся:
• скорость обтекания элементов газогенератора и регулятора расхода потоком продуктов сгорания маршевого топлива (М ~ 1,2);
• давление в газогенераторе (до 10 МПа);
Рис. 1.2. Структурная схема устройства РПДТ
10
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Рис. 1.3. Основные элементы РПДТ:
а — стартовый бессопловой РДТТ; б — корпус газогенератора; в — регулятор расхода продуктов
газификации
• высокотемпературные (до 2500…3000 K) продукты газификации и продукты дожигания маршевого топлива в воздушном потоке;
• теплоэрозионное (теплоабразивное) и теплохимическое воздействие
частиц конденсированной фазы размером 50…100 мкм, в частности, исходных
высокоэнергетических добавок к маршевому твердому топливу и их оксидов,
образующихся в продуктах газогенерации;
• дополнительный окислительный потенциал рабочего тела в камере дожигания при использовании воздуха в качестве окислителя, поступающего через ВЗУ;
• аэродинамический нагрев внешней поверхности корпуса РПДТ;
• время работы РПДТ (до 100…200 с), характеризующее длительность
эрозионного воздействия, а также внутреннего и внешнего высокотемпературного нагрева элементов конструкции РПДТ набегающим потоком воздуха и
продуктами сгорания твердого топлива.
Необходимо учитывать все факторы эксплуатационного воздействия, однако при этом повышаются требования к системе теплозащиты. В настоящее
время в серийном производстве несущий корпус РПДТ выполнен из м е т а лл иче ских конструкционных материалов, в частности из жаропрочной стали
КВК-32. Применение н е м е т а л л и ч е с к и х композиционных материалов
в силовых корпусах РПДТ сдерживается по условиям прочности, в частности
ударной, по условиям газопроницаемости и т. п.
При воздействии внешних и внутренних тепловых потоков, эквивалентных
условиям полета летательного аппарата на высоте H = 20 км со скоростью
M = 4, температура на корпусе РПДТ может достигать ~1000 K (рис. 1.4).
Такая температура существенно превышает температуру Tпл плавления жаропрочной стали КВК-32, что без использования соответствующих методов теплозащиты может привести к разрушению несущего корпуса РПДТ.
Для внутренней поверхности корпуса и деталей проточного тракта РПДТ
применяют следующие виды теплозащиты (рис. 1.5):
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения РПДТ
11
Рис. 1.4. Зависимость температуры внешней поверхности корпуса
РПДТ от времени при воздействии аэродинамического нагрева:
1 — без использования наружного ТЗП; 2 — с использованием
наружного ТЗП
Рис. 1.5. Фрагмент системы теплозащиты внутренней
поверхности камеры дожигания и маршевого сопла
• покрытие из эластичных теплозащитных материалов (ТЗП-1) с повышенной термоэрозионной прочностью для газогенератора и камеры сгорания
РПДТ в условиях воздействия высокоскоростных (до 400 м/с) и высокотемпературных (до 2500…3000 K) потоков продуктов сгорания. Эффект теплозащиты заключается в том, что под воздействием высоких температур полимерное связующее, например фенолоформальдегидное, начинает разрушаться.
Процесс разрушения сопровождается поглощением теплоты за счет эндотермического эффекта реакции разложения компонентов ТЗП-1 с последующим
выносом потоком продуктов газогенерации, что делает ТЗП термостойким,
а его унос управляемым;
• жесткое ТЗП из композиционных волокнистых пресс-материалов (стеклотекстолиты АГ-4В, стеклопластики типа П-5-7) для деталей проточного
тракта РПДТ;
• ТЗП из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) с нанесением дополнительных защитных керамических слоев, например, на основе соединений кремния для деталей проточного тракта РПДТ, в частности
регулятора расхода топлива.
12
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Для н а руж н о й поверхности корпуса могут быть использованы ТЗМ
сублимирующего типа на основе органических (полиэтилен, латексы) или
кремнийорганических связующих с наполнителем, обладающим малым значением коэффициента λ теплопроводности, что позволяет не допустить перегрева наружной поверхности (см. рис. 1.4).
При больших сверхзвуковых скоростях полета (число Маха М > 5–6)
эффективность прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) снижается вследствие резкого роста потерь полного давления при торможении
в воздуховоде воздушного потока до дозвуковой скорости на входе в камеру
сгорания и при расширении продуктов сгорания в сопле. Значительную долю
потерь полного давления при горении топлива и его истечении могут составлять потери из-за неравновесности физико-химических процессов воспламенения и горения топлива, а также газодинамических процессов расширения
продуктов сгорания в сверхзвуковом сопле. Кроме того, основная проблема
реализации высокоэффективного рабочего процесса заключается в уменьшении
времени пребывания смеси в камере сгорания и увеличении степени расширения продуктов сгорания.
Очевидно, что с увеличением скорости полета резко возрастает плотность
тепловых потоков в элементы конструкции двигательной установки вследствие
повышения температуры T* торможения воздушного потока и температуры
Tп.с продуктов сгорания в камере сгорания. Так, температура Tв воздушного
потока при сжатии в ВЗУ составляет примерно 600 K при числе Маха набегающего потока М = 3, 850…880 K при М = 4, 1600 K при М = 6 и 2000 K
при М = 7.
Таким образом, при увеличении скорости полета до больших сверхзвуковых
скоростей (М > 4) требуются кардинальные меры, направленные как на повышение эффективности всех элементарных процессов, которые образуют термодинамический цикл ПВРД, так и на обеспечение работоспособности конструкции за счет применения специальной системы охлаждения и специальных
термостойких конструкционных материалов.
Рассмотренные трудности применения ПВРД на высоких скоростях полета предопределили разработку силовой установки со сверхзвуковым горением, т. е. с гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД), характерными особенностями
которого являются воспламенение и горение топливной смеси в сверхзвуковом
потоке (рис. 1.6). В таком ГПВРД благодаря сжатию воздуха в ВЗУ до определенной сверхзвуковой скорости (как правило, М > 1) представляется возможным уменьшить потери в ВЗУ и сопле, а также понизить температуру
воздуха на входе в камеру сгорания и, соответственно, уменьшить тепловые
потоки в элементы конструкции ГПВРД и летательного аппарата.
Конструктивно ГПВРД с внутренним сверхзвуковым горением представляет собой конструкцию с нижним расположением ВЗУ и прямоточной камерой с увеличивающимся поперечным сечением. При этом скорость набегающего потока воздуха, уменьшаясь в ВЗУ с М = 6,5 до М = 2,022, в камере
сгорания остается на всех режимах больше скорости звука (М = 1,3). Степень
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения РПДТ
13
Рис. 1.6. Схема проточной части ГПВРД с обозначением характерных
сечений и параметров рабочего тела:
1 — головной обтекатель; 2 — ВЗУ; 3 — камера сгорания; 4 — сопловой блок; М —
число Маха; p и T — давление и температура в соответствующей зоне; Tн — температура набегающего потока; T * — температура торможения воздушного потока; Tп.с —
температура продуктов сгорания
сжатия воздушного потока в ВЗУ выбирается из соображений минимизации
потерь и определенного уровня статической температуры топливовоздушной
смеси, обеспечивающей устойчивое воспламенение и горение топливной смеси в камере сгорания с наибольшей полнотой. Очевидно, что большие скорости воздушного потока обусловливают малое время пребывания продуктов
сгорания в камере сгорания, поэтому в эффективном ГПВРД ее длина должна
быть увеличена по сравнению с длиной камеры сгорания ПВРД, в котором
процесс горения организован при дозвуковой скорости потока.
Горение топливо-воздушной смеси в ГПВРД может происходить или в
сверхзвуковом потоке без прямых скачков, но со стабилизацией в какой-либо
зоне отрыва (зоне обратных токов), или в волне, образующейся при установке в камере сгорания плохо обтекаемых тел — стабилизирующих (фронтовых)
устройств. В соответствии с этим ПВРД с горением топливной смеси в сверхзвуковом потоке называют двигателями со сверхзвуковым горением, а ПВРД
со стабилизаторами — двигателями с горением в скачке. При этом непременным условием устойчивого и высокоэффективного процесса в обоих типах
ГПВРД является самовоспламенение топливовоздушной смеси в зонах стабилизации при превышении температуры смеси над температурой самовоспламенения топлива.
В качестве примера рассмотрим несколько опытных образцов гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) и применяемых конструкционных материалов, разработанных в США.
Проект летательного аппарата X-43 Hyper-X начал разрабатываться по
программе NASA в 1996 г. (рис. 1.7). Изначально было построено три экспери-
14
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
ментальных образца X-43A для наземных испытаний в аэродинамической трубе и летных испытаний. Длина модели составляла 3,45 м, размах крыла —
1,5 м, стартовая масса — 1270 кг.
Полет летательного аппарата X-43A начинался в связке с ракетой-носителем «Пегас» под крылом самолета B-52B (рис. 1.8). По достижении высоты
12 км аппарат отделялся от носителя и набор высоты продолжался с помощью
ракеты-носителя «Пегас». Она поднимала аппарат до высоты 30 км, где про-
Рис. 1.7. Конфигурация летательного аппарата Hyper-X
(размеры указаны в дюймах, 1 дюйм = 25,4 мм)
Рис. 1.8. Летательный аппарат Х-43А в связке
с ракетой-носителем «Пегас» под крылом самолета B-52B
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения РПДТ
15
исходило разделение и включение ГПВРД (рис. 1.9), время работы которого
составляло 10 с. После отключения двигателя аппарат «скользил» в течение
10 мин, собирая аэродинамические данные во время полета.
Двигатель запускался с помощью пирофорной силан-водородной топливной
смеси, затем в течение 10 с после начала полета переключался на чистый
водород.
Рис. 1.9. Расположение двигателей в летательном
аппарате X-43A:
1 — ГПВРД; 2 — сверхзвуковой турбореактивный ускоритель
Рис. 1.10. Теплозащита летательного аппарата Х-43:
— УУКМ;
— вольфрам;
— TUFI/AETB (TUFI
(Toughened Uni-piece Fibrous Insulation) — легковесная теплоизоляция
на основе волокон диоксида кремния с повышенной стойкостью
к ударным повреждениям; AETB (Alumina Enhanced Thermal Barrier) — плитка из волокон оксида алюминия с повышенной теплоизоляционной способностью, стойкая до температуры 1427 °С);
—
Haynes (термостойкий металлический сплав на никелевой основе);
1 — передняя кромка крыла; 2 — боковая кромка
16
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Для защиты передних кромок крыла от перегрева использовался УУКМ
(рис. 1.10). Кроме того, применялась плиточная теплозащита, как на многоразовых космических аппаратах типа Space Shuttle и «Буран», а также вольфрамовые пластинки и жаростойкие сплавы.
X-51 WaveRider — беспилотный экспериментальный летательный аппарат
с ПВРД (рис. 1.11), разработанный компанией Boeing совместно с Агентством
перспективных исследований обороны США (DAPRA), NASA, Pratt & Whitney
Rocketdyne для полета на скоростях более 7М на высоте около 21 км.
Рис. 1.11. Общая компоновка летательного аппарата X-51
WaveRider:
1 — ГПВРД; 2 — переходный отсек; 3 — ускоритель ATACMS
Рис. 1.12. Крепление летательного аппарата X-51 WaveRider к самолету B-52
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения РПДТ
17
Подъем аппарата массой 1814 кг на высоту 15 км осуществлялся самолетом-носителем B-52 (рис. 1.12). После отстыковки от самолета B-52 включался ускоритель ATACMS (см. рис. 1.11), который выводил летательный
аппарат Х-51 на рабочую высоту 21 км и разгонял его до скорости, при которой начинал работать ПВРД SJY61. Длительность полета с работающим ПВРД
составляла 200…300 с. Двигатель SJY61 первоначально воспламенялся на
смеси этилена и реактивного топлива JP-7, а затем работал исключительно на
топливе JP-7.
Для теплозащиты ГЛА использовались как тугоплавкие металлы, так
и жаропрочные композиционные материалы (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Конструкционные (а) и теплозащитные (б) материалы, используемые в конструкции летательного аппарата X-51
WaveRider:
1 — вольфрам (носовой кок); 2 — алюминий (ГЛА, промежуточный
отсек); 3 — УУКМ (кромки стабилизаторов ГЛА); 4 — сталь (крепежные проушины, обшивка ускорителя и сопло); 5 — Инконель
(двигатель, стабилизаторы ГЛА); 6 — титан (переходная часть, хвостовая часть); 7 — напыленный легкий абляционный материал;
8 — легкий сотовый абляционный материал; 9 — гибкая многоразовая поверхностная изоляция; 10 — многоразовая изоляция фирмы
Boeing
Таким образом, приведенные схемные решения и опытные образцы конструкций летательных аппаратов с РПДТ и ГПВРД свидетельствуют о разнообразии внешних и внутренних силовых и температурных нагрузок, действующих на элементы конструкции, что обусловливает необходимость
применения большой номенклатуры конструкционных металлических и
композиционных материалов, а также разработки эффективных технологий
формообразования и, что особенно важно, нанесения высокоэффективных ТЗП
на защищаемые элементы конструкции.
18
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Для достижения заданных требований конструкцию РПДТ разрабатывают
с учетом следующих конструктивно-технологических особенностей.
1. Экстремальные условия эксплуатации. Под экст ремальными условиями понимается комплекс факторов, интенсивно и одновременно действующих на изделие, т. е. давление и другие нагрузки, температура и скорость
истечения газов, их физико-химическая активность и длительность воздействия,
влияние вакуума, ионизирующих и корпускулярных излучений, ударов посторонних тел. Кратковременность одноразовой работы РПДТ должна сочетаться с длительностью гарантийного хранения в условиях любого климата
(от холодного до тропического) не только на отапливаемом складе, но и на
открытых площадках с соответствующими атмосферными (дождь, снег, ветер,
солнечный нагрев) и биологическими (плесень, моллюски, грызуны) воздействиями. Условия хранения предусматривают также наличие транспортировочных нагрузок на изделие.
2. Высокое качество изделия, выражаемое через степень удовлетворения
тактико-технических требований (ТТТ) и их стабильность. Частными критериями качества являются точность форм и размеров, совершенство структуры
поверхностей (шероховатость, наклеп, покрытие), качество сопряжений (разъемные и неразъемные соединения) и высокий уровень бездефектности. Особая
роль отводится надежности, которая для сложных систем равна произведению
надежности составных частей. Проблемой является невозможность дублирования элементов. Профилактический осмотр и мелкий ремонт проводят выборочно и только в процессе плановых проверок. Уровни статистических
оценок надежности заданы параметрами долговечности, безотказности и ремонтопригодности. Высокое качество изделий обусловливается обширной
системой контрольно-испытательных работ, значительными затратами на отработку и высокой стоимостью изделия.
3. Необходимость оптимизации массогабаритных характеристик. Противоречивые тенденции снижения этих характеристик и их роста с повышением ТТТ связаны с эксплуатационными и производственными заданиями.
Минимизация значений коэффициентов безопасности материалов деталей
реализуется через разную толщину стенок в соответствии с полем действующих нагрузок, сложность форм профилированных деталей газодинамического
тракта, многослойность стенок узлов абляционной и эрозионно-стойкой теплозащиты, комбинированность переднего и заднего узлов стыка с металлическими фланцами, юбками и стыковочными шпангоутами.
С этими тенденциями связано приобретение многими деталями свойств
нежестких или маложестких конструкций. Неже сткой называется такая конструкция, которая изменяет свою форму под действием силы тяжести. Маложе сткая конструкция изменяет свою форму под действием сил технологических приспособлений. Актуально применение конструкторско-технологических
решений для повышения надежности в сравнении с надежностью ранее отработанных конструкций изделий.
4. Избирательность применяемых материалов:
• по функциональному назначению (конструкционные, теплозащитные,
теплоизоляционные, эрозионно-стойкие, герметизирующие и др.);
1.2. Особенности машиностроительного предприятия...
19
• по интенсивности воздействия основного фактора среди материалов
одного назначения (давление, тепловой поток, теплопроводность, унос массы,
газопроницаемость);
• по комбинированному воздействию нескольких факторов.
В связи с широкой номенклатурой материалов и деталей из них повышается трудоемкость получения заготовок, деталей, а также их сборка, вследствие
чего возрастает себестоимость изделий.
5. Необходимость постоянного совершенствования тактико-технических
характеристик (ТТХ) изделия для замедления его морального старения и повышения боеготовности.
В процессе производства в конструкцию и технологию вносят изменения,
отражающие достижения в данной отрасли. В результате сокращается время,
отводимое на технологическую подготовку производства (ТПП), и реализуются резервы модификации изделия, заложенные в его конструкцию.
1.2. Особенности машиностроительного предприятия
и технологических процессов изготовления двигателя
Применительно к машиностроительному предприятию можно отметить
следующие особенности производства РПДТ.
1. Широкое кооперирование: конструкторское бюро — опытное производство — серийный завод — смежные организации (НИИ отраслевые, вузовские,
академические, заводы внутриотраслевые и межотраслевые) — заказчик.
Число участников кооперации достигает 600, отсюда трудности управления
этой системой. Налицо высокая специализация разных уровней:
• по роду деятельности (ученые — производственники — эксплуатационники, конструкторы — технологи — исследователи, машиностроители — приборостроители);
• по конструкциям (деталь, узел, агрегат, корпус, сопло, отсек, ступень,
изделие в целом);
• по видам работ (литье, пластическое деформирование, механическая
обработка, накатка, прессование, аддитивное выращивание, сборка, монтаж,
контроль, испытания);
• внутривидовая (литье по выплавляемым моделям, раскатка с утонением,
физико-химическая обработка, электронно-лучевая сварка, монтаж бортовой
кабельной сети, неразрушающий контроль, функциональные испытания и др.);
• по структуре служб (отделы главного металлурга, главного химика,
главного технолога, главного метролога, главного энергетика, главного механика, отдел технического контроля, служба менеджмента качества, центральная заводская лаборатория, центральная технологическая лаборатория, главный
вычислительный центр, испытательный комплекс, ракетный полигон и др.).
2. Большая трудоемкость контрольно-испытательных работ, развитость
входного и сдаточного контроля, необходимость проведения эталонного и
приборного контроля.
20
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
3. Неритмичность производства. Эта особенность связана с выпуском
продукции технологическими партиями, повторяющимися через неопределенный интервал времени, при соблюдении в каждой технологической партии
принципа постоянства используемых материалов, средств технологического
оснащения (СТО), режимов работы, а также конкретных исполнителей и контролеров, времени и условий проведения работ. Неритмичность вызывается
также частой сменой объекта производства, постоянной модернизацией конструкции и технологии от одной партии изделий к другой, широким использованием легко переналаживаемого компьютеризованного оборудования:
станков с ЧПУ, гибких автоматизированных комплексов, обрабатывающих
центров, робототехнических комплексов и др.
4. Большой объем ТПП и малое время, отводимое на эти работы. За
1–2 года (иногда за 4–6 лет) необходимо спроектировать, изготовить и опробовать комплект СТО из сотен тысяч наименований инструментов, приспособлений и оборудования, рассчитать и отработать десятки тысяч наименований
технологических процессов изготовления деталей и сборки, контроля и испытания сборочных единиц в соответствии со схемой членения изделия, создать
методики, разработать рекомендации и другую технологическую документацию.
Уникальность и сложность специальных СТО, обеспечение высокого уровня
их технологичности и преемственности надежных конструкторско-технологических решений также увеличивают объем ТПП. Стоимость создаваемых СТО
превышает стоимость изделия в 10 раз и более. Следует отметить, что специфичность изделий и высокий уровень технологичности конструкций повышают стоимость изделий. Использование параллельно-последовательного
метода в производстве изделия, например сотрудничество технолога с конструктором на этапе разработки конструкторской документации, возможное совмещение летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) с разработкой конструкторской
документации и ТПП, несколько сокращает время, затрачиваемое на изготовление изделия, но приводит к интенсификации процессов.
Отмеченным особенностям должна отвечать структура машиностроительного предприятия (рис. 1.14).
К основному производству относится группа цехов, участков, лабораторий
и других подразделений, занятых выпуском РПДТ на головном машиностроительном заводе. Если инфраструктура завода позволяет, то основное производство может выпускать и другую продукцию оборонного назначения по
программам внутриотраслевой и межотраслевой кооперации, а также продукцию
двойного назначения и гражданскую. Вспомогательное производство предназначено для обеспечения надежного функционирования основного. К нему относятся цеха инструментального производства, занятые восстановлением изношенного инструмента и производством нового специального инструмента,
отсутствующего на инструментальном рынке, а также цех нестандартного оборудования и ремонтно-механический. Не ст андартным оборудованием считают станки (стапели, стенды, обрабатывающие комплексы, установки, манипуляторы, контрольно-испытательные станции, пункты, камеры, боксы), а также
приспособления к ним, позволяющие установить и закрепить в требуемом по-
1.2. Особенности машиностроительного предприятия...
21
Рис. 1.14. Структурная схема производства на машиностроительном
предприятии
ложении деталь или сборочную единицу для проведения с ней работ. Ремонтномеханический цех занят поддержанием оборудования и приспособлений в исправном состоянии. Задача обслуживающего производства — обеспечивать
работу основного и вспомогательного. В состав обслуживающего производства
входят заводоуправление, энергетические и транспортно-складские службы,
службы управления закупок и снабжения, охраны, социального обеспечения
(питание, медицинское обслуживание, отдых) и др.
Сложный комплекс процессов взаимодействия всех трех производств на
предприятии называется производственным процессом (ПП).
Количественными характеристиками ПП являются:
• объем выпуска продукции (А — планируемое количество изделий, подлежащих выпуску за весь срок промышленного производства);
• годовая программа выпуска продукции (Nг — количество изделий, подлежащих выпуску в определенном году);
• производственный цикл (Тц — календарное время повторяемого процесса производства единицы изделия от запуска первой заготовки (детали) до
вывоза готового изделия с территории завода);
• ритм (количество изделий, выпускаемых в единицу времени).
Организационные формы осуществления ПП на машиностроительном
предприятии бывают разными и составляют производственную систему (ПС):
ГУП (государственное унитарное предприятие); ФКП (федеральное казенное
предприятие); АО (акционерные общества различных видов); НПО (научнопроизводственное объединение); ГНЦ (государственный научный центр) и др.
22
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Кол и ч е с т ве н н ы м критерием ПС служит классификационная категория
«тип производства», отражающая объем производства и регулярность выпуска
продукции. Различают единичное, серийное и массовое производство. Единичное производство характеризуется объемом выпускаемой продукции до 10 шт.
и повторяемостью выпуска через неопределенные интервалы времени. На одном
рабочем месте может выполняться много технологических операций. Серийное
производство — это десятки изделий, выпускаемых технологическими партиями через повторяющиеся неопределенные интервалы времени. Выделяют
крупно-, средне- и мелкосерийное производство. Критерием этой классификации
служит коэффициент закрепления операций — число операций, выполняемых
на одном рабочем месте (единице оборудования). Граничные значения этого
коэффициента равны соответственно 10, 20 и 40. Массовое производство —
сотни изделий, выпускаемых непрерывно через определенные интервалы
времени, называемые тактом τ выпуска продукции и связанные с работой
межоперационной транспортной системы (конвейера). На одном рабочем месте выполняется только одна технологическая операция.
Каждое производство отличается типом применяемого оборудования, оснастки (приспособлений и инструментов), характером расстановки оборудования в производственных помещениях, квалификацией работников и себестоимостью продукции. В ракетостроении используют принципы серийного
производства, причем первые образцы создают в условиях опытного производства, существующего при головном КБ или НИИ.
Опытное производство отличается от единичного только тем, что вновь
вводимые сложные и важные технологические процессы проработаны глубже,
до уровня операционных карт.
Каче ственным критерием ПС служит классификационная категория «вид
производства», отражающая специфику применяемых СТО, материалов и
методов их преобразования в заготовки и детали, сборочных и контрольноиспытательных работ с изделиями отрасли. Примерами видов производства
являются заготовительно-штамповочное, сварочное, намоточное, выкладочное,
механосборочное, снаряжательное и др. Конкретная структура ПП на машиностроительных предприятиях различается уровнем технологической культуры,
характером членения изделия и типом ПС. Пример членения конструкции
корпуса двигателя на составляющие элементы (детали и сборочные единицы)
приведен на рис. 1.2.
Производственный процесс отвечает на вопросы: что делать, сколько делать,
когда делать, с какими технико-экономическими показателями. Объектом производства является изделие, которым может быть как деталь, так и любая сборочная единица, включая РПДТ в целом. Материальной основой ПП являются
СТО, состоящие из оборудования и оснастки к нему. Производственное оборудование — это основное средство производства, преобразующее какую-либо
энергию в работу по воплощению материала в заготовку (деталь) или сборочную
единицу либо в работу по оценке качества продукции (информационное оборудование). Оснастка — это дополнительное средство производства, вносимое
в рабочую зону оборудования на время проведения действий с изделием.
1.2. Особенности машиностроительного предприятия...
23
Оснастку составляют приспособления, с помощью которых базируется и закрепляется в требуемом положении объект производства, и инструменты (рабочие и мерительные), используемые на рабочем месте.
Производственный процесс представляет собой совокупность технологических процессов (ТП), они отвечают на вопрос «как делать». Иными словами,
ТП — это алгоритм сложного комплекса взаимодействий исполнителя с оборудованием и оснасткой по количественному и качественному преобразованию
материалов, заготовок, деталей и сборочных единиц в конструкцию изделия.
При этом речь может идти о ТП как сложном комплексе используемых в технологических преобразованиях физико-химических явлений (например, плавление — кристаллизация, разделение — соединение) и о ТП как нормативном
документе, узаконивающем и описывающем этот преобразовательный комплекс.
Классифицируют ТП по ряду признаков. По глубине информативности ТП
подразделяют на маршрутный и рабочий.
Маршрутный ТП представляет собой последовательный перечень технологических операций с указанием их номеров (1, 5, 10, 15 и т. д.) и кратких
наименований в виде прилагательного к слову «операция»: токарная, сварочная, термическая, контрольная, испытательная и др. При необходимости может
быть дано уточнение в скобках (черновая, чистовая, аргонодуговая, полимеризация, размеров, на прочность соответственно).
Рабочий ТП представляет собой сборник операционных карт, составленных
в соответствии с маршрутными ТП. Каждая карта включает:
1) номер и название операции;
2) эскиз, который отображает суть проводимой операции в ее законченном
виде с указанием размеров, задействованных на операции, и поверхностей
базирования и закрепления изделия в приспособлении, помечаемых значками и . Эскиз выполняют без соблюдения масштаба и упрощают для
лучшего понимания сути работ;
3) перечень оборудования, приспособлений, рабочих и мерительных инструментов, комплектующих полуфабрикатов и вспомогательных материалов
с их наименованиями и основными характеристиками, указаниями ГОСТов
или других документов;
4) таблицу переходов, составляющих данную операцию, с нумерацией
1, 2, …, которая начинается от нижнего обреза формата, отведенного на операционную карту. Названия переходов обозначают, начиная с глаголов, соответствующих сути выполняемых работ (подрезать торец, термообработать,
контролировать, клеймить и т. п.), в графе режимов их проведения указывают
важнейшие параметры (температуру, давление, время и др.) и их числовые
значения, а в графе нормирования переходов — время, основное и вспомогательное, по каждому переходу. Суммарное время Топ проведения операции
указывают над таблицей переходов.
По другим классификационным категориям различают ТП постоянный
и временный, единичный и типовой, перспективный и директивный. Кроме
того, ТП подразделяют на общий и составляющий.
24
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Общий ТП охватывает различные работы, проводимые со сборочной единицей: механическую обработку, сварку, рентгеноконтроль, термообработку,
испытание на прочность, нанесение покрытия, маркирование и др. Составляющим является каждый ТП получения деталей, входящих в сборочную единицу. В общем и в составляющих ТП могут быть выделены частные процессы, различающиеся физико-химическими принципами проведения операций:
гальванохимический, лакокрасочный и др.
Наиболее значительным элементом ТП является технологическая операция (ТО), которая представляет собой законченную часть процесса изготовления детали или сборки одной сборочной единицы, выполняемую непрерывно и последовательно на одном рабочем месте (оборудовании). Степень
деления ТП на ТО, т. е. структура ТП, определяется характером членения
изделия на составные части, уровнем технологической культуры предприятия
и типом принятой ПС. Таким образом, через эти три фактора устанавливается взаимосвязь ТП с ПП. Технологическая операция — это комплекс целесообразных действий исполнителя со СТО для изменения свойств объекта производства. При этом постоянно только рабочее место (тип оборудования).
Переменными являются приспособления, инструменты, выполняемые работы
и их режимы, обрабатываемые поверхности.
Таким образом, логика деления ТП на ТО основывается на возможностях
применяемого оборудования: между смежными операциями всегда существует разрыв последовательности выполняемых работ. Дополнительным фактором,
определяющим деление ТП на ТО, является учет рекомендательного для условий серийного производства значения такта τ выпуска продукции во избежание диспропорций оперативного времени выполнения ТО и чрезмерных
межоперационных заделов (скоплений) объектов производства.
Наиболее существенным элементом ТО является технологический переход, который представляет собой законченную часть процесса изготовления
детали или сборки сборочной единицы, выполняемую с использованием одного приспособления, одним инструментом, на одном режиме или одной и той
же поверхности. Различают основные и вспомогательные переходы. Вспомогательные переходы необходимы для установки заготовки в приспособление
или инструмента на станке, настройки режима работы оборудования, снятия
со стапеля собранного или испытанного изделия. Рабочие переходы при неизменном положении объекта в приспособлении считаются выполненными с
одного установа. Переходы при одном из многих положений поворотного
приспособления с объектом считаются выполненными с одной позиции.
Вспомогательный переход при смене инструмента называется технологическим приемом. Рабочий переход при повторной работе одним и тем же инструментом по одной и той же поверхности называется проходом.
Нормирование времени выполнения ТО проводится по формулам штучного и штучно-калькуляционного времени:
Тшт = То + Тв + Тоб; Тшт.к = Тшт + Тп.з /N,
(1.1)
1.2. Особенности машиностроительного предприятия...
25
где То, Тв — время, затрачиваемое на выполнение соответственно основной ТО
и вспомогательного перехода; Тоб — общее время технического и организационного обслуживания и отдыха; Тп.з — время, затрачиваемое на выполнение подготовительно-заключительных работ; N — число деталей в технологической
партии.
При этом сумма То и Тв составляет оперативное время Топ выполнения
технологической операции:
Топ = То + Тв.
В условиях мелкосерийного производства доля То составляет 31 %, Тв —
29 %, Тп.з — 16 %, Тоб — 24 %.
В свою очередь Тв включает следующие работы: управление станком —
36 %; установка, закрепление, открепление, снятие детали — 28 %; смена
режущего инструмента — 11 %; контроль размеров детали — 25 %.
Комплекс ТО, составляющих ТП, представляет собой логически завершенный алгоритм действий как с каждым объектом технологии (заготовкой, полуфабрикатом, деталью, сборочной единицей), так и с каждым применяемым
преобразовательным механизмом. Технологическим процессом является, например, намотка оболочек, нанесение ТЗМ и т. п.
Проектирование ТП — сложная творческая задача, которая осуществляется для конкретного предприятия с его инфраструктурой, СТО и технологической культурой, однако с учетом мирового уровня достижений в этих направлениях.
Конструкторско-технологическое членение изделия на составные части
и комплекс технологических средств, выбранных для формообразования,
сборки, контроля и испытаний, зависят от творческих способностей исполнителя. Технология многовариантна и должна быть оптимизирована для принимаемого конструкторско-технологического решения.
При проектировании ТП учитывают также тип производства. На 75…80 %
машиностроительных предприятий реализуется серийное производство, для
которого такт τ выпуска продукции не является определяющей характеристикой
(как это происходит при массовом производстве), но служит рекомендательным
параметром при построении технологической цепочки операций, составляющих
ТП. Отношение оперативного времени Топ выполнения самой длительной и
самой короткой операций не должно превышать 2–3, чтобы не создавать трудностей хранения межоперационных заделов, движения внутрицехового транспорта и др.
Пути совершенствования ТП многообразны, например:
1) применение прогрессивных заготовок и полуфабрикатов (по форме,
свойствам материала и минимуму объема необходимых работ), приближающихся к готовой продукции;
2) использование высокоэффективного оборудования (мощного и производительного, прецизионного и адаптивного, комбинированного физико-химического действия, многоинструментального, легко переналаживаемого комплексно автоматизированного);
26
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
3) внедрение аддитивных технологий (селективное лазерное спекание,
3D-принтеры и др.);
4) применение эффективных приспособлений и рабочих инструментов
(жестких, точных, износостойких, многопозиционных, механизированных,
а также адаптированных к условиям совмещения основных и вспомогательных
работ и облегчающих подготовительно-заключительные операции);
5) использование надежных средств технологического контроля и испытаний на всех направлениях производства;
6) обеспечение высокого уровня технологичности конструкции изделия
(ТКИ) в процессах ТПП и серийного производства.
Многие из названных направлений уже реализуются в современной технологии машиностроения, за которой закрепились соответствующие определения:
• безлюдная — человек выведен за пределы производства, а во многом и
из сферы рутинного управления и выполняет только функции наблюдателя и
генератора идей;
• безбумажная — отсутствует бумага как единственный носитель конструкторской и технологической документации, которая заложена в базу данных компьютера и используется в виде управляющих программ при изготовлении деталей, сборке изделий, контроле и испытаниях готовой продукции;
• гибкая — легко и гибко перестраивается при единичном производстве
под разнообразные технические и эстетические запросы индивидуального потребителя (модель, цвет, дизайн, комфорт);
• самонастраивающаяся — синхронизированы ритмичность производства
и поставка продукции потребителю, скомпенсировано влияние случайных
факторов изменяющейся окружающей среды, диагностируется состояние работающей ПС, оптимизируется цикл производства и обеспечивается наивысший
уровень качества продукции;
• интернетизированная — Всемирная сеть служит фактором универсализации технологических знаний и умений в разных странах;
• энергетически эффективная — малооперационная технология использует возобновляемые и бездефицитные источники энергии, включая солнечную
и термоядерную;
• экологически чистая — безотходная технология предусматривает экономию материальных ресурсов, рациональное и многократное использование
компонентов производства, эффективную утилизацию, экологический мониторинг.
1.3. Методика проектирования технологических процессов
Для организации производства РПДТ необходимо разработать до 30 тыс.
технологических процессов изготовления деталей, сборки сборочных единиц,
контроля и испытаний. Любой ТП является продуктом индивидуального творчества, хотя для базовых конструкций накоплен статистический материал,
позволяющий использовать универсальный вариант, называемый типовым ТП.
1.3. Методика проектирования технологических процессов
27
Проектирование ТП и разработка технологической документации ведется
параллельно-последовательно, начиная с подготовки конструкторской документации (особенно интенсивно во время ТПП) и заканчивая авторским надзором разработчика за изготовлением и инженерным сопровождением изделия
на серийном производстве и при эксплуатации его у заказчика с анализом
причин нарушения режима эксплуатации. При этом глубина проработки технологической документации проходит стадии от маршрутного ТП для опытного производства до рабочего ТП для готовящегося серийного производства
и карточек разрешений на изменения в рабочем ТП во время серийного производства.
Именно при проектировании ТП в изделие закладывают требования по
ТКИ, которые затем обеспечивают в процессах ТПП и серийного производства
и поддерживают на достигнутом уровне при эксплуатации. На этапах ТПП
изделия выполняют основной объем работ по проведению лабораторных,
стендовых (холодных и огневых) и летно-конструкторских испытаний. Здесь
проводят отработку изделия, причем расходы на нее больше стоимости изготовления изделия приблизительно в 20 раз.
Методика проектирования ТП строится следующим образом.
1. Анализ конструкторской документации на деталь или сборочную единицу (особенности формы, допуски на отклонения, квалитеты точности размеров, классы шероховатости поверхностей, общие и специальные характеристики материалов, типы неразъемных и разъемных соединений, виды
термохимической обработки, методы контроля и испытаний и др.).
2. Анализ нормативно-технологической документации предприятия, для
которого проектируется ТП (тип и характеристики имеющихся СТО, научнотехнический и технологический опыт работы с предполагаемыми материалами и методами их преобразования, уровень владения информационными
технологиями, задания на проектирование недостающего специального оборудования и оснастки, ведомости материалов для комплектации производства).
3. Выбор заготовки или исходной сборочной единицы, анализ конструкторских, технологических и измерительных базовых поверхностей и поверхностей, используемых для крепления в приспособлении.
4. Выбор поверхностей базирования и закрепления и схемы перемены баз.
5. Разработка маршрутного ТП, включающая:
• выбор методов достижения качественных результатов, указанных в конструкторской документации, т. е. выбор отделочных (финишных) и контрольно-испытательных операций;
• выбор методов достижения количественных результатов, эффективно
приближающих несовершенную исходную заготовку к виду, который отличается более высоким коэффициентом Kи.м использования материала;
• выбор методов (при необходимости), заполняющих срединную область
маршрутного ТП; критерий выбора упрощен, что позволяет рассмотреть варианты маршрутного ТП;
• оформление варианта маршрутного ТП; в условиях неопределенности — анализ двух-трех вариантов.
28
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
6. Анализ вариантов маршрутного ТП по критериям ожидаемого качества
продукции, технологичности конструкции, при более детализованной оценке — по критериям себестоимости, трудоемкости и материалоемкости (комплексная оценка при многокритериальной оптимизации по ряду факторов
позволяет сделать более обоснованный выбор решения).
7. Оценка цеховых затрат. При высокой стоимости материалов в ракетнокосмической отрасли приемлемую точность оценки затрат можно получить по
формуле цеховой себестоимости:
Сц = а1Cм + а2Cз.п + а3Cоб + а4Cин,
(1.2)
где аi — коэффициенты функции регрессии (в условиях серийного производства
а1 = 0,6; а2 = 0,3; а3 = а4 = 0,05); Cм — стоимость материалов; Cз.п — заработная
плата производственных рабочих; Cоб — расходы на эксплуатацию оборудования;
Cин — расходы, связанные с изнашиванием приспособлений и инструментов.
Более точно экономическую эффективность принимаемого решения можно оценить по критерию минимума полных приведенных затрат:
Qmin =
n
∑ (Ci + K рΦ) Ni ,
i =1
(1.3)
где n — длительность оцениваемого периода, год; Сi — полная себестоимость
изделия на i-м году освоения; Kр — коэффициент рентабельности продукции
(норма себестоимости, отнесенная к стоимости Ф производственных фондов),
обычно этот коэффициент равен 0,12– 0,15; Ni — годовая программа i-го года
выпуска продукции.
8. Проектирование рабочего ТП по принятому маршрутному ТП. Проводят
эскизное оформление операций, назначают режимы проведения рабочих переходов в ТО (опытно или расчетно, таблично или экспериментально), устанавливают нормы времени, расхода вспомогательных материалов и др.
9. Разработка дополнительного комплекса сопутствующих организационнотехнологических документов для мониторинга ТП в системе производства
предприятия (технологические паспорта изделий и специального оборудования,
стендов, испытательных боксов, инструкции, регламенты, схемы, карты учета,
карточки изменений, планировки цехов, производственных и вспомогательных
участков, протоколы испытаний, акты выявленного брака, нарушений санитарных и экологических норм, требования техники безопасности и гражданской
обороны, ведомости расхода материалов и другие документы, регламентированные отраслевыми нормативными актами).
10. Документальное оформление (подписание) всего пакета технологических документов руководством отрасли, КБ, головного предприятия и участвующих в кооперации сторонних организаций.
11. Внесение изменений в технологическую документацию (разрешено
только после соответствующего документального оформления).
Рассмотренная методика может служить алгоритмом для компьютерного
проектирования ТП. Некоторые из ступеней методики уже автоматизированы
1.4. Показатели качества конструкции двигателя
29
(сбор, хранение и внесение изменений в банк данных, решение расчетноаналитических задач), но важна и профессиональная подготовка инженератехнолога.
Качество спроектированного ТП проявляется в качестве изготовленного
изделия.
1.4. Показатели качества конструкции двигателя
Научные основы понятия качества заложены в квалиметрии. Оценка качества продукции и управление им структурированы в европейском и мировом
масштабе. Тем не менее каждая страна вопросы качества решает самостоятельно. В России, например, действуют ГОСТы Единой системы качества
продукции (ЕСКП), ISO 9000–2011, а также отраслевые нормативные документы, обеспечивающие заданный уровень качества. Кроме того, на всех
предприятиях созданы службы менеджмента качества.
Качество продукции представляет собой многоплановое понятие — это
совокупность свойств изделия, отражающих его способность удовлетворять
определенным запросам потребителя. В оборонной технике запросы потребителя выражает заказчик через комплекс признаков качества изделия
(ГОСТ 15467–79), заданных в ТТХ. Основные группы этих признаков:
• целевого назначения (стратегические, оперативно-тактические летательные аппараты);
• конструкторские (связка, число ступеней);
• технические (масса, габаритные размеры, надежность, точность, мощность, универсальность);
• экономические (себестоимость, расход энергии, трудоемкость);
• эксплуатационные (гарантийный срок службы, безопасные условия эксплуатации, транспортабельность, регулируемость);
• эстетические (соразмерность элементов, цвет, дизайн);
• маркетинговые (реклама, культура торговли, сервисное обслуживание,
патентоспособность, конкурентоспособность);
• экологические (шум, загрязнение среды, утилизируемость материалов);
• эргономические (удобство, комфорт для человека);
• технологические (шероховатость поверхности, технологическая культура,
технологичность конструкции изделия, профессионализм кадров, особенности
изготовления деталей и сборки, контроля и испытания сборочной единицы).
Каждый из названных признаков качества изделия количественно оценивается через соответствующие параметры качества. Для надежности, например,
такими параметрами служат долговечность, безотказность и ремонтопригодность. Для технологичности конструкции изделия, как одного из важнейших
признаков качества, параметров, позволяющих оценить качество изделия,
много, выбор минимально достаточного их числа для достоверности оценки
является задачей оптимизации. Мерой количественной оценки параметров
качества изделия служат показатели качества и технологичности.
30
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Таким образом, на качество продукции влияют как технологические параметры производства (изготовления, сборки, контроля и испытания), так и
конструкторские параметры изделия. Такое двуединство оценки технического уровня конструкции изделия позволяет сделать более точной характеристику качества, заложенную в конструкторско-технологическое решение.
Для изделий ракетно-космической техники важнейшим техническим признаком качества служит надежность. Под надежностью понимают свойство
изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций
в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания,
хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002–2015). Как уже указывалось, для
оценки надежности используют такие параметры, как долговечность, безотказность и ремонтопригодность. Показателями долговечности служат, например,
критерии среднего или гарантийного срока эксплуатации, безотказности —
критерии вероятности безотказной работы или средней интенсивности отказов,
а ремонтопригодности — критерии среднего времени профилактического
предупреждения отказов или отыскания и устранения неисправности.
Количественная оценка надежности выражается вероятностью выполнения
требований конструкторской документации или вероятностью безотказной
работы. Состояние изделия, соответствующее требованиям конструкторской
документации, называется работоспособностью. Нарушение работоспособности — отказ. Не всякая неисправность ведет к отказу. Живучестью системы называется вероятность восстановления ее работоспособности после отказа или действия форс-мажорных обстоятельств.
Характеристика надежности может быть распространена на СТО, материалы конструкции (для композиционных материалов — на его фазы и компоненты) и на используемые технологические процессы (операции и переходы).
Другим важным техническим признаком качества является точность —
степень приближения действительных значений параметров изделия, измеренных с допустимой погрешностью, к заданным при проектировании. Качественным считается значение параметра, погрешность которого находится в
пределах допуска. Точность, выражаемая через квалитеты IT или предельные
отклонения номинального значения размера, также относится к размерам не
только изделия, но и СТО. Кроме того, понятие точности распространяется на
разброс свойств, химический состав и структуру материала, а также на физические параметры ТП (давление, температура, время).
Создание современных конкурентоспособных изделий машино- и приборостроения базируется на системах управления качеством и технологичностью
продукции на всех этапах жизненного цикла, начиная с НИР, ОКР и разработки конструкторской документации, реализуется при ТПП и промышленном
производстве, поддерживается при эксплуатации и завершается утилизацией.
С конструкторским этапом жизненного цикла изделия связано формирование системы показателей качества и технологичности, а также достижение
рационального сочетания интересов заказчика, разработчика, изготовителя и
потребителя. Иначе говоря, решается задача создания в необходимом количестве изделий высшей категории качества, оптимальных по себестоимости,
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
1.4. Показатели качества конструкции двигателя
31
трудо-, материало- и энергоемкости, в краткие сроки освоения производства,
новаторского в технических и технологических решениях. Комплекс подобных
работ называется отработкой технологичности конструкции изделия (ОТКИ)
и проводится совместно технологом и конструктором в соответствии
с ГОСТ 14.206–73 «Технологический контроль конструкторской документации».
Разработка комплекта конструкторской документации проходит следующие три стадии:
1) техническое предложение (ГОСТ 2.118–2013);
2) эскизный проект (ГОСТ 2.119–2013);
3) технический проект (ГОСТ 2.120–2013).
На каждой стадии рассматривается несколько вариантов последовательно
уточняемых решений, развитие которых связано с направлениями одновременно проводимых работ по совершенствованию разрабатываемой конструкции, такими как:
• расчетные исследования;
• проектно-конструкторские исследования математических и физических
моделей и макетов;
• имитационное моделирование;
• лабораторные исследования материалов и покрытий, клеев, герметиков и др.;
• технологические исследования отдельных процессов (сварка, склеивание), их режимов и получаемых результатов;
• опытное производство экземпляров отдельных деталей, узлов и агрегатов;
• стендовые испытания объектов опытного производства;
• экспериментальная отработка опытного изделия (партии изделий) во
время предварительных, межведомственных и государственных испытаний;
• испытания установочной серии зачетных изделий и головной партии
изделий установившегося серийного производства.
К конструкторской документации на вновь разрабатываемое или модифицируемое изделие предъявляется комплекс требований.
1. Она должна соответствовать государственным стандартам (ЕСКД, ЕСПД,
ЕСТД, ЕСТПП, ЕСДП, СРПП, ССБТ, ССНТ, ССЭТО, ЕСАКП, ЕСККТЭИ,
ГСОЕИ), специальным отраслевым стандартам (ОСТ, НО, СП) и другой нормативно-технической и методической документации (ТУ, РМО, ВР, ограничители марок материалов, регламенты организационно-плановой работы,
рекомендации инженерно-технических работ, методики расчетных и экспериментальных работ, автоматизированного и компьютеризированного производства и гибкого управления), а также общетехническим нормам и правилам
и другим стандартам.
2. Документация должна отражать конструкторско-технологическую и эксплуатационную рациональность членения как самого изделия, так и его составных частей:
• изделия — на блочно-модульные составляющие;
• сборочных единиц — на детали;
• деталей — на элементы простых геометрических форм (конус, сфера и т. п.).
32
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
При этом оценивают рациональность числа элементов членения и оптимальность их компоновки в сборочной единице. Для повышения ТКИ выявляют
независимо собираемые узлы и места дифференцированной и интегрированной
сборки, а также возможности агрегатирования с присоединением на основную
часть изделия других узлов в целях получения вариантов модификации.
3. Конструкторская документация должна соответствовать приемам и методам повышения ТКИ:
• стандартизации (государственной, отраслевой, предприятия) как отдельных элементов конструкции (крепеж, профильные и другие конструктивные
элементы), так и нормализованных рядов их размеров (толщин, диаметров);
• унификации составных частей изделия по рационально ограниченной
номенклатуре марок и сортамента материалов, типоразмерным и параметрическим рядам оборудования, приспособлений и инструментов, единообразию
требований к условным обозначениям, методам контроля и испытаний, типовым и групповым признакам конструкторско-технологического решения,
степени взаимозаменяемости деталей и сборочных единиц, методикам диагностирования, проведения контроля и испытаний;
• заимствованию комплексных конструкторско-технологических решений
(деталей, узлов, агрегатов), показавших свою эксплуатационную надежность
в ранее созданных прототипах, а также среди приобретаемых комплектующих
изделий, технологически преемственных СТО и технологических процессов,
современных образцов контрольно-измерительной техники;
• технологической рациональности специализации и универсализации решений.
4. Конструкторская документация должна быть метрологически объективной. Для этого:
• увязывают в документации измерительные базы с конструкторскими
и технологическими базами;
• обеспечивают правильность построения размерных цепочек;
• оптимизируют назначаемые квалитеты точности размеров, посадок, допуски отклонений формы, взаимного расположения поверхностей, классы их
шероховатости;
• обеспечивают доступ к средствам контроля и испытаний, а также к
методикам диагностирования, точности и надежности контроля при производстве и сертификации готовой продукции.
5. Конструкторская документация должна быть оптимизирована по показателям качества и технологичности в сравнении с уровнем технологической
культуры (материально-техническое оснащение, научно-производственный
опыт и потенциал выбранной производственной системы, профессионализм
рабочих и инженерно-технических работников) и предполагаемой стоимостью
и конкурентоспособностью создаваемого изделия, а также с имеющимися
финансовыми, материальными и людскими ресурсами. При решении задачи
оптимизации проводят:
• функционально-стоимостный анализ конструкции по разработанной и
отработанной на технологичность документации;
1.4. Показатели качества конструкции двигателя
33
• опережающую оценку, завышенные значения которой устанавливают
после проведения ОКР, по окончании работ с конструкторской документацией,
по завершении ТПП либо даже во время промышленного производства;
• маркетинговые исследования спроса продукции, особенностей рынка
сбыта, требуемой рекламы, характера послепродажного обслуживания (гарантийный и последующие ремонты, монтаж, настройка, сервисное обслуживание).
6. Конструкторская документация должна быть нацелена на внедрение
новых конструкторско-технологических решений (материалов, физико-химических процессов формообразования деталей, процессов сборки, контроля
и испытания сборочных единиц, методик конструирования, при этом доля
инноваций ограничивается 30 %, в противном случае чрезмерно увеличиваются сроки освоения производства нового изделия).
7. В конструкторской документации должны быть учтены достижения в
области научной организации труда, автоматизации и компьютеризации конструирования, технологии и др.
В современных условиях реализуется идея всеобщего управления качеством, когда автоматизированная система управления (АСУ) качеством продукции действует на всех стадиях создания конструкторской документации
(техническое предложение, эскизный проект и технический проект), при
опытной конструкторской проработке и расчетно-исследовательских работах,
во время экспериментальной отработки изделия, ТПП, в серийном производстве, а также при маркетинге и послепродажном обслуживании продукции.
Автоматизированная ОТКИ, будучи подсистемой АСУ качеством продукции, составляет вместе с ней компьютеризированное интегрированное производство. Автоматизированная система управления обрабатывает информацию
математического моделирования всех стадий жизненного цикла изделия, выявляет и оперативно устраняет конструкторско-технологические неувязки
в процессе ОТКИ при разработке конструкторской документации и оценке
технико-экономических показателей изделия.
Расширение возможностей АСУ на этапе обеспечения технологичности во
время ТПП, серийного производства, сертификации продукции и эксплуатации
изделия делает эту систему комплексной и более эффективной, реализует идею
всеобщего управления технологичностью.
Названными направлениями технологического контроля конструкторской
документации охватывают основные работы, составляющие суть ОТКИ, проводимой во время создания комплекта конструкторской документации. Таким
образом, основными задачами ОТКИ являются:
1) обеспечение необходимых показателей качества, прежде всего надежности, которые вносят в технические условия на изделие и в карту его технического уровня и качества (ГОСТ 2.116–84). Эти показатели служат оценкой
качества работ, выполненных при подготовке конструкторской документации
(включая лабораторные исследования, стендовые испытания и опытное производство), позволяют предусмотреть мероприятия по достижению базового
уровня ТКИ на этапе ТПП и в начале промышленного производства и поддерживать достигнутый уровень в процессе эксплуатации. Эти же показатели
34
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
используют при государственной, отраслевой и заводской аттестации качества
продукции и определении технико-экономических показателей эффективности
производства. Показатели качества указывают в конструкторской документации
с учетом принципа опережения, для достижения этих показателей используют
время ТПП и частично промышленного производства;
2) повышение производительности труда, снижение затрат и времени разработки конструкторской документации, а также себестоимости, трудо-, материало- и энергоемкости изделия на последующих этапах его жизненного
цикла без снижения качества.
Полная отработка конструкторской документации осложняется необходимостью принимать решение в условиях недостатка информации, но в то же
время характеризуется экономически выгодным вложением средств, поскольку при последующей ТПП и промышленном производстве не придется ничего изменять, нужно только стремиться достичь установленных показателей
качества и технологичности конструкции изделия. Одновременно вносят
корректировки в конструкторскую документацию, уточняют значения базовых
показателей качества и технологичности изделия, планируют уровни качества
и технологичности, достигаемые в процессе последующей ТПП, промышленного производства и поддерживаемые при эксплуатации изделия.
Затем оценивают показатели качества и технологичности изделия для условий технического обслуживания, текущего ремонта, хранения и транспортировки. Сборочные единицы отрабатывают на ТКИ комплексно, чтобы конструкция соответствовала условиям серийного производства и эксплуатации.
Разработку рекомендаций по улучшению показателей качества и технологичности изделия, подготовку и внесение в конструкторскую документацию
соответствующих изменений проводят по ГОСТ 2.503–2013.
Все направления работ на этапе подготовки конструкторской документации
связаны сетевым графиком, компьютеризированы и могут входить в единую
систему.
Система технологического обеспечения качества продукции на машиностроительном предприятии включает три стадии производственного контроля:
исполнитель — ОТК — заказчик. Действуют три ступени технологического
контроля: входной — операционный — сдаточный. Работает служба аттестации и поверок средств измерения. В технологический цикл включена контрольно-испытательная станция.
Оперативное управление по показателям качества (диаграммы, контрольные
карты для статистической оценки по границам регулирования) проводится
графоаналитическим методом в условиях реального производства для раннего
выявления погрешностей и анализа причин их появления.
Показатель качества часто представляет собой функцию ряда параметров
изделия. Характер этой функции может быть весьма сложным и трудно обнаруживаемым, поэтому используют как абсолютные (единичные, интегральные),
так и относительные показатели качества продукции. Примером последних
может служить отношение какого-либо показателя качества к соответствующему базовому показателю.
1.5. Технологичность конструкции двигателя
35
Качество продукции можно оценить, используя обобщенный показатель,
относящийся к совокупности ее признаков, по которой необходимо провести
расчет уровня качества изделия. При этом может быть использован тот или
иной способ (балльный, экспертный), метод (дифференциальный, комплексный)
и направленность оценки уровня качества продукции (техническая, техникоэкономическая).
Стандартом введены понятия качества изготовления, эксплуатации, хранения, транспортировки, ремонта продукции и соответствующие им показатели.
На формирование этих показателей влияют разные причины: применяемые
материалы и комплектующие, СТО, исполнители, а также качество выполнения
конструкторской и нормативно-технической документации.
С многофакторностью формирования понятия качества изделия связана
задача оптимизации его уровня по принятому критерию, а также задача прогнозирования и планирования качества статистическими методами контроля,
анализа, регулирования и управления.
В новых экономических условиях покупателя продукции интересует не
только соотношение качества изделия и его стоимости, но и колористика отделки, дизайн и компоновка, упаковка и маркировка, степень новизны и перспективность, престиж фирмы и уровень технологической культуры производства, патентная чистота и экспортные возможности, участие производителя
в монтажных работах, подготовке изделия к эксплуатации, техническом обслуживании и других аспектах послепродажного обслуживания (гарантийном
ремонте, утилизации).
Важными оказываются и такие факторы, как новаторское решение конструкции в функциональном и эстетическом отношениях, конкурентоспособность,
качество рекламы, комфортность обслуживания покупателя при маркетинговых
операциях. Нормативные количественные значения показателей качества изделия в конструкторской документации должны не только отражать современный мировой уровень, но и опережать его к моменту выхода на рынок.
1.5. Технологичность конструкции двигателя
Технологичность — это научно-практическое направление в технологии,
возникшее в нашей стране в 1930-е годы. Тогда необходимо было решить
следующую задачу — оптимизировать условия производства конструкций
оборонного назначения. Требовалось сократить время на ТПП и длительность
технологического цикла массового производства изделий при одновременном
снижении себестоимости, трудо-, материало- и энергоемкости при сохранении
высокой надежности и других ТТХ.
Первоначально методология ТКИ заключалась в приведении конструкторского облика изделия к виду, удобному для производства, т. е. к технологически ориентированной конструкции.
Изделие т е х н о л о г и ч н о, если имеет простые архитектурные формы
и изготовляется на существующем оборудовании, а конструкторские решения
деталей и сборочных единиц стандартизованы или нормализованы и исполь-
36
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
зуются в виде унифицированных, типовых, повторяющихся и преемственных
элементов из ранее показавших свою надежность, а также если для конструкции выбран материал с хорошей обрабатываемостью, заготовка близка к форме будущей детали и применяются эффективные технологические процессы
изготовления, сборки, контроля и испытаний. Технологичность изделия будет
выше, если СТО, применяемые в производстве, доступны и годны для спроектированной конструкции.
Таким образом, методология ТКИ призвана повысить степень соответствия
требований, заложенных в конструкторской документации, реальным возможностям производства. Это достигается совместной работой технолога с конструктором над конструкторской документацией и называется отработкой
изделия на технологичность. Ниже приведены методы и приемы, используемые при ОТКИ:
• рациональное конструирование — исключение конструктивных решений,
создающих технологические проблемы;
• стандартизация — применение решений, рекомендованных государственными стандартами;
• нормализация — применение решений, рекомендованных отраслевыми
и заводскими стандартами, руководящими материалами, нормалями, инструкциями, методиками;
• унификация — приведение решений к единообразию на основе установленного рационального числа их видов;
• типизация — многократное повторение одинаковых решений;
• преемственность — повторение в новом проекте решений, заимствованных из ранее выполненных проектов;
• симплификация — упрощение решения путем уменьшения числа составляющих элементов и их комбинирования;
• взаимозаменяемость — замена одного блочно-модульного решения другим с сохранением выходных геометрических и функциональных параметров;
• агрегатирование и автоматизация — усложнение решения для его комплексного использования и быстрой переналадки;
• оптимизация — выбор варианта решения из числа рекомендованных
типоразмеров.
Для ОТКИ задают базовые показатели, достижение которых должно быть
обеспечено в процессе ТПП и в начале этапа серийного производства. В условиях установившегося серийного производства изделия и на последующих
стадиях жизненного цикла достигнутый уровень технологичности может быть
только поддержан (производственная и эксплуатационная технологичность, в
частности, при техническом обслуживании, ремонте и транспортировке). Таким
образом, ТКИ закладывается при проектировании, реализуется в процессе
ТПП и поддерживается в условиях эксплуатации.
Важнейшим технологическим признаком качества изделия является ТКИ,
дополняя комплекс конструкторских признаков качества, отраженных в ТТХ
как интегральной характеристике качества. Технологичность конструкции изделия — это достижение надежности простыми средствами и быстрое освоение нового изделия.
1.5. Технологичность конструкции двигателя
37
Современное понятие ТКИ трактуется как «совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для
заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ»
(ГОСТ 14.205–83).
Характеристика ТКИ комплексна, поскольку используется для изделия
в целом и для деталей, узлов и агрегатов, а также технологических методов
их получения. Кроме того, комплексность характеристики состоит в оценке
ее через характер применяемых СТО.
Характеристика ТКИ отно сительна по месту производства изделия (одни
и те же изделия различаются уровнем ТКИ на разных предприятиях), типу производства (ТКИ неодинакова для единичного, серийного и массового производства), времени осуществления (ТКИ на одном предприятии различается для
изделий разных поколений) и эталону, за который принимается образец однотипных изделий, обладающих общими конструктивными признаками.
Технологичность оценивается качественно и количественно.
Кач е с т ве н н а я оценка предшествует количественной и направлена на
формирование предварительного суждения о ТКИ и исключение из рассмотрения заведомо неприемлемых вариантов. Она проводится в режиме «да-нет»
группой экспертов по нескольким направлениям анализа ТКИ. Прогрессивными направлениями, по которым может проводиться качественная оценка ТКИ,
являются, например, оценка применимости в конструкции композиционных
материалов, использование физико-химических методов обработки, универсально-сборных и сборно-разборных приспособлений, комбинированных лезвийных инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, не содержащих (или содержащих в незначительном количестве) такой стратегически
важный металл, как вольфрам и др. Качественная оценка ТКИ может быть
проведена по любому интересующему конструктора и технолога показателю.
В справочных материалах по различным технологическим процессам приведены рекомендации по их использованию, представлены таблицы, графики
и иллюстрации, отражающие достигаемые качественные результаты (точность
размеров, шероховатость поверхностей, характер и число встречающихся дефектов, прочность, герметичность и др.) и указывающие на возможные количественные ограничения (масса и толщина ребер, габаритные размеры заготовок, радиусы кривизны, уклоны, степень деформирования при штамповке,
характер разделки кромок при сварке и т. п.). На основании этих рекомендаций
проводят качественную оценку ТКИ по видам выполняемых с изделием работ,
т. е. оценивают обрабатываемость резанием, свариваемость, паяемость, термообрабатываемость, собираемость, регулируемость, инструментальную доступность, контролепригодность.
Современный период развития ТКИ как научного направления связан с его
интенсивной компьютеризацией и вследствие этого с изменением самой функции качественной оценки ТКИ. В докомпьютерный период качественная
оценка ТКИ позволяла снизить объем вычислительных работ при нахождении
оптимума функции среди ограниченного количества вариантов, взятых из
38
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
предполагаемого диапазона значений, выявленного при качественной оценке.
С началом применения компьютеров проблема вычислений перестала лимитировать задачу, отпала надобность в качественной предварительной оценке
ТКИ и стало возможным осуществлять качественно-количественный поиск
экстремума какой-либо функции в широком диапазоне значений и с любым
шагом поиска при наложении требуемых ограничений.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные рабочие места конструктора и технолога (АРМ-К и АРМ-Т), а также
АСУ ТКИ создали возможность технологически ориентированного проектирования и конструирования сборочных единиц и их деталей, т. е. получения
отработанных на технологичность деталей и сборочных единиц, являющихся
уже конструкторско-технологическими решениями.
Для количе ственной оценки ТКИ определяют ее показатель. Совокупностью частных и комплексных показателей оценивают каждое в отдельности
(независимое) или суммарное (комплексное) свойство ТКИ, аналогично методологии, положенной в основу оценки качества продукции.
Количественная оценка ТКИ служит мерой качества проведения ОТКИ
путем определения уровня технологичности, выражаемого отношением значения показателя технологичности данного изделия к значению соответствующего базового (принятого за исходный) показателя ТКИ изделия-аналога.
Методическая проработка вопросов количественной оценки ТКИ (ранжирование критериев по степени важности, отбор минимального, но достаточного
числа частных и комплексных показателей, выбор методики расчета показателей и учета их влияния на оценку ТКИ) особенно важна на наиболее ранней
стадии подготовки конструкторской документации на изделие, поскольку
создает возможность применения радикально новых конструкторско-технологических решений. Чем выше степень внедрения таких решений, тем выше
технический уровень разрабатываемого изделия, что находит отражение в
улучшении удельных показателей ТКИ, выражаемых отношением оцениваемого показателя ТКИ к одной из технических характеристик изделия и к одному из выходных параметров, например массе и мощности соответственно.
В практике отработки технологичности сложилась система показателей
ТКИ, применяемых на разных стадиях подготовки конструкторской документации. Эта система включает:
• базовые (исходные) показатели отработанного на технологичность изделия;
• частные показатели ТКИ, достигнутые при ТПП и в производстве изделия;
• показатели уровня ТКИ, заложенные при конструировании, реализованные в ТПП и производстве и поддерживаемые во время эксплуатации изделия.
Система показателей ТКИ сходна с системой показателей качества продукции, является ее составной частью наряду с другими системами показателей по функциональному назначению изделия (надежности, эргономичности
и прочим признакам качества).
Классификация показателей ТКИ осуществляется следующим образом:
• по области применения — производственные и эксплуатационные;
• по области анализа — технические и технико-экономические;
1.5. Технологичность конструкции двигателя
39
• по значимости — основные и дополнительные;
• по способу выражения — абсолютные и относительные;
• по количеству характеризуемых признаков — частные и комплексные;
• по системе оценки — базовые для отрабатываемой конструкции и текущие для оценки уровня ТКИ.
Базовые показатели ТКИ выбирают и рассчитывают на стадии разработки технического задания на конструируемую деталь или сборочную единицу.
Именно по базовым показателям во всей их номенклатуре осуществляется
ОТКИ, а затем и обеспечение ТКИ при ТПП, производстве и эксплуатации
изделия. Динамику протекания процесса ОТКИ оценивают уровнем технологичности конструкции, представляющим собой отношение текущего значения
какого-либо показателя к его базовому значению. Уровень технологичности
определяют только для тех показателей, которые используют как базовые при
ОТКИ. Определение уровня технологичности деталей и сборочных единиц,
для которых в техническом задании установлены базовые показатели ТКИ,
является обязательным.
Примеры показателей ТКИ приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Примеры используемых показателей ТКИ
Классификационная категория
показателей
Основные:
технические
технико-экономические
Дополнительные:
технические
технико-экономические
Наименование показателя
Обозначение
Масса изделия
Число деталей в изделии
Число сборочных единиц в изделии
Относительная трудоемкость
заготовительных работ
Удельная себестоимость подготовки
изделия к функционированию
Уровень ТКИ по технологической
себестоимости
Ми
nд.и
Nсб.и
Коэффициент унификации изделия
Коэффициент применения типовых
технологических процессов
Коэффициент сборности
Удельная материалоемкость изделия
Относительная трудоемкость
контрольно-испытательных работ
Удельная себестоимость единицы
массы изделия
Kу
То.з.р
Сп.ф
Kу.с
Kт.т.п
Kсб
Kу.м
Tо.к.и
См.и
Совокупность предъявляемых к конструкции технологических требований — сложная система. Технические и технико-экономические показатели,
характеризующие технологические свойства конструкции, сложным образом
40
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
взаимосвязаны, иногда одно исключает другое. Это относится к наиболее
часто используемым показателям: трудоемкости Ти изготовления изделия и его
технологической себестоимости Ст . Неоднозначно влияют на технологические
свойства изделия материалоемкость Ми и энергоемкость Эи изготовления,
а также применение новых материалов, заготовок и полуфабрикатов, гибких
и адаптирующихся к изменяющейся производственной обстановке технологических процессов, комплексно-автоматизированных СТО и др.
Технологические свойства конструкции можно улучшить при усилении
роли стандартизации, унификации, преемственности и взаимозаменяемости
деталей и сборочных единиц как в конструкции изделия, так и в СТО. К улучшению свойств ведут также рациональное конструирование, типизация и
упрощение (симплификация) конструкций, применение малооперационной
прогрессивной технологии и форм организации производства, основанных на
достижениях науки и техники, использование высокоэффективных короткоцикловых технологических процессов, устойчиво работающих в условиях
минимальных межоперационных заделов или вовсе без них (режим just in
time — строго во времени), а также комплексно автоматизированных систем
конструирования и производства, обеспечивающих работу по компьютерной
(безбумажной) технологии. Несмотря на сложность создания качественных
изделий, для многих отраслей машиностроения, особенно оборонных, изделия
которых характеризуются малым объемом выпуска и частой сменяемостью,
а эксплуатация — экстремальностью условий, актуальна и оптимизация конструкции по признаку технологичности.
Фактор морального старения изделия и необходимость постоянного совершенствования, в том числе и путем усложнения конструкции, рост номенклатуры и повышение качества оказывают решающее влияние на научно-технический прогресс. С этим же связана необходимость технологического
совершенствования и приспособления конструкции изделия к условиям промышленного производства при постоянном улучшении условий производства.
Эта задача актуальна и в условиях рыночных отношений, когда создаваемое
изделие должно легко вписываться в систему гибкого мелкосерийного производства малыми технологическими партиями. При этом должны быть гарантированы высокое качество и индивидуальный подход к маркетингу выпускаемой продукции, сбережение дефицитных и стратегических материалов,
энергии, времени, снижение финансовых затрат, а также безопасность, экологическая чистота, комфортность условий производства.
Критерий материалоемкости при количественной оценке ТКИ очень важен,
особенно для конструкций, снижение массы которых является приоритетным
среди требований к оптимальному конструкторско-технологическому решению.
Кроме показателя массы изделия и его составных частей используют показатель
массы деталей, полученных с применением прогрессивных материалов, например композиционных, или совершенных методов их получения, например
точного литья. Широко распространен такой показатель ТКИ, как коэффициент Kи.м использования материала, представляющий собой отношение массы
1.5. Технологичность конструкции двигателя
41
детали (или сборочной единицы) к массе исходной заготовки (или сумме норм
расхода материалов при изготовлении сборочной единицы).
Номенклатуру показателей ТКИ выбирают в зависимости от вида изделия,
специфики и сложности конструкции, типа производства и объема выпуска
продукции, а также от стадии разработки конструкторской документации. Выработанная номенклатура показателей ТКИ может изменяться в зависимости
от объема информации в процессе отработки. Окончательно номенклатура
используемых показателей ТКИ обоснованно устанавливается в соответствии
с отраслевыми стандартами. Необходимо, чтобы она наиболее полно отражала особенности применяемого конструкторско-технологического решения.
Число используемых показателей должно быть минимальным, но достаточным
для оценки ТКИ.
Частные показатели ТКИ могут быть выражены абсолютным значением
анализируемой характеристики, например числом сборочных единиц в изделии,
либо относительным значением характеристики, например удельной себестоимостью вывода единицы массы полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли.
Если удельные показатели формируются относительно важнейших функциональных характеристик изделия и их число невелико, хотя принципиально
важно для оценки качества изделия, то число абсолютных и тем более относительных показателей может быть очень большим. Их можно создавать для
применяемых материалов, заготовок, технологических процессов, методов и
приемов управления технологичностью.
В случае, когда показателем ТКИ необходимо охарактеризовать одновременно несколько свойств и принимаемые конструкторско-технологические
решения оказывают влияние на другие элементы сложной системы и на более
поздних этапах ее развития, необходимо применять комплексные показатели.
Такой подход к учету одновременного действия многих взаимосвязанных
факторов в общем виде выражается комплексным показателем ТКИ
K компл = f ( K1 , ..., K n ),
(1.4)
где Ki (i = 1, …, n) — частные показатели ТКИ, например коэффициент Kи.м использования материала.
Методологию обеспечения ТКИ и ее оценки применяют для все более совершенных и сложных технических систем. Помимо оборонных отраслей
промышленности она распространилась на автомобилестроение, сельскохозяйственное машиностроение, приборостроение, строительную индустрию
и др. Кроме обеспечения производственной и поддержания эксплуатационной
ТКИ возникла необходимость поддержания и оценки ремонтной технологичности.
В настоящее время в Российской Федерации изменяются организационноэкономические принципы в сферах конструирования изделий, их производства
и эксплуатации, создается более совершенная основа для организации ресурсосбережения всех видов (материалов, энергии, финансов, времени, кадров),
42
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
повышения качества продукции, в частности надежности, а также безопасности конструкций и процессов при стремлении к органическому единству
био- и техносферы.
Осуществляют компьютеризацию работ по научному направлению ТКИ:
внедряют АСУ технологическими и производственными процессами, ТПП
с элементами автоматизированного обеспечения и оценки, разрабатывают
аддитивные технологии.
Отработка на технологичность технически сложных, высоконадежных и
дорогостоящих изделий не может быть проведена иначе, как в автоматизированном режиме. Такая ОТКИ должна быть комплексной, учитывать ограниченность ресурсов. К началу серийного производства изделия должен быть подготовлен экономически целесообразный и наиболее адаптированный к
особенностям предполагаемой ПС вариант. Кроме того, оптимальному конструкторско-технологическому решению изделия должны соответствовать
установленные, желательно улучшенные, функциональные характеристики,
в частности повышенная надежность. Прибыль от реализации или экономическая эффективность эксплуатации либо то и другое одновременно должны
быть существенно больше, чем суммарные затраты на ОТКИ на всех этапах
жизненного цикла изделия.
Обеспечение технологичности конструкции РПДТ непосредственно связано с технологической подготовкой производства, под которой понимается
этап жизненного цикла изделия, начинающийся по завершении работ над
конструкторской документацией и заканчивающийся полной готовностью
предприятия к серийному производству. Целью ТПП считается готовность
к серийному производству. На пути к этой цели (уже в опытных изделиях)
должны быть обеспечены значения показателей качества и технологичности,
ранее установленные на этапе отработки конструкторской документации по
результатам технологического контроля и анализа надежности и ТКИ.
Таким образом, обеспечение качества и технологичности конструкции
изделия являются первым и важнейшим направлением работ в течение срока,
отведенного на ТПП.
Столь точно, как указано выше, границы этапа ТПП не соблюдают. Стремясь сократить время ТПП, часть работ начинают выполнять в цехах опытного производства во время создания конструкторской документации. В свою
очередь, серийное производство отдельных деталей, узлов, агрегатов и изделия
в целом начинают еще во время ТПП на серийном машиностроительном предприятии. В это время проводят такие испытания, как огневые стендовые,
летно-конструкторские, межведомственные и государственные, обеспечивают
ТКИ по базовому показателю на начало серийного производства и готовят
изделие к приему в эксплуатацию.
На этапе ТПП воплощают все замыслы о конструкторско-технологическом
облике готовящегося к промышленному производству изделия высшей категории качества, технико-экономически оптимизированного с учетом условий
конкретного предприятия.
1.5. Технологичность конструкции двигателя
43
Этап ТПП в жизненном цикле изделия отличается своей затратностью:
трудоемкость создания и стоимость СТО многократно превышает трудоемкость
изготовления и стоимость изделия*. Этот этап должен быть короток, чтобы
отодвинуть срок морального старения и сократить путь изделия к потребителю. Кроме того, этап ТПП должен быть экономически эффективным, чтобы
полностью удовлетворить намеченным в конструкторской документации на
изделие показателям и избежать каких-либо доделок, за которые пришлось бы
дорого расплачиваться** при промышленном производстве изделия, а тем более
эксплуатации, когда всякие изменения становятся экономически нецелесообразными или технически (технологически) неосуществимыми.
Для этого конструкторская документация к началу этапа ТПП должна быть
окончательно отработана с учетом мирового научно-технического опыта, технологической культуры предполагаемого предприятия-изготовителя, традиций
надежной эксплуатации подобных изделий, включая безопасность и удобство
технического обслуживания (хранения, транспортирования, технического осмотра и текущего ремонта).
В технических характеристиках как исходных конструкторских документах
на вновь разрабатываемое или модернизируемое изделие указывают требуемые
показатели качества (надежность, условия эксплуатации) и показатели технологичности (себестоимость, трудоемкость или материалоемкость, экологичность изделия в производстве и эксплуатации, эргономичность).
В комплекс показателей ТКИ, которые должны быть достигнуты
в процессе ТПП (ГОСТ 14.205–83), входят:
• базовые (исходные) показатели для изделия-аналога (прототипа) из группы однотипных изделий или расчетные значения по результатам НИР и ОКР;
• уровни технологичности (относительно базовых), реализуемые в создаваемом изделии, например уровни стандартизации, унификации, типизации,
преемственности, взаимозаменяемости.
Номенклатура показателей устанавливается отраслевыми документами.
Допускается применение специальных показателей, не предусмотренных отраслевым стандартом.
Количество показателей должно быть минимальным, но достаточным для
требуемой оценки ТКИ. Расчет проводят по отраслевым методикам.
Вторым крупным направлением работ при ТПП является разработка
маршрутных и рабочих технологических процессов изготовления всех деталей,
сборки, контроля и испытания всех сборочных единиц изделия, а также их
экспериментальная отладка. Например, для конструкции орбитального самолета «Буран» потребовалось разработать 300 000 листов формата А4 технологической документации, из них только 30 000 типовых.
*
При создании сложного изделия на разработку конструкторской документации уходит
15...20 % времени, а на изготовление опытных образцов и отработку их для промышленного производства — 80...85 %.
**
Каждый час, затраченный на ОТКИ во время создания конструкторской документации,
экономит в промышленном производстве минимум 100 ч.
44
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей...
Третьим крупным направлением работ при ТПП является проектирование,
изготовление и отладка СТО, необходимых для осуществления промышленного производства изделий. При этом доля конструкторских работ, связанных
с проектированием нового оборудования и оснастки, составляет до 30 % всего объема работ.
Из других направлений работ можно отметить комплектацию основными
и вспомогательными материалами, экспериментальную отработку режимов
инновационных технологий, разработку планировок производственных участков и организацию и управление ТПП.
Каждое названное направление является функцией ТПП, а совокупность
взаимосвязанных функций составляет ее физическую модель.
Каждая функция модели содержит комплекс общих и частных задач, которые решаются с помощью соответствующих процедур. Задачи ранжированы
по уровням от государственного до уровня предприятия, отражены на модели
стрелками, каждая из которых означает работу, а вершина стрелки — событие.
Стрелочная диаграмма увязана со временем, отведенным на ТПП, и работами
по оперативному планированию, учету, контролю и регулированию.
Такой сетевой график дает ясное представление о взаимосвязи работ (их
последовательности и возможности совмещения), сроках, резервах времени и
местах возможного срыва плана. Точность календарно-плановых расчетов по
сетевому графику во многом определяется точностью прогнозирования трудоемкости выполнения работ.
Модель ТПП динамична и ориентирована на оптимальный для конкретных
условий уровень автоматизации работ, научной организации труда и экономико-математического обеспечения. Для сложных сетевых моделей необходима
компьютеризация организации и управления ТПП — возникает возможность
проведения оптимизационных расчетов по критериям равномерной загрузки
исполнителей или обеспечения директивного срока завершения ТПП при минимизации дополнительных ресурсов.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные характерные условия применения РПДТ, определяющие
выбор конструкционных материалов и технологии их изготовления?
2. Чем различаются характеристики рабочих процессов в стартовом ускорителе, газогенераторе и камере дожигания РПДТ с точки зрения выбора
конструкционных материалов?
3. Каким образом скорость и высота полета летательного аппарата с РПДТ
влияет на выбор конструкционных материалов?
4. В чем заключаются особенности технологического процесса изготовления РПДТ?
5. Чем отличается технологический процесс изготовления РПДТ от технологии изготовления ЖРД и РДТТ?
Контрольные вопросы
45
6. Из каких основных этапов состоит методика проектирования технологических процессов изготовления РПДТ и в чем они заключаются?
7. Каким образом можно оценить экономическую эффективность принятого технологического решения?
8. Какими нормативными документами регламентируется качество производства РПДТ?
9. Каковы характерные признаки качества производства РПДТ?
10. В чем заключаются основные стадии разработки РПДТ?
11. Какие методы и приемы используются при отработке конструкции
РПДТ на технологичность?
12. Какие существуют показатели технологичности конструкции РПДТ?
13. Как используются компьютерные технологии для повышения технологичности конструкции РПДТ?
14. Каким образом осуществляется теплозащита элементов конструкции
ГЛА?
15. Что понимается под надежностью изделий ракетно-космической
техники?
16. Каким образом оцениваются признаки качества изделий ракетно-космической техники?
2. Конструкционные материалы для высокоскоростных
летательных аппаратов
Полет в атмосфере с высокой скоростью неизбежно сопровождается аэродинамическим нагревом. Интенсивность этого нагрева очень высока. Еще
в конце 1940-х годов перед создателями баллистических ракет дальнего действия возникла проблема «теплового барьера», суть которой заключается
в неспособности алюминиевых сплавов, сталей и даже титановых сплавов
сохранять несущую способность конструкций при высоких температурах,
характерных для условий входа в атмосферу. Только в 1955 г. эту проблему
удалось решить за счет нанесения на стальной корпус головной части баллистической ракеты Р-5М конструкции С.П. Королёва аблирующего теплозащитного покрытия из полимерного композиционного материала (асбопластика). При таком способе обеспечения тепловых режимов теплозащитное покрытие имеет «жертвенную» природу, которая проявляется в изменении его
формы и размеров, а также глубоком перерождении исходного композиционного материала, снижении прочности и изменении радиопрозрачности.
В зависимости от физико-химической природы все материалы классифицируются по четырем направлениям:
1) металлы;
2) керамика;
3) полимерные материалы;
4) композиционные материалы.
В конструкциях деталей и тем более сборочных единиц часто реализуется
комбинация различных материалов.
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
Стали (сплавы железа) являются основными материалами при производстве
корпусов твердотопливных ракет (ТТР) оперативного назначения для использования на земле, в воздухе и на воде. В 1960-х годах специально созданные для
этого теплопрочные стали ВП25 (25ХСНВФА) и СП28 (28Х3СНМВФА) использовали в корпусах пороховых оперативных ракет 200 видов и десятках
видов ТТР тактического и стратегического назначения. Эти стали обеспечивали
прочность корпуса 1,4…1,6 ГПа, а после термомеханической обработки —
до 2,2…2,6 ГПа. Корпус крупнейшего твердотопливного ускорителя американского многоразового космического корабля Space Shuttle (бустера) выполнен из
высокопрочной стали в секционном исполнении.
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
47
Технология современных сталей основана на комплексном легировании
расплава широкой гаммой легирующих добавок, включая редкоземельные
элементы, вводимые «гомеопатическими» дозами и усиливающие синергетический эффект, при котором суммарное влияние легирующих добавок на
свойства сплава оказывается выше суммы отдельных влияний каждой из лигатур.
Пирометаллургия высококачественных сталей для отрасли через классические этапы мартеновского и конверторного производства ориентирована на
вакуумную электродуговую выплавку. Для обеспечения чистоты сплава часто
используют двойной вакуумный переплав или вакуумный переплав после
предварительного электрошлакового переплава. Применяют также плазменный
и электронно-лучевой переплавы. Такие стали отличаются более высокой
стоимостью.
Титановые сплавы составляют сталям конкуренцию по удельной прочности (табл. 2.1). Этот легкий металл имеет модуль упругости E почти
в 2 раза меньший, чем у сталей. Для того чтобы обеспечить осевую устойчивость корпуса из титана, его стенку надо усилить (увеличить толщину или
использовать ребра жесткости), а это значит — растерять преимущество титана перед сталью. Однако титан можно использовать в корпусах РПДТ для
верхних ступеней ракет и в конструкциях раструба сопла.
Титановые сплавы дороже сталей. Процесс получения полуфабриката титана специфичен. На первом этапе оксид титана обрабатывают хлором в присутствии катализатора (графита) в камере с температурой 800 °С. Пары хлорида титана конденсируют в теплообменном аппарате, а окись углерода
(угарный газ) отводят из реакционного объема. На втором этапе полученную
жидкость хлорида титана подвергают глубокой очистке: фильтруют и возгоняют. Чем чище будет жидкость, тем чище титан. Далее следует этап магнийтермического восстановления титана: в камере с температурой 800 °С происходит разложение хлорида титана в присутствии магния, который образует
соединение с хлором (хлористый магний), а освободившийся титан конденсируется как порошок, образуя губку на поверхности тигля.
Затем губку титана подвергают выщелачиванию и вакуумной дистилляции
для избавления от примесей и помолом получают из нее порошок. Таким образом, гидрометаллургия титана приводит к образованию полуфабриката
в виде порошка, из которого уже методами порошковой металлургии изготовляют длинномерные стержни, которые используются как расходуемые электроды при вакуумно-дуговой плавке титана, выплавке из него сплавов, отливке
заготовок и слябов под пластическое деформирование.
Прямой путь получения титановых заготовок методом порошковой металлургии неэффективен из-за высокой чувствительности титана к примесям
в газовой среде и к контактируемым с ним материалам. Ограничения по примесям водорода, кислорода, азота и углерода составляют 0,02…0,06 % каждой.
В порошковом состоянии особенно сильно проявляется уникальное свойство
титана поглощать газы, т. е. быть геттером: 100 г титана поглощают при температуре 600 °С и атмосферном давлении 3200 см3 водорода, в то время как
железо — 1,3 см3, а алюминий — 0,26 см3.
7,8
4,5
2,7
1,8...2,0
1,2...1,4
1,5...1,9
Теплопрочные стали
Титановые сплавы
Алюминиевые сплавы
Фенольные стеклопластики
Эпоксидные органопластики
Полиимидные углепластики
1400...2100
850...1500
380...500
500...1650
700...1900
400...1600
205...210
105...115
70...71
50...110
35...85
130...280
Модуль
упругости
при
растяжении
E, ГПа
6...20
4...25
6...35
2,5...4,0
2...7
1...3
0,27...0,33
0,32...0,40
0,31...0,34
0,3/0,2
0,35/0,10
0,4/0,2
Относительное
Коэффициент
удлинение
Пуассона m
при разрыве e, %
9...16
8...10
20...26
80/200
0,6/7,0
9/60
623
723
423
523
423
523
Температурный
коэффициент
Рабочая
линейного
температура
расширения
Tр, K
a ⋅ 106, K–1
Анизотропия — неодинаковость количественных характеристик всех или некоторых физических свойств материала по различным направлениям.
1
Примечание. В композиционных материалах проявляется анизотропия1 свойств и значения характеристик некоторых из них даны в виде
дроби: в числителе указано значение для направления вдоль нитей основы тканого наполнителя, в знаменателе — для направления вдоль
нитей утка.
Плотность
r, г/см3
Материалы
Предел
прочности
при
растяжении
sв, МПа
Свойства основных конструкционных материалов
Таблица 2.1
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
49
Химическую активность титан проявляет в технологических процессах
с нагревом на воздухе. Начиная с температуры 450 °С, он интенсивно сорбирует газы, а при 600 °С и более в поверхностном (так называемом альфированном) слое концентрируются соединения титана, структура его становится
пористой и хрупкой. Твердость этого слоя составляет 13…20 ГПа при твердости слоев титанового сплава 3,0…3,5 ГПа. Глубина альфированного слоя
зависит от температуры и длительности ее действия, что связано со способом
получения заготовки. Толщина дефектных слоев (корок) титановых отливок
может достигать нескольких миллиметров, поковок — 1 мм, проката —
0,5 мм. Образующийся дефектный (альфированный) слой нуждается в удалении механическим или химическим путем. Качественно операции с нагревом
титана могут быть проведены только в вакууме или в среде инертного газа.
Малая теплопроводность титана усложняет процессы механической обработки вследствие наростообразования на резце и возможной диффузионной
сварки. Титановые сплавы успешно применяют во многих новых технологиях,
в частности при штамповке в условиях сверхпластичности при температуре
885 °С и скорости деформирования 10–5 1/с. Из титанового сплава изготовляют корпуса двигателей.
Группу легких сплавов составляют алюминиевые, магниевые и бериллиевые сплавы (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Свойства легких сплавов
Предел
прочности
Сплавы
Плотность
при
на
r, г/см3
растяжении
основе
sв, МПа
Al
Mg
Be
2,70
1,65
1,85
660/410
410/300
640/370
Температура, °С
Модуль
Относительное
упругости
удлинение
при
при разрыве плавления T
растяжении
пл рабочая Tр
e, %
E, ГПа
70
45
290
35/20
30/8
16/2
659
650
1280
200
200
400
Примечание. В числителе указаны значения характеристик для деформируемых сплавов,
в знаменателе — для литейных.
Алюминиевые сплавы являются основным металлом для многих конструкций летательных аппаратов («крылатый металл»). Избирательным легированием созданы сплавы литейные и деформируемые. Новые марки сплавов
легированы скандием, литием и лантаном.
Металлургия алюминия основана на электролизе глинозема (оксида алюминия), растворенного в расплавленном криолите (натриевая соль фторида
алюминия) при 970 °С в ванне с поверхностной флюсовой защитой от окисления. Алюминий рафинируют, готовят сплав и разливают металл по формам для
получения блочных заготовок, которые используются при выплавке сплавов на
его основе в установках индукционного и электронно-лучевого нагрева.
50 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Аллотропических изменений у алюминия нет, средствами его упрочнения
являются искусственное старение и нагартовка (наклеп). Режим старения предусматривает нагрев до температуры 100…200 °С в течение 5…10 ч, а затем
до 360 °С в течение 0,5…1,5 ч. В «свежезакаленном» состоянии металл пластичен и легко поддается деформированию. Со временем происходит естественное старение и металл упрочняется. Задержать старение и вернуть пластичное состояние можно операцией «возврата» — нагреть до температуры
150…200 °С в течение 1…2 мин.
Алюминий химически активен: для него опасны кислород и пары воды.
Растворимость водорода в алюминии при температуре 600 °С составляет
0,04 см3 в 100 г металла, а в расплаве — 3,0 см3. С учетом этих значений
можно рассчитать остаточную пористость металла. Дегазация растворенного
в алюминии водорода затруднена, и нужен термовакуумный отжиг.
Магниевые сплавы отличаются от алюминиевых высокой теплоемкостью
и удельной жесткостью (см. табл. 2.2). Конструкции из них сохраняют стабильными свою форму и размеры. Демпфирующая способность магниевых
сплавов в 100 раз выше, чем у алюминиевых сплавов, и в 20 раз выше, чем
у сталей. Металл нечувствителен к надрезу. Изготовленный из его сплавов
ручной инструмент вибростоек и не искрит.
Металлургия магния сходна с производством алюминия: электролиз хлористых солей магния при температуре 800 °С, но только флюсовая защита
расплава в электролизере должна быть более эффективной, поскольку магний
химически активнее алюминия. Лучшими для магния являются фторсодержащие флюсы, с применением которых связаны специальные методы экологической защиты.
Собственная оксидная пленка у магния тонка, поэтому для защиты его на
воздухе применяют искусственное анодирование. Сплавы магния трудно деформировать, сваривать и паять. Магниевые конструкции часто выполняют
литыми и клепаными. Пыль магния, образующаяся при его механической обработке, токсична и взрывоопасна. Новые сплавы магния с литием отличаются улучшенной пластичностью.
Бериллиевые сплавы по внешнему виду напоминают сталь, но имеют
малую плотность и уникально большой модуль упругости (см. табл. 2.2). Бериллий отличается высокими значениями удельной жесткости (16 600 км),
температуры плавления и теплоемкости (2 кДж/(кг⋅K)), которая вдвое превышает теплоемкость следующего за ним бора и вчетверо — теплоемкость стали и титановых сплавов. Кроме того, у бериллия низкая ползучесть при нагреве. По коррозионной стойкости на воздухе бериллий не уступает алюминию.
Предел прочности бериллия зависит от технологии его получения и может
достигать 650 МПа при растяжении. По электро- и теплопроводности бериллий уступает лишь серебру, меди и алюминию.
Сочетание высокой жесткости, прочности и малой плотности позволяет
резко уменьшить массу конструкций, изготовленных из бериллия. Здесь бериллий является конкурентом полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Из других характеристик бериллия, важных для практического применения,
отметим его размерную стабильность, высокое сопротивление износу, демп-
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
51
фирующую способность, близкую к нулю магнитную восприимчивость, совместимость со сталями по температурному коэффициенту линейного расширения.
Более широкому применению бериллия препятствуют следующие недо ст атки: низкая ударная вязкость, высокая хрупкость, низкая пластичность,
большая анизотропия механических свойств, плохая свариваемость, токсичность и высокая стоимость.
Вследствие повышенной хрупкости и чувствительности к надрезам в условиях растягивающих напряжений бериллий целесообразно использовать
главным образом в конструкциях, работающих на сжатие.
Наиболее распространенный вид поставки бериллия — горячепрессованные
блоки, полученные методами порошковой металлургии, и листы. Бериллий
успешно применяют для изготовления рам гиростабилизированных платформ,
корпусов гироскопов, зеркал телескопов и антенн, силовых элементов ферменных конструкций, мачты спутниковой антенны, панелей обшивки космических аппаратов. Бериллий как материал с высокой теплотой сублимации
используют в головной части ракеты МХ в качестве теплозащитного радиационного экрана носового конуса. В 1980-х годах в США были созданы серия
жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) малой тяги (4,5 Н) с камерой сгорания из бериллия и бериллиевый ЖРД для ступени разведения боевых блоков
межконтинентальной баллистической ракеты МХ. Восемь таких ЖРД обеспечивают ориентацию головной ступени по целям. Бериллиевое сопло ЖРД
работает при температуре примерно 3250 K в течение 60...80 с.
Высокая теплоемкость бериллия позволяет создавать ЖРД малой тяги (до
7,2 кН), у которых теплоотвод в толстую стенку все еще сохраняет превосходство конструкции по массе перед такими же ЖРД из других материалов.
Количество бериллиевых сплавов незначительно, но уже и сейчас их применение довольно эффективно. Известны сплавы бериллия с алюминием.
Проводятся исследования по упрочнению бериллия порошком оксидов
тантала и циркония (дисперсное упрочнение). Хроматные покрытия бериллия
заметно повышают его жаростойкость.
Жаропрочными и жаростойкими сплавами могут быть сплавы на основе железа, никеля, кобальта и хрома. Одновременно удовлетворяют обеим
характеристикам (жаропрочности и жаростойкости) только такие сплавы,
в кристаллических решетках которых действуют наибольшие силы межатомного взаимодействия и структура которых остается прочной при нагреве.
У этих металлов диффузионные процессы (укрупнение зерен, растворение
укрупняющих фаз, рассасывание искажений решетки и др.) перемещения
атомов в решетке протекают довольно медленно.
Самый легкий, твердый и хрупкий из этих металлов — хром. Он не имеет
самостоятельного применения в качестве основы сплава, однако широко используется как легирующая добавка (4…30 %) в другие сплавы. Жаропрочность
сплава хрома в течение 100 ч при температуре 1200 °С равна 24 МПа.
Кобальт — самый тяжелый и самый пластичный из этой четверки
металл — является основой небольшого количества сплавов специального
назначения, поскольку дефицитен и имеет стратегическое значение. Кобальт
52 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
широко используется в сталях как легирующий элемент (10…15 %), без которого трудно увеличить прочность вязких сталей типа ЭИ867 и ЭИ929. Жаропрочность кобальтовых сплавов в течение 800 ч при температуре 1100 °С
составляет 120…150 МПа. Важна роль кобальта как матричного материала
для твердых сплавов.
Сплавы железа (стали) и никеля служат основой в классе жаропрочных
и жаростойких металлов. Сталей около 1000 марок, а никелевых сплавов около 300. В табл. 2.3 приведены характеристики жаропрочности (температурной
прочности) этих сплавов.
Таблица 2.3
Температурная прочность конструкционных материалов при растяжении, МПа
При
температуре
20 °С*
При указанной
в скобках температуре
При указанной в скобках
температуре и длительности
нагрузки 100 ч
Al
480…600
290…330 (150 °С)
110…200 (250 °С)
20…110 (300 °С)
Mg
300…400
75…180 (250 °С)
25…120 (250 °С)
Fe (стали)
700…1200
420…650 (600 °С)
150…300 (1100 °С)
180…360 (800 °С)
70…130 (1100 °С)
Ni
620…1340
550…900 (600 °С)
70…140 (1100 °С)
270…500 (750 °С)
70…140 (1200 °С)
Ti
600…1500
450…900 (500 °С)
350…800 (350 °С)
W
1000…1500
260…350 (1650 °С)
50…70 (2200 °С)
40…60 (1500 °С)
Mo
750…1000
270…550 (1200 °С)
90…100 (1800 °С)
80…270 (1200 °С)
Nb
350…900
170…550 (1200 °С)
130…280 (1100 °С)
40…50 (1600 °С)
Ta
400…760
300…490 (1200 °С)
140 (1200 °С)
35 (1600 °С)
Сплавы
на основе
*
Диапазон содержит значения характеристики прочности для литейных и деформируемых
сплавов.
Тугоплавкие металлы, обладая комплексом уникальных физико-механических и теплофизических свойств, являются основой жаропрочных сплавов.
Эти металлы (например, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, ванадий и др.)
характеризуются высокой прочностью межатомной связи и, как следствие,
высокой температурой плавления, повышенной механической прочностью
и жесткостью, высокой жаропрочностью (см. табл. 2.3). По жаропрочности,
т. е. способности сохранять довольно высокий уровень сопротивляемости
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
53
действующим нагрузкам при одновременном действии высоких температур,
тугоплавкие металлы рассматриваются как основные конструкционные материалы для изделий, работающих в температурном диапазоне 1100…1500 °С,
в котором уже полностью разупрочняются стали и никелевые сплавы.
В интервале температур до 1500 °С цепочка тугоплавких металлов, выстроенная по мере уменьшения жаропрочности, выглядит так: вольфрам — молибден — ниобий — тантал — ванадий. При более высоких значениях температуры предпочтение может быть отдано ниобию, танталу или молибдену,
имеющим по сравнению с вольфрамом меньшую плотность и более низкую
температуру хрупкости.
Температура хрупкости — важная технологическая и эксплуатационная характеристика металлов. У тугоплавких металлов эта температура высока и переход из пластичного состояния в хрупкое происходит в интервале 23…633 °С,
т. е. в области нормальных и повышенных значений температуры, при которых
другие металлы пластичны и не имеют технологических и эксплуатационных
проблем. Однако для тугоплавких металлов это обстоятельство является фактором, сдерживающим их применение. Диапазон изменения и значение температуры хрупкости зависят от состава и количества легирующих элементов сплава,
его чистоты и структуры, а также от технологии и режимов получения металла.
В целом температура хрупкости тугоплавких металлов лежит не только в неблагоприятном, но и в узком интервале, который тем óже, чем ниже температура хрупкости металла.
Между собой тугоплавкие металлы сильно разнятся по температуре рекристаллизации, которая составляет 40 % температуры плавления и разделяет
области горячего и холодного деформирования.
Для более широкого применения тугоплавких металлов необходимо решить
проблему их малой жаростойкости (иначе — окалиностойкости). Под жаростойкостью понимается способность материала сохранять свою структурную целостность под воздействием открытого пламени с высоким окислительным потенциалом окружающих газов. Тугоплавким металлам свойственна высокая
химическая активность к кислородсодержащим газам при нагреве, что объясняется отсутствием плотной поверхностной пленки оксидов, легкоплавкостью
и летучестью последних. Скорость испарения оксидов возрастает по мере роста
температуры и становится почти равной скорости их образования, особенно для
вольфрама и молибдена. По скорости окисления вольфрам превосходит все
тугоплавкие металлы: при температуре 2800 °С она равна 0,2…0,3 мм/с.
У молибдена она при температуре 1000 °С меньше и равна 1 мм/ч, но и это
значение превышает в 20…300 раз скорость окисления коррозионно-стойких
сталей. По этой причине проблема защиты тугоплавких металлов от окисления
является еще одним фактором, сдерживающим их применение.
Решается проблема защиты от окисления использованием керамических
покрытий, в частности силицидных и боридных, толщиной до 100 мкм. При
повышении температуры в интервале 1260…2200 °С жаростойкость металлов
уменьшается с 300 до 10 ч. Увеличение жаростойкости технологически надежнее достигается с использованием добавок молибдена и ниобия, хотя их
54 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
жаропрочность меньше, чем у вольфрама и тантала. Для вольфрама и молибдена опасно образование хрупких карбидов, этому также должно препятствовать наносимое покрытие.
Химическая и коррозионная стойкость тугоплавких металлов высока,
особенно у тантала, который по этим показателям приближается к платине.
Ниобий и молибден применяют для изготовления деталей, работающих
в контакте с жидкими металлическими теплоносителями (натрий, калий, висмут) в элементах трактов магнитогидродинамических машин и контуров охлаждения ядерных реакторов. Тугоплавкие металлы и сплавы используют
в ядерном машиностроении (оболочки тепловыделяющих элементов, устройства защиты от ионизирующего излучения), в точном приборостроении
(электровакуумная техника, ионные приборы и радиотехника), в конструкциях со стабильными размерами (антенны, торсионные подвески приборов),
в ракетостроении (обтекатели, радиационные экраны, сопловые устройства),
в металлургии (легирующие элементы сплавов) и химической промышленности (катализаторы, геттеры). Ряд этих металлов по уменьшающейся стоимости можно представить так: вольфрам — тантал — ванадий — ниобий —
молибден.
Вольфрам — самый тугоплавкий элемент в этой группе металлов, но
и самый тяжелый. Его сплавы отличаются высокой жаропрочностью. В ракетных двигателях и РПДТ он используется как эрозионно-стойкий материал для
деталей соплового тракта (вкладыш, облицовка раструба) и как жаропрочный
металл для деталей узлов вдува горячего газа. Модифицированные сопловые
вкладыши изготовляют из порошкового вольфрама, пропитанного медью. Порошок вольфрама применяют при изготовлении пористых материалов для
«потеющих» деталей ракетного двигателя.
Прочностные свойства вольфрама (см. табл. 2.3) зависят от его состояния
и температуры. Например, у кованого вольфрама предел прочности при растяжении изменяется от 1410 МПа при 20 °С до 155 МПа при 1370 °С.
Вольфрам обладает высокой твердостью, которая сохраняется вплоть до
температур, близких к точке плавления, и в значительной степени зависит от
чистоты металла. Твердость технически чистого вольфрама по Бринеллю —
488 НВ, отожженного — 286 НВ.
Предельная деформация технически чистого вольфрама при 20 °С составляет менее 7 %, при повышении температуры она не увеличивается.
Легирование вольфрама молибденом (25 %), танталом (5 %) и ниобием
(1,2 %) повышает прочность сплава до 140…390 МПа при температуре
1650 °С и до 65…140 МПа при температуре 1930 °С. Трудность создания
вольфрамовых сплавов заключается в том, что пока не удается при повышении
их прочности обеспечить необходимую пластичность.
Разрабатываются и осваиваются дисперсно-упрочненные оксидом тория и
сложнолегированные сплавы на основе вольфрама, которые содержат рений,
гафний, цирконий, углерод.
Промышленное производство вольфрама базируется на гидрометаллургии
с последующим получением полуфабрикатов методом порошковой металлур-
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
55
гии и заготовок методом электродуговой вакуумной плавки. Во всех способах
плавки и спекания используют инертную среду или вакуум для предотвращения взаимодействия металла с кислородом, азотом и водородом. Основными
видами полуфабрикатов из вольфрама являются проволока, прутки, пластины,
ленты и листы.
В ответственных конструкциях используют метод газофазного осаждения
пировольфрама путем пиролиза его фторидов или хлоридов. Газом — носителем вольфрама служат такие соединения, как гексахлорид или гексафторид
вольфрама (WCl6 или WF6). Процесс осаждения вольфрама из смеси гексахлорида вольфрама и водорода протекает по следующей реакции:
WCl6 + 3Н2 → W + 6HCl
Очень широко применяют вольфрам и его сплавы в электротехнической
промышленности. В электровакуумной технике его используют для изготовления нитей накаливания, электродов и других элементов конструкций мощных
электровакуумных приборов. Из сплавов вольфрама с рением изготовляют
высокотемпературные термопары, которые применяют для измерения и контроля температуры до 2477 °С. Кроме того, вольфрам является важнейшим
легирующим компонентом быстрорежущих сталей и карбидообразователем
для композиций твердых сплавов.
Молибден — сосед вольфрама в VI группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Следовательно, они близки по многим характеристикам (см. табл. 2.3). Хотя молибден заметно уступает вольфраму в тугоплавкости, он почти вдвое легче его, менее хрупок и более пластичен. Молибден,
как и вольфрам, отличается высоким коэффициентом теплопроводности
и малым температурным коэффициентом линейного расширения, что способствует быстрому выравниванию температуры при поверхностном нагреве
и ведет к малым тепловым напряжениям в конструкциях из молибдена при
резком изменении температуры.
Чистый молибден подвержен заметному окислению даже при низких температурах и отличается малой стойкостью к высокотемпературному окислению.
Последнее определяется исключительно большой летучестью оксида молибдена при температуре свыше 500 °С. Например, при 1000 °С молибденовый
лист толщиной 1 мм полностью окисляется и улетучивается за 1 ч. Однако
в атмосфере инертного газа или в вакууме детали, изготовленные из молибдена, так же как и детали из вольфрама, могут работать длительное время.
Для работы при температуре до 1100 °С применяют плакирование молибдена нихромом, гальваническое покрытие хромом и никелем, алюминий-хромо-кремниевые, алюминий-хромо-борные и более сложные покрытия. Молибден достаточно прочен при температуре 1000…1100 °С, особенно прочны его
сплавы с титаном, цирконием, ниобием и другими элементами. Высоки
удельные характеристики деталей из молибдена и его сплавов при кратковременной работе: в этом случае молибден значительно превосходит более тугоплавкий тантал.
Молибден широко применяют в электротехнической промышленности.
В электровакуумных приборах используют молибденовые аноды, ножки
56 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
и крючки, поддерживающие вольфрамовую спираль электроосветительных
ламп и др. Перспективен молибден и как конструкционный материал теплообменных аппаратов космических кораблей. Упругость паров у молибдена
невелика, т. е. он слабо испаряется в вакууме и не взаимодействует с вероятными жидкометаллическими теплоносителями — литием, натрием, цезием.
Из молибденовых сплавов изготовляют лопатки турбин реактивных двигателей,
передние кромки крыльев ГЛА, эрозионно-стойкую облицовку раструба сопла
РПДТ и т. п.
Отличительной чертой тантала являются отсутствие хрупкости при нормальных температурах и высокая пластичность. Химическая стойкость тантала высока: он нерастворим в кислотах и во многих их смесях. Не растворяет
его и «царская водка», растворяющая другие металлы. Только смесь плавиковой и азотной кислот разъедает тантал.
Ниобий обладает высокой химической стойкостью при нормальной и повышенной температуре в атмосфере, морской воде, азотной кислоте и многих
других средах. Начиная с температуры 400 °С, на воздухе он интенсивно
окисляется, хотя и не так быстро, как молибден. Для защиты его от окисления
применяют различные поверхностные покрытия, например цинком.
Защитные покрытия обеспечивают возможность длительной работы деталей
при температуре до 1000…1100 °С. Кратковременно детали из ниобиевых
сплавов могут работать при нагреве до 1450…1500 °С без защитного покрытия.
Уникальные свойства тантала и ниобия позволяют использовать их сплавы
в медицинском приборостроении, в электронике для изготовления катодов,
анодов, элементов микропроцессорной техники. Из них делают трубы атомных
реакторов и теплообменные аппараты с жидкими щелочными металлами.
Трехслойную стенку ниобий — титан — ниобий используют как радиационно
охлаждаемый раструб сопла ЖРД разгонного блока. Кроме того, из ниобия
изготовляют камеры ЖРД малых тяг конструкции КБ Химического машиностроения им. А.М. Исаева.
Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему
виду похож на сталь. Температура плавления 1920 °C, температура кипения
3400 °C, плотность 6,11 г/см3. При нагревании на воздухе до температуры
свыше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и
азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твердость и хрупкость. Химически ванадий довольно инертен, стоек к действию морской воды,
разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей. С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, VO2, V2O3, V2O5. Известны
тугоплавкий (Tпл = 2800 °C) карбид ванадия VC, нитрид ванадия VN, силицид
ванадия V3Si и другие его соединения.
Ванадий производят в виде порошка (гранул), изделий проката (лист, полоса, пруток) или слитков, которые изготовляют методом выплавки в электронно-лучевых печах. До 80 % всего производимого ванадия находит применение
в сплавах, в основном для коррозионно-стойких и инструментальных сталей.
В металлургии ванадий обозначают буквой Ф. Начало промышленного использования ванадия для создания сталей, обладающих одновременно улуч-
2.1. Конструкционные металлы и сплавы
57
шенной твердостью, вязкостью, износоустойчивостью, было положено в лаборатории Г. Форда еще в начале XX в.
В отличие от литого металла гранулированные сплавы получаются
в твердофазном состоянии методом прессования и спекания в газостатах, где
обеспечивается действие статического давления, температуры и защитной
среды в течение некоторого времени. В результате образуется псевдосплав,
в котором может быть достигнут более высокий уровень легирования, до
60 % увеличена доля упрочняющей фазы, на 40 % повышены жаростойкость
и циклическая прочность.
Исходным материалом для таких сплавов служат гранулы — мелкие частицы, полученные из расплава в специальных установках сверхбыстрого
охлаждения. Уникальные свойства аморфных малоразмерных гранул качественно и количественно изменяют свойства сплавов и благоприятствуют
улучшению условий их деформирования, включая и сверхпластическое деформирование.
Технологически гранулы засыпают в стальные капсулы, например из стали 20, по форме близкие к форме заготовки, капсулы вакуумируют, герметизируют и помещают в газостат. В капсуле в форме тора можно получить деталь
типа шпангоута. В другой капсуле, в форме диска, можно сформовать деталь
типа крыльчатки насоса, установив стальной стержень колеса с межреберными каналами и засыпав сверху гранулы материала покрывного диска крыльчатки. После термообработки в газостате стальной стержень химически растворится и освободит проточную полость каналов. В третьей капсуле можно
получить диск ротора турбины из материала переменного легирования
в объеме стенки со встроенными литыми лопатками и со сложной формы
стальными закладными деталями, которые потом будут вытравлены для образования полостей между лопатками.
Гранулированные металлы производят в США с 1980 г. В России паспортизованы гранульные стали (ЭП741П, ЖС6У, ЭП975П и др.), никелевые
и алюминиевые сплавы. Отечественной программой предусмотрен выпуск
120 т титановых гранул в год для производства сухих отсеков. Гранульная
металлургия актуальна для сплавов магния и других металлов, а также для
керамики. Гранулированные материалы дороже литых в 5 раз.
В металлургии сталей определенная роль отведена дисперсно-упрочненным сплавам, упрочнителями в которых служит керамика типа оксидов
гафния и тория, вводимых в расплав в виде порошка в количестве 2…4 %.
Другие сплавы, получившие название мартенситно-стареющих, упрочняются в процессе термообработки и пластического деформирования, при которых
в структуре сплава образуются дисперсионно-твердеющие области из специально подобранных и введенных в его состав легирующих элементов.
В эвтектических сплавах упрочняющей фазой служат ориентированные
кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации расплава,
когда обеспечиваются плоский фронт кристаллизации — поверхность раздела
жидкой и твердой фаз и однонаправленный отвод теплоты с этой поверхности.
В этом случае фазы эвтектики кристаллизуются перпендикулярно к поверх-
58 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
ности раздела и следуют за перемещающимся фронтом кристаллизации, образуя ориентированные дендритные волокнистые или пластинчатые кристаллы, которые являются упрочняющей фазой в сплаве, получаемом естественным
металлургическим путем.
Структура эвтектических сплавов прочна и термостабильна вплоть до
температуры плавления и лишена многих недостатков, связанных с химической
совместимостью между матрицей и упрочняющей фазой искусственных металлических композиционных материалов (МКМ).
В никелевых сплавах упрочняющей фазой может быть никелид ниобия или
никелид алюминия, а в алюминиевых сплавах — алюминид меди или никеля.
Кристаллы растут со скоростью 3…150 см/ч, объемное содержание упрочнителя может составлять до 65 %. Прочность эвтектических сплавов увеличивается на 10 %.
Среди материалов, хорошо зарекомендовавших себя в теплонагруженных
конструкциях зарубежных летательных аппаратов, выделяется никель-хромовый
жаропрочный суперсплав Inconel X (Инконель). По сравнению со сплавами
TiAl6V4 и AM-350 CRES сплав Inconel X демонстрирует плавное снижение
прочности после температуры 650 °С. Из этого материала был изготовлен
корпус ракетоплана X-15 и его топливные баки. Современное использование
Inconel X ограничено его большой плотностью (8280 кг/м3) и стоимостью.
Титано-циркониевый молибденовый сплав TZM (Titanium Zirconium
Molybdenum Alloy) содержит молибден, 0,5 % титана, 0,08 % циркония
и 0,02 % углерода. Сплав обладает хорошими механическими свойствами при
высоких значениях температуры и давления; температура рекристаллизации
составляет 1600 °С. Благодаря низкому температурному коэффициенту линейного расширения материал можно использовать без компенсационных швов.
Кроме того, сплав TZM хорошо сваривается (наличие карбидных включений
TiC и ZrC замедляет рост зерна молибдена), что позволяет применять его
в сочетании со сталью (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Микроструктура сплава TZM:
а — легированный порошок TZM; б — порошок TiC; в — порошок ZrC
2.2. Композиционные материалы
59
Суперсплав Rene 41 — жаропрочный сплав на основе никеля, сохраняющий
прочность до температуры 980 °С. Опытная теплозащитная конструкция представляла собой сотовые панели, заполненные литием. Плавление лития в сотовой матрице предназначалось для поглощения теплоты от панелей из суперсплава Rene 41.
Титаново-алюминиевый сплав TiAl6V4 показал свое преимущество при
использовании в РПДТ за счет высоких удельных прочностных характеристик,
а также благодаря низкой окислительной способности на воздухе до температуры 650 °С.
2.2. Композиционные материалы
По многим признакам именно композиционные материалы могут сыграть
решающую роль в освоении тяжелых в тепловом отношении режимов высокоскоростного полета (рис. 2.2).
Разработка углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ)
началась в конце 1960-х годов. В УУКМ высокопрочные армирующие углеродные волокна или ткани находятся в углеродной матрице, закрепляющей
нужную форму конструкции. Предполагалось использовать УУКМ в конструкциях, которые испытывают большие тепловые нагрузки, вплоть до темпера-
Рис. 2.2. Области применения композиционных материалов:
УПКМ — полимерный, армированный углеродными волокнами; СКМ — на
основе стеклянного волокна; СККМ — стеклокристаллический; КМКМ —
керамоматричный; С-С — углерод-углеродный; С-С* — улучшенный углерод-углеродный; Al-МКМ, Ti-МКМ, Ni-МКМ — с металлической матрицей
из алюминия Al, титана Ti и никеля Ni соответственно; SiAlON — сиалон
(оксинитрид алюминия-кремния); SSiC — спеченный карбид кремния
60 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
туры 1650 °С. Поскольку после 450 °С углеродные волокна подвержены
сильному окислению, необходимо применять дополнительные барьерные слои
защиты как волокон, так и матрицы.
На первых многоразовых космических кораблях Space Shuttle и «Буран»,
рассчитанных на 100 полетов, из УУКМ были изготовлены оболочки носового
обтекателя и передние кромки крыла. Авария шаттла Columbia в 2003 г. выявила недостаточную прочность оболочки передней кромки крыла из УУКМ
марки RCC при ударном воздействии. Отечественные УУКМ «Гравимол»
и «Гравимол В» не уступают RCC по прочности, но имеют лучшую объемную
противоокислительную защиту, что особенно важно при появлении дефектов
поверхности и локальных трещин.
Исследования показали, что более высокими противоокислительными
характеристиками обладают керамоматричные композиционные материалы
(КМКМ), такие, например, как углерод-керамические (УККМ) C/SiC и C/C-SiC
(табл. 2.4). Керамоматричные композиционные материалы типа SiC-SiC
(рис. 2.3) способны выдерживать температуру до 1600 °С в течение 500 ч без
потери массы и отличаются высокой окислительной стойкостью.
При высоких значениях температуры (до 1600 °С) на поверхности SiC
образуется тонкая защитная кремнеземная пленка SiO2, которая блокирует
диффузию кислорода в объем материала и приводит к самозалечиванию его
дефектов (пор и трещин).
Ниже приведены свойства УККМ типа SiC-SiC.
Рабочая температура Тр, °С ................................................................
Плотность r, г/см3 ...............................................................................
Пористость, % ......................................................................................
Предел прочности при изгибе (при 1000 °С) sи, МПа ...................
Коэффициент теплопроводности (при 1000 °С) l, Вт/(м⋅K) ..........
Температурный коэффициент линейного
расширения (при 20…1600 °С) α⋅106, K–1 ........................................
1600…1650
2,5…2,9
5…8
180…200
30…35
4,9…5,2
Многоразовые космические аппараты (МКА) Space Shuttle и «Буран» имеют большую площадь поверхности (около 1000 м2), что исключило возможность использования хорошо отработанных ТЗП из ПКМ с высокой погонной
плотностью. Было найдено оригинальное решение — применение плиток
прямоугольной формы и переменной
толщины из спеченных волокон кварцевого стекла с максимальной рабочей
температурой около 1227 °С. На МКА
Space Shuttle в плиточном ТЗП использовали материалы LI-900 и LI-2200
с плотностью 144 и 350 кг/м3 соответственно, а на МКА «Буран» — аналогичные материалы ТЗМК-10 и ТЗМК-25
с плотностью 150 и 250 кг/м3 соответственно. Для окантовки остекления
Рис. 2.3. Микроструктура КМКМ типа и люков форму плиток подбирали
SiC-SiC
индивидуально.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Плотность
r, г/см3
2,1…2,2
1,7…1,8
1,6…1,8
Объемная
доля
волокна, %
42…47
42…44
45…50
10…25
15…20
10…15
Пористость, %
200…250
240
300…380
при изгибе
sи
Модуль
упругости
при
растяжении
E, ГПа
250
330
Пиролиз
450…500
70…80
60…80
90…100
Газофазный метод
при растяжении
sв
Предел прочности, МПа
Свойства УККМ C/SiC
10…12
30…35
44…48
Сдвиговая
прочность
между
слоями,
МПа
2…3
3
3
параллельно
волокнам
4…7
4
5
перпендикулярно
волокнам
Температурный коэффициент
линейного расширения a ⋅ 106, K–1
Таблица 2.4
62 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Сравнительно низкая механическая прочность и легкая повреждаемость
плиток стали причиной поиска и отработки альтернативных вариантов ТЗП
для аппаратов следующего поколения, таких как Venture Star. Технические
решения были направлены на создание разборных композитных панелей
и плиток с металлическим корпусом. В Европе исследования новых концепций
ТЗП проводились в рамках проекта суборбитального МКА Hopper. Для компенсации увеличения массы вследствие использования прочного разборного
корпуса был применен более легкий теплоизолятор, чем в плиточных ТЗП.
В США для перспективных МКА были исследованы новые теплоизоляторы
из материалов с плотностью 30…120 кг/м3.
В последние десятилетия в России, США, Франции, Китае и Японии исследуется возможность применения в теплонагруженных элементах ГЛА новых
КМКМ, сохраняющих работоспособность до температуры 3000 °С в окислительной и эрозионной среде. Наибольший интерес вызывают КМКМ, именуемые иногда ультравысокотемпературной керамикой, на основе боридов,
карбидов и нитридов гафния, циркония, тантала, кремния, титана, таких как
HfB2, ZrB2, ZrC, HfC, TaC, SiC, HfN и TiN. Эти материалы отличаются высокой температурой плавления, стойкостью к окислительному и эрозионному
воздействию газовой среды, они обладают удовлетворительными механическими характеристиками (табл. 2.5). Вместе с тем у некоторых КМКМ довольно высокая плотность. Например, композиционный материал «борид
гафния + карбид кремния» (HfB2 + 20 % SiC) имеет плотность 9570 кг/м3
и коэффициент теплопроводности при комнатной температуре 80 Вт/(м⋅K),
а композиционный материал «борид циркония + карбид кремния» (ZrB2 +
+ 20 % SiC) — плотность 5570 кг/м3 и коэффициент теплопроводности при
комнатной температуре 99 Вт/(м⋅K). Высокая теплопроводность боридной
керамики должна благоприятно сказываться на снижении температурных перепадов и температурных напряжений.
При высоких температурах в окислительной среде на поверхности боридов
образуется стеклообразный защитный слой B2O3, который стабилен до температуры 1100 °С. Типовая реакция окисления диборида (MB2, где M = Zr, Hf,
Ti, Ta и т. п.) имеет вид
5
MB2 ( к ) + O 2 ( г ) → MB2 ( тв ) + B2 O3 ( ж )
2
При достижении температуры 1400 °С слой B2O3 полностью испаряется.
Для повышения рабочей температуры можно добавлять содержащие кремний
добавки, например SiC. В результате на поверхности образуется слой SiO2,
который выдерживает температуру 1600 °С (табл. 2.6).
В качестве добавок КМКМ используют силициды металлов переходной
группы: молибдена (MoSi2) и тантала (TaSi2). Эти силициды — хрупкие и
твердые материалы с высокой химической стабильностью (табл. 2.7). Их применяют для получения противоокислительных слоев на металлических поверхностях при высоких значениях температуры.
3380
3200
3040
3225
3900
3530
3500
3800
2200
3385
2950
2950
1900
HfB2
ZrB2
TaB2
TiB2
HfC
ZrC
NbC
TaC
SiC
HfN
ZrN
TiN
Si3N4
Материал
Температура
плавления
Тпл, °С
3400
5390
7290
13900
3200
14500
7600
6600
12800
4500
12500
6100
11200
Плотность
r, кг/м3
2,4
9,3
7,2
6,9
5,7
—
—
6,7
6,6
6,6
—
6,8
6,3
20…25
19,2
20,5
23
15…150
—
—
20,5
20
60…120
—
60
104
210
—
—
—
450
470…540
—
480
300…400
560
550
350
480
15…20
—
—
—
20…25
14…19
—
26
—
25…35
25
20…25
28
Температурный
коэффициент
Коэффициент
Модуль упругости Предел прочности
линейного
теплопроводности при растяжении
при растяжении
расширения
l, Вт/(м⋅K)
Е, ГПа
sв, ГПа
α⋅106, K–1
Свойства некоторых ультравысокотемпературных керамик
< 1200
—
—
—
< 1400
< 1400
< 800, > 1800
< 800, > 1800
< 800, > 1800
< 1200
< 1400
< 1400
< 1400
Жаростойкость, °С
Таблица 2.5
64 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Таблица 2.6
Свойства КМКМ «дибориды + частицы SiC»
Материал
HfB2
HfB2 + 20 % SiC
ZrB2
ZrB2 + 20 % SiC
Температура
Т, °С
20
500
1300
1800
100
500
1300
1800
20
500
1300
1800
100
500
1400
1800
Температурный
коэффициент Модуль упругости
линейного
при растяжении
расширения
Е, ГПа
α·106, K–1
6,3
6,8
7,6
—
—
—
—
—
5,9
6,5
8,3
—
5,0…7,8
—
—
—
Предел
прочности
при изгибе
sи, МПа
530
485
300
—
540
530
410
—
500
480
360
—
540
500
430
—
480
570
170
280
420
380
180
280
380
430
150
200
400
450
340
270
Таблица 2.7
Свойства добавок силицида молибдена MoSi2 и силицида тантала TaSi2
Характеристика
MoSi2
TaSi2
Температура плавления Тпл, °С
Плотность r, кг/м3
Кристаллическая структура
Коэффициент теплопроводности
(при 1100 °С) l, Вт/(м⋅K)
Модуль упругости при растяжении
E, ГПа
Предел прочности при растяжении
(при 1000 °С) sв, МПа
Температурный коэффициент
линейного расширения α⋅106, K–1
Сопротивление окислению
2030
6,24
Тетрагональная
17…55
220
9,14
Гексагональная
—
440
360
640
—
7,4…8,3
8,5
Критическое
при 400...600 °С,
отличное при 1600 °С
Отличное до 1000 °С
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных корпусов
65
Таким образом, надежность конструкций РПДТ во многом определяется
надежностью материала, который выбирают, ориентируясь на основную эксплуатационную функцию. Если предполагаемый материал способен обеспечить
требуемую надежность конструкции в условиях одновременного воздействия
нескольких эксплуатационных факторов, решение о его применении может
быть принято после многовариантного анализа и многокритериальной оптимизации конструкции.
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые
для композитных корпусов
Существующие методики оптимального проектирования композитных
корпусных конструкций сводятся к нахождению значений параметров силовой
оболочки корпуса (СОК), обеспечивающих минимум массы конструкции при
одновременном выполнении требований по ее несущей способности с учетом
технологических ограничений, которые определяют возможность изготовления
силовой оболочки прогрессивным методом «мокрой» непрерывной жгутовой
намотки.
Композитные корпуса современных изделий, в том числе и РПДТ, работающих при совместном действии интенсивных силовых и тепловых нагрузок,
отличаются от металлических корпусов пониженной теплостойкостью и повышенной деформативностью.
В связи с тем что пластик обладает пониженной теплостойкостью по сравнению с теплостойкостью металла, необходимо применять теплозащиту. Наиболее эффективной защитой корпусных конструкций от высокотемпературного нагрева является аблирующая теплозащита на основе многокомпонентных
теплозащитных материалов (ТЗМ), разрушающихся с поглощением теплоты
за счет эндотермических физико-химических превращений.
Повышенная деформативность корпусов* обусловила необходимость применения для их теплозащиты, как правило, эластичных ТЗМ. В их состав
наряду с каучуком входят следующие наполнители в виде порошка: диоксид
кремния SiO2 (белая сажа), технический углерод, органические и углеродные
волокна. При работе в условиях камеры сгорания теплозащита такого типа
испытывает термическое разложение (пиролиз), которое сопровождается поглощением теплоты, выделением газообразных продуктов, а также усадкой
или вспучиванием (в зависимости от давления). Под рабочей поверхностью
ТЗП образуется пористый обугленный слой, каркас которого в общем случае
состоит из пиролитического углерода и перечисленных наполнителей. В результате химического взаимодействия углерода обугленного слоя с активными
компонентами продуктов сгорания твердого топлива в газогенераторе и каме*
Особенно важно применение эластичных ТЗМ в зонах соединения СОК с металлическими элементами конструкции, где уровень относительной деформации ТЗП может
достигать 25…30 %.
66 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
ре дожигания (O, O2, CO2, H2O, N, N2) происходит химико-механический унос
массы теплозащиты. Кроме того, при повышенных значениях температуры
возможно испарение вначале минеральных наполнителей, а затем (при сверхвысокой температуре) и выгорание углерода.
Введение в состав ТЗМ углеродных волокон позволяет повысить эрозионную стойкость обугленного слоя ТЗП, играющего важную роль в теплозащите СОК за счет блокирования внешнего теплового потока. Применение микроуглеродных волокон особенно важно в связи с имеющейся в настоящее время
тенденцией повышения температуры газового потока, воздействующего на
корпусные конструкции летательных аппаратов при их основной работе.
В последние годы для изготовления ТЗМ широко применяют этиленпропиленовые и особенно этиленпропилендиеновые каучуки. Применение последних
обусловлено их малой плотностью (менее 880 кг/м3), хорошим комплексом
теплофизических, физико-механических и технологических характеристик,
достаточно высоким сопротивлением термоокислительному старению.
В состав резиновых смесей кроме каучуковой матрицы и перечисленных
наполнителей входят технологические добавки: вулканизующие агенты, противостарители, пластификаторы, антипирены. Введение каждого ингредиента
является обязательным и придает специальные свойства резиновым смесям
для изготовления ТЗМ. Для повышения выхода кокса при пиролизе ТЗМ в их
состав также вводят фенолоформальдегидную смолу.
Выбор вулканизационной группы определяется типом каучука. Если
в качестве основы используют этиленпропилендиеновые каучуки, вулканизация
ТЗМ осуществляется небольшим количеством элементарной серы и органическими ди- и полисульфидами (тиурам, альтакс, дитиодиморфолин). Образовавшиеся при этом моносульфидные поперечные сшивки между макромолекулами каучука, определяющие основные эксплуатационные свойства
материалов, обеспечивают термостойкость резин. В качестве пластификаторов
ТЗМ, улучшающих технологические свойства резиновых смесей при переработке, принято использовать диоктил себацинат, дибутилсебацинат. Добавка
последнего способствует улучшению морозостойких свойств резин.
Для оптимизации состава новых ТЗМ и структуры новых ТЗП применяют
математическое моделирование их теплового состояния в условиях, соответствующих реальным. Причем в модели должны быть учтены в явной форме
не только отмеченные особенности поведения теплозащиты в высокотемпературном потоке продуктов сгорания, но и влияние рецептурных факторов на
теплофизические характеристики ТЗМ в рабочем температурном диапазоне.
Математическая модель высокотемпературных теплофизических свойств
резиноподобных ТЗМ может быть основана на схеме превращений ТЗМ
в подповерхностном слое теплозащиты (рис. 2.4), работающей при интенсивном одностороннем нагреве.
Определяемые в соответствии с моделью теплофизические характеристики пористого подповерхностного слоя разлагающейся при нагреве теплозащиты используются при решении уравнения нестационарной теплопроводности в ТЗП.
I — неразложившийся материал; II — зона термического разложения (пиролиза); III — обугленный слой; IV — углеродный слой;
1 — частицы не разлагающегося при нагреве наполнителя; 2 — поры; 3 — связующее (каучук со смолой); 4 — каркас, состоящий из
связующего, конденсированного углерода и наполнителя; 5 — каркас, состоящий из конденсированного углерода и наполнителя;
6 — каркас, состоящий из углерода; Т — температура; x — поперечная координата; t — время; ɛ — степень черноты (индексы:
f — поток продуктов сгорания; ст — стенка (нагреваемая поверхность ТЗП); и — испарение минерального наполнителя; н.р, к.р —
начало и конец термического разложения; н.п, к.п — начало и конец пластичности; гр — граница слоя теплозащиты и силовой оболочки; доп — допустимая температура на границе между теплозащитой и силовой оболочкой корпуса);
— перемещение каркаса при вспучивании
Рис. 2.4. Схема превращений ТЗМ в подповерхностном слое теплозащиты при одностороннем высокотемпературном
нагреве:
68 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Основные расчетные зависимости существующей математической модели
высокотемпературных теплофизических свойств резиноподобных ТЗМ приведены в работе [9]. На практике зависимости необходимо уточнять, для этого:
• в модель вводят формулы для теплофизических характеристик, позволяющие учитывать в явной форме изменение состава и структуры каркаса
пористого ТЗМ в процессе нагрева в рабочем диапазоне температур;
• предполагают, что ТЗМ в общем случае представляет собой четырехкомпонентную систему, которая состоит из полимерной матрицы, разлагающейся при нагреве с выделением конденсированного углерода, а также из
дисперсных включений частиц диоксида кремния, технического углерода
и углеродных волокон.
Четырехкомпонентную структуру следует привести к двухкомпонентным
структурам, для этого необходимо последовательно рассмотреть составленные
из перечисленных компонентов двухкомпонентные системы, схемы которых
представлены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема четырехкомпонентной структуры каркаса резиноподобного ТЗМ с наполнителями из порошков диоксида кремния,
технического углерода и углеродных волокон:
0 — полимерная матрица, разлагающаяся при нагреве с выделением конденсированного углерода; 1 — изолированные включения частиц диоксида
кремния; 2 — изолированные включения частиц технического углерода;
3 — изолированные включения углеродных волокон
Для описания эффективных теплофизических характеристик каркаса пористого ТЗМ каждой из трех двухкомпонентных систем используют следующие
зависимости:
ϕi +1
,
λ′i = λ′i −1 1 +
−
1
(1 − ϕi +1 ) kн + ( λ i +1 λ i − 1)
(2.1)
ci′ = ci′−1(1− µi +1 ) + ci +1µi +1 ,
(2.2)
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных корпусов
69
−1
1 − µi +1 µi +1
ρ′i =
+
,
ρi +1
ρ′i −1
(2.3)
где λi, сi, ρi (i = 1, 2, 3) — коэффициент теплопроводности, теплоемкость
и плотность i-го компонента; kн — коэффициент формы наполнителя (для
сферы kн = 3, для цилиндра kн = 2); μi — массовая доля i-го компонента;
ϕi = µi ρo / ρi — объемная доля i-го компонента (ρо — объемная плотность ТЗМ).
Формулы (2.1) – (2.3) универсальны по отношению к различным типам
резиноподобных ТЗМ, в том числе к материалам, в которых отсутствуют
какие-либо из перечисленных наполнителей.
В процессе высокотемпературного нагрева состав каркаса изменяется
в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.4, причем в зоне неразложившегося материала матрица (связующее) двухкомпонентной структуры
состоит из каучука со смолой, технологическими и вулканизующими добавками, а в зоне термического разложения в результате пиролиза связующее
постепенно превращается в аморфный (конденсированный) углерод.
Для определения равновесного состава продуктов пиролиза по заданному
элементному составу полимерной части ТЗМ в модель введены известные
соотношения материального баланса и формулы для констант скоростей химических реакций. На этой основе разработан алгоритм термодинамического
расчета. Для проведения численных расчетов используют компьютерную программу, широко применяемую в отрасли при расчетах равновесного состава
и термодинамических характеристик продуктов сгорания твердых ракетных
топлив.
В качестве примера рассмотрим результаты термодинамических расчетов
равновесного состава газов пиролиза этиленпропиленового каучука, на основе
которого изготовляют современные ТЗМ. Термодинамические расчеты проведены при давлении p = 15 МПа.
Анализ полученных результатов (табл. 2.8) показывает следующее.
В зоне пиролиза (при температуре до 1300 K) продукты термического разложения этиленпропиленового каучука и ТЗМ на его основе состоят в основном из газов H2, CH4 и конденсированного углерода (до 50 % (мас.)). Причем,
согласно результатам термогравиметрии, бîльшая часть (более 50 %) углерода улетучивается вместе с газами пиролиза в виде сажи, а остальной углерод
оседает на поверхности каркаса пористого обугленного слоя.
При значениях температуры, превышающих температуру конца пиролиза,
происходит крекинг метана с выделением водорода и конденсированного
углерода (черной сажи), массовая доля которого в продуктах пиролиза достигает максимума при температуре 2000…2500 K.
Дальнейший рост температуры приводит к уменьшению доли конденсированного углерода, что обусловлено процессами диссоциации молекул газов
и образованием С, С2, С3, С4, С5.
Можно предположить, что количество конденсированного углерода, осаждающегося на стенках пор обугленного слоя, изменяется пропорционально его
содержанию в пиролизных газах.
70 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Таблица 2.8
Содержание основных компонентов в продуктах термического разложения
этиленпропиленового каучука при р = 15 МПа
Массовая доля
Температура, K конденсированного углерода метана CH4
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
0,42901
0,44309
0,48378
0,55944
0,65258
0,73060
0,78001
0,80693
0,81925
0,81989
0,80663
0,77181
0,70081
0,56983
0,34648
0,01519
0,99101
0,93201
0,76908
0,52959
0,31118
0,17091
0,09611
0,05779
0,03737
0,02569
0,01846
0,01358
—
—
—
—
Объемная доля
атомарного
водорода
водорода H2 ацетилена C2H2
—
0,06772
0,23046
0,46991
0,68835
0,82855
0,90302
0,94038
0,95827
0,96397
0,95866
0,93975
0,90183
0,83736
0,73916
0,61237
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0,01634
0,03290
0,05877
0,09381
0,13306
0,16424
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0,01226
0,02102
0,03287
0,04609
Теплофизические характеристики газов пиролиза, содержащих в своем
составе частицы сажи, определяются в ходе термодинамического расчета по
известным формулам для газовых смесей, запыленных конденсированной
фазой. Их значения для рассматриваемого случая приведены в табл. 2.9.
Таблица 2.9
Теплофизические характеристики газообразных продуктов термического
разложения типичного ТЗМ при р = 15 МПа
Температура
T, K
Плотность
r, кг/м3
Молекулярная
масса, кг/моль
Теплоемкость
c, кДж/(кг⋅K)
Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м⋅K)
600
900
1300
2000
2500
3000
3500
93,27
58,66
30,02
14,57
11,28
9,26
7,59
0,015
0,015
0,012
0,009
0,009
0,010
0,015
2,28
4,05
7,81
4,81
4,62
8,01
20,06
0,20
1,07
1,81
0,61
0,79
1,01
0,86
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных корпусов
71
Таким образом, каркас пористого прогретого слоя ТЗМ в общем случае
состоит из следующих компонентов (см. рис. 2.4):
• в зоне неразложившегося материала при Т ≤ Тн.р — из связующего (каучука со смолой, технологическими, вулканизующими добавками и органических волокон) и дисперсных включений частиц диоксида кремния, технического углерода и углеродных волокон;
• в зоне пиролиза при Тн.р ≤ Т ≤ Тк.р — из разлагающегося при нагреве
связующего, конденсированного углерода (продукта пиролиза связующего),
диоксида кремния, технического углерода и углеродных волокон, входящих в
состав неразлагающегося наполнителя;
• в обугленном слое при Тк.р ≤ Т ≤ 3100 K — из конденсированного углерода, диоксида кремния, технического углерода и углеродных волокон;
• в углеродном слое при Т ≥ 3100 K — из конденсированного углерода,
технического углерода и углеродных волокон.
Значения массовых долей перечисленных основных компонентов в составе материала определяют при оптимизации рецептуры ТЗМ с учетом технологических ограничений. Их изменение в процессе высокотемпературного
нагрева учитывают следующим образом.
Для зоны пиролиза при Тн.р ≤ Т ≤ Тк.р справедливо следующее соотношение
материального баланса между парциальными плотностями (массой компонента в единице объема) gн неразлагающегося наполнителя, gс связующего,
gк.у конденсированного углерода и gг.п газов пиролиза:
γ н + γ с ( t ) + γ к.у ( t ) + γ г.п ( t ) = ρо ; γ н = γ SiO2 + γ т.у + γ у.в ,
(2.4)
где t — время; γ SiO2 , γ т.у , γ у.в — парциальная плотность диоксида кремния,
технического углерода и углеродных волокон соответственно.
max
газов пиролиза (при
Максимальное значение парциальной плотности γ г.п
полном разложении связующего, т. е. при γ с = 0) можно определить из очевидного соотношения
max
γ г.п
= (1 − K ) ρо ,
(2.5)
где K — коксовое число композиционного материала (отношение массы кокса
к массе исходного материала) при Т = Тк.р.
После подстановки (2.5) в (2.4) и несложных преобразований получим
следующие выражения для коксового числа K композиционного материала
и коксового числа Kс связующего:
(
K = γ н + γ кmax
)
ρо = µ н + K с ;
K с = K − µн ,
(2.6)
где γ кmax — максимальное значение парциальной плотности кокса в составе
композиционного материала; µн — массовая доля наполнителя в составе ТЗМ.
72 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
Если принять гипотезу о том, что соотношение между текущими значениями парциальных плотностей разлагающегося связующего и его кокса в процессе термического разложения остается постоянным и равным коксовому
числу связующего, то из (2.4) с учетом (2.6) можно получить следующие
формулы для текущих значений массовых и объемных долей разлагающегося
связующего и образующегося при его разложении конденсированного углерода:
µс = (1 − χ)(1 − µн );
µк.у = χ ( K − µн ) ;
ϕс = µ с ρ о / ρ с ;
(2.7)
ϕк.у = µк.у ρо / ρк.у ,
(2.8)
где c — степень термического разложения.
Входящие в формулы (2.7) и (2.8) значения степени термического разложения χ(t) и коксового числа K теплозащитного композиционного материала
определяют экспериментально методом термогравиметрии.
Выражения для текущих значений массовой и объемной долей связующего
в разлагающейся при нагреве матрице, состоящей из связующего и конденсированного углерода, имеют вид
µс = µс ( µс + µк.у ) ; ϕс = ϕс ( ϕс + ϕк.у ) .
(2.9)
С учетом выражений (2.7) – (2.9) получены следующие формулы для входящих в выражения (2.1) – (2.3) теплофизических характеристик разлагающейся при нагреве матрицы 0 (см. рис. 2.5) в зоне термического разложения при
Тн.р ≤ Т ≤ Тк.р (см. рис. 2.4):
−1
µ 1 − µс
ρ′0 = с +
;
ρк.у
ρс
(2.10)
c0′ = cсµc + cк.у (1 − µc ) ;
(2.11)
λ′0 = λ с ϕс + λ к.у (1 − ϕс ) .
(2.12)
Выражения для текущих значений массовой и объемной долей наполнителя
в разлагающемся при нагреве каркасе, состоящем из наполнителя, связующего
и конденсированного углерода (первый компонент в формулах (2.1) – (2.3)),
имеют вид
µ1 = µSiO2
( µSiO2 + µс + µк.у ) ;
ϕ1 = ϕSiO2
( ϕSiO2 + ϕс + ϕк.у ).
(2.13)
Теплофизические характеристики первого компонента равны теплофизическим характеристикам минерального наполнителя (SiO2).
Выражения для текущих значений массовой и объемной долей наполнителя, необходимые для расчета теплофизических характеристик каркаса второй
и третьей системы (см. рис. 2.5), имеют вид
µ 2 = µ т.у
( µн + µс + µк.у + µ т.у ) ;
ϕ2 = ϕт.у
( ϕSiO2 + ϕс + ϕк.у + ϕт.у ) ;
(2.14)
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных корпусов
µ3 = µ у.в
( µSiO2 + µс + µк.у + µ т.у + µ у.в ) ;
ϕ3 = ϕу.в
( ϕSiO2 + ϕс + ϕк.у + ϕт.у + ϕу.в ).
73
(2.15)
Теплофизические характеристики второго и третьего компонентов равны
теплофизическим характеристикам технического углерода и углеродных волокон соответственно.
В обугленном слое µc = 0, а массовая доля конденсированного углерода
в составе ТЗМ при Т ≥ Тк.р изменяется пропорционально определяемому термодинамическим расчетом выходу конденсированного углерода за счет крекинга метана:
µк.у (T ) = k у K р (T ) − µн ,
(2.16)
где kу — коэффициент пропорциональности, учитывающий долю углерода,
осаждающегося при данной температуре на поверхности пор обугленного слоя;
Kр — массовая доля конденсированного остатка в продуктах термического
разложения ТЗМ, определяемая термодинамическим расчетом.
Значение коэффициента kу в формуле (2.16) принимается равным отношению коксового числа ТЗМ при Т = Тк.р, определяемого экспериментально,
к массовой доле конденсированного остатка в продуктах термического разложения ТЗМ, определяемой термодинамическим расчетом для этой температуры:
k у = K K р (Tк.р ) .
В этом случае, как видно из соотношений (2.10) – (2.12), ρ′0 = ρк.у , c0′ = ск.у ,
λ′0 = λк.у и для определения теплофизических характеристик каркаса обугленного слоя используют формулы (2.1) – (2.3), (2.13) – (2.16).
В углеродном слое при Т ≥ 3100 K массовая доля µSiO2 = µс = 0, μ1 =
= φ1 = 0. С учетом этого теплофизические характеристики каркаса углеродного слоя также определяют по формулам (2.1) – (2.3), (2.13) – (2.16).
Для расчета эффективного коэффициента теплопроводности деструктирующего ТЗМ в рабочем температурном диапазоне используют зависимость
1,5
λ Σ (T ) = λ′ (T )(1− ϕ ) M к + λ′′ (T ) ϕ0,25 ,
(2.17)
где λ′ — коэффициент теплопроводности ТЗМ; φ — пористость ТЗМ; Мк —
параметр контактного термического сопротивления между структурными
элементами каркаса; λ′′ — коэффициент теплопроводности пор.
Параметр Мк контактного сопротивления между частицами наполнителя и
разлагающейся при нагреве матрицей зависит от степени c термического разложения, так как в процессе разложения изменяются состав и физические
свойства матрицы. Для учета этой зависимости используют линейную интерполяцию между значениями данного параметра при температуре Тн.р начала
и Тк.р конца термического разложения:
74 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
M кн
T − Tн.р
M к = M кн + M кк − M кн
Tк.р − Tн.р
M к
к
(
)
при
T ≤ Tн.р ,
при Tн.р < T < Tк.р ,
при
(2.18)
T ≥ Tк.р ,
где M кн , M кк — начальное и конечное значения контактного сопротивления.
Начальное значение M кн контактного сопротивления выбирают из условия
равенства эффективного коэффициента теплопроводности материала имеющимся экспериментальным (паспортным) данным при нормальной температуре,
а конечное значение M кк принимают как параметр согласования расчетных
и экспериментальных данных при повышенных значениях температуры.
Входящий в формулу (2.17) коэффициент l″ теплопроводности пор складывается из кондуктивной и лучистой составляющих. Кондуктивная составляющая определяется по результатам термодинамического расчета равновесного состава (см. табл. 2.9), лучистая — по формуле
λ′′л = ΘT 3 ,
где Θ = 4ε 2 σh — коэффициент лучистого переноса теплоты в порах (ε — степень черноты; σ — постоянная Стефана — Больцмана; h — характерный
размер пор).
Для учета изменения размеров пор при усадке-вспучивании в эту формулу
введена соответствующая поправка:
λ′′л = Θ 3 (1 ± εV )T 3 ,
где eV — относительное изменение объема подповерхностного слоя ТЗП.
Пористость ТЗМ рассчитывают по формулам
1 − χ (1 − K ) (1 − ϕ0 )
при T < 3100 K,
1−
ρ (1 ± εV )
ϕ=
(1 − ϕ0 )
1 − µ + µ + µ
при T ≥ 3100 K ,
т.у
у.в )
( к.у
ρ (1 ± εV )
(2.19)
где ρ = ρ′ ρ′нач — относительное изменение плотности каркаса прогретого
слоя теплозащиты.
Формулы (2.19), в частности, учитывают усадку-вспучивание и испарение
при температуре свыше 3100 K минерального наполнителя, не разлагающегося при пиролизе.
Для учета влияния давления на изменение объема подповерхностного слоя
ТЗП, что особенно важно для газогенератора РПДТ, за счет усадки или вспучивания в модель введено условие
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных корпусов
εвсп
εV =
ε ус
при
при
p ≤ pкр ,
p > pкр ,
75
(2.20)
где εвсп — относительная деформация вспучивания; εус — относительная деформация усадки; pкр — критическое значение давления, при котором усадка
сменяется вспучиванием.
Относительную деформацию вспучивания рассчитывают по формулам,
приведенным в работе [8], а относительную деформацию усадки — по формуле
ε ус
0
T − Tн.п
= ε max
ус
Tк.п − Tн.п
max
ε ус
при
T ≤ Tн.п ,
при Tн.п < T < Tк.п ,
при
(2.21)
T ≥ Tк.п ,
полученной при допущении о линейном законе изменения относительной
деформации усадки по ширине зоны пластичности.
В предположении о том, что сжатие пор при усадке происходит в зоне
пластичности до начального уровня, максимальную относительную деформацию усадки можно определить по формуле
ε max
ус = 1 −
1 − χк.п (1 − K ) ρ′0 ρ′ ,
где χк.п — степень термического разложения ТЗП, соответствующая концу
пластичности.
Расчет теплофизических характеристик ТЗМ выбранного состава проводят
по формулам (2.1) – (2.21). В качестве исходных данных используют:
• коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность исходного
материала, определяемые экспериментально на существующем лабораторном
оборудовании;
• степень термического разложения и коксовое число ТЗМ, определяемые
экспериментально методом термогравиметрии;
• коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность минерального наполнителя, конденсированного (аморфного) углерода и материала
углеродных волокон, а также газов пиролиза, которые принимаются по данным
работ [2, 3, 5, 6, 10–12].
Численные исследования выполнены для типичного резиноподобного ТЗМ
на основе этиленпропиленового каучука плотностью 1060 кг/м3 с наполнителем
из диоксида кремния.
Плотность наполнителя 2200 кг/м3, плотность монолитного (без пор) связующего 960 кг/м3, коэффициент теплопроводности связующего 0,2 Вт/(м⋅K).
Массовая доля неразлагающегося наполнителя, входящего в состав материала
покрытия, 0,23. Плотность кокса связующего в зависимости от температуры
76 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
изменяется в пределах 1100…1900 кг/м3. Коксовое число материала 0,24. Зависимость от температуры степени термического разложения ТЗМ представлена на рис. 2.6. Коэффициент, учитывающий долю углерода, осаждающегося
на поверхности пор обугленного слоя, 0,46. Теплофизические характеристики
газов пиролиза приведены в табл. 2.9. Параметр лучистого теплопереноса в
порах 10–11 Вт/(м⋅K4). Начальное и конечное значения контактного термического сопротивления 0,95 и 0,80 соответственно.
Основные результаты расчетов температурных зависимостей теплофизических характеристик рассматриваемого материала приведены на рис. 2.7 и 2.8.
Рис. 2.6. Зависимость степени термического разложения ТЗМ (аппроксимация функцией арктангенса) от температуры
Рис. 2.7. Зависимость коэффициента теплопроводности кокса (1), матрицы (2) и эффективного коэффициента теплопроводности
ТЗМ (3) от температуры
Контрольные вопросы
77
Рис. 2.8. Зависимость теплоемкости матрицы (1), каркаса (2) и наполнителя (3)
от температуры
На рис. 2.7 представлена зависимость от температуры коэффициента теплопроводности матрицы, которая представляет собой связующее, преобразующееся в зоне пиролиза в кокс, а также эффективного коэффициента теплопроводности ТЗМ. Можно видеть, что эффективная теплопроводность материала
уменьшается в зоне термического разложения и усадки вследствие изменения
состава и структуры материала. Ее дальнейший рост обусловлен ростом теплопроводности наполнителя и увеличением лучистого теплопереноса в порах
при повышенной температуре.
На рис. 2.8 приведена зависимость от температуры теплоемкости разлагающейся при нагреве матрицы, наполнителя и каркаса, состоящего из переходящей в кокс матрицы и неразлагающегося наполнителя. Резкое падение в
зоне пиролиза и последующий рост теплоемкости каркаса ТЗМ обусловлены
соответствующим изменением состава материала и теплоемкости его компонентов.
Экспериментальные значения теплофизических характеристик рассматриваемого материала в диапазоне температур 20…200 °С таковы: коэффициент
теплопроводности (0,22 ± 0,03) Вт/(м⋅K), теплоемкость (2015 ± 150) Дж/(кг⋅K).
Можно видеть, что экспериментальные и расчетные значения теплофизических
характеристик ТЗМ удовлетворительно согласуются между собой.
Контрольные вопросы
1. Как осуществляется выбор функциональных конструкционных материалов для РПДТ?
2. Каковы основные виды конструкционных материалов для РПДТ?
78 2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных аппаратов
3. Какие типы металлов и сплавов используются для производства РПДТ?
4. Чем определяется выбор химического элемента для использования
в конструкции РПДТ?
5. Какие типы полимерных материалов применяются для производства
РПДТ?
6. Какие типы керамических материалов используются для производства
РПДТ?
7. Какие типы композиционных материалов применяются для производства
РПДТ?
8. Какие физико-механические и теплофизические характеристики являются определяющими для выбора функционального конструкционного материала?
9. В каких элементах конструкции ГЛА применяют функциональные конструкционные материалы? Приведите примеры.
10. Какие высокотемпературные керамики используются для производства
элементов конструкции РПДТ?
11. Каким образом сочетаются требования обеспечения механических и
теплофизических характеристик при выборе функциональных конструкционных материалов?
12. Как влияет выбор конструкционных материалов на массовые характеристики РПДТ и ГЛА?
13. Каким образом изменяется конструкционная прочность материалов при
увеличении температуры?
14. Какие температурные диапазоны применения УУКМ определяют
области реализации их оптимальных характеристик?
3. Технологии формообразования элементов конструкции
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе
Основные методы формообразования деталей представлены на рис. 3.1.
Наиболее распространенной остается механическая обработка, исходными
заготовками для которой служат:
1) отливки специальные из теплопрочных сталей, титановых, алюминиевых
сплавов и сплавов тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия);
Рис. 3.1. Методы формообразования деталей
2) поковки специальные горячедеформированные из теплопрочных сталей,
жаропрочных сталей и никелевых сплавов, а также крупногабаритные сутунки
и раскатные кольца из этих металлов;
3) фасонные раскатанные цилиндрические обечайки, сопла и днища
(рис. 3.2);
4) штамповки специальные горячедеформированные открытой формы (из листового
металла) и объемные (из отливок и поковок);
5) штамповки специальные холодно- и
горячедеформированные в условиях сверхпластичности в инструментальных штампах жестким, эластичным или гидрогазовым
пуансоном;
6) полуфабрикаты металлургического Рис. 3.2. Типовые раскатанные
оболочки:
передела (лист, полоса, пруток, труба гладкая
а — обечайка; б — сопло; в — днище
80
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.3. Формы сечений горячепрессованных длинномерных
профилей:
а — сплошных; б — пустотелых; в — вафельных
или оребренная, широкий ассортимент стальных фасонных горячепрессованных длинномерных профилей (рис. 3.3), включая и пустотелые) для изготовления линейных и кольцевых гнуто-сварных деталей;
7) полуфабрикаты композиционные на металлической и керамической
основе, получаемые методами порошковой и гранульной металлургии;
8) полуфабрикаты композиционные на полимерной основе, получаемые
методами намотки, прямого и литьевого прессования, литья под давлением,
выкладки, экструзии и др.
3.1. Литье
81
Рассмотрим основные методы формообразования, к которым относятся
литье, пластическое деформирование (горячее и холодное) и механическая
обработка.
3.1. Литье
Получение заготовок деталей методом литья широко распространено
в машиностроении. Так получают сложные объемные конструкции, имеющие
открытые внутренние полости и каналы разной формы, отверстия в стенках,
тонкие протяженные ребра с разнотолщинностью до 1:5, уклоны и сопряжения
поверхностей двоякой кривизны. Именно литая заготовка характеризуется
высоким значением коэффициента Kи.м использования материала. Основные
характеристики отливок представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Основные характеристики отливок
ГабаМиниМинимальный Толщина Точность
Металлы Масса, ритный мальная
диаметр
нарушен- размеров,
Метод литья
и сплавы
кг
размер, толщина
отверстий
ного слоя, квалитет
мм
стенок, мм в отливках, мм
мм
9Т
В кокиль
Легкие
сплавы
300
2500
3
8
100…300
14, 15
В оболочко- Черные
вые формы и тугоплавкие
металлы
150
1250
3
8
80…250
14–16
По выплав- Черные
ляемым
металлы
моделям
250
600
0,8
5
80…150
10–12
Технологический процесс литья прост: расплав материала заливается
в полость литьевой формы, в которой он и затвердевает. При соответствующей
равновесной температуре (температуре Тпл плавления) материал теряет свойства
твердого тела и становится аморфной жидкостью определенной вязкости.
Кристаллизация расплава в форме начинается, как только его равновесная
температура понизится на 10…30 градусов. Форма и размер образующихся
кристаллов зависят от множества факторов. На учет этих факторов и управление ими направлена технологическая наука.
Для достижения в расплаве высокой жидкотекучести, оптимальных значений
вязкости и поверхностного натяжения, малой усадки, химической и структурной
неоднородности в объеме заготовки при минимуме дефектов типа пористости,
внутренних напряжений, коробления, трещин применяют специальные литейные
сплавы, легированные зародышеобразователями кристаллов.
82
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.4. Форма для заливки металла и получения
литой заготовки:
1 — слой кварцевого песка, смоченного жидким стеклом;
2 — набивка из отходов керамики размером от 5 до 30 мм;
3 — литейная форма из огнеупорной керамики для получения заготовки типа диска ротора для турбонасосного
агрегата к ЖРД; 4 — стенка опоки; 5 — керамическая
пробка; 6 — холодильник
Для того чтобы контакт с расплавом металла не вызывал химических взаимодействий, диффузионных и сорбционных процессов взаимонасыщения, используют защитные среды (вакуум и инертные газы) и материалы оснастки.
В целях компенсации усадки, исключения микро- и макродефектов структуры материала и повышения точности получаемой формы заготовки и ее
размеров создают давление в расплаве. Для этого используют гидростатическое
давление столба расплавленного металла в литниковой системе (рис. 3.4)
и центробежные силы, а также применяют электромагнитный кристаллизатор.
Для плавления металлов, в том числе тугоплавких, используют эффективные источники теплоты: электродуговую плавку, индукционный, электроннолучевой и плазменно-дуговой нагрев.
В объеме расплава путем предварительного нагрева формы и направленной
кристаллизации в термостатированной изложнице управляют температурным
полем.
В отраслевом машиностроении предпочтение отдают точным видам литья,
среди которых литье по выплавляемым моделям, в оболочковые формы
и в кокиль. Первые два вида литья основаны на использовании одноразовых
форм из керамических композиционных материалов, а третий — из многократно используемых металлических форм.
Для литья по выплавляемым моделям предварительно изготовляют модель
будущей отливки из материалов, которые возможно точнее могли бы ее воспроизвести по форме, размерам и по качеству поверхностного слоя, а потом
легко удалялись. Основным материалом служит стеарин-парафиновая масса,
высокотехнологичная при формовании отдельных частей модели и сборке (тепловой сварке) из них сложных конструкций моделей. Реже используют модели,
получаемые вспениванием полимеров в форме и заливкой в нее расплавов солей.
Изготовленную модель покрывают слоем керамики, которая станет стенкой
формы для кристаллизации отливки. Технология формирования слоя керамики толщиной 3 мм представляет собой многопереходное последовательное
осаждение слоя керамической связки (жидкое стекло 20 % и вода 80 %) методом окунания модели и нанесение слоя порошкового наполнителя (смесь
кварца 90 %, каолина 7 % и графита 3 %) методом псевдоожижения, с промежуточными сушками на воздухе по 2…3 ч и окончательной сушкой всей
3.2. Пластическое деформирование
83
многослойной стенки в течение 5…6 ч. Эффективность сушки возрастает
в присутствии паров аммиака.
Из полученной керамической оболочки удаляют модельную массу (выплавляют, растворяют, выжигают), а керамику подвергают обжигу (прокаливают при температуре 800…850 °С в течение 3…5 ч). Теперь форма готова
к заливке металла. Стенку крупных форм подкрепляют установкой их в опоку
с засыпкой промежутков между поверхностями дроблеными фракциями отходов керамики.
Материалами форм оболочкового литья служат ПКМ (бакелит 8… 5%
и маршалит 92…95 %) или графит (нефтяной кокс 90 % и каменноугольный
пек 10 %). Из массы этих полуфабрикатов прессуют открытые оболочки будущих форм и термически их обрабатывают (соответственно полимеризуют при
температуре 300 °С в течение 1…2 мин для стенки толщиной до 6 мм или спекают при температуре 800 °С в течение 5 ч). Пару отформованных оболочек
механически скрепляют между собой и в полость между ними заливают металл.
Материалами кокилей могут служить алюминиевые и никелевые сплавы,
жаростойкие стали. Попарно собранный кокиль образует внутренний объем,
используемый для заливки металла. Поверхностная теплозащита кокиля может
быть выполнена напылением керамики (корунд, магнезит и др.) плазменным
методом.
Отлитые заготовки подвергают слесарной обработке: освобождают от материала формы, отрезают литниковую систему, зачищают облой и поверхностные дефекты. Наличие внутренних дефектов выявляют методами рентгенографии и ультразвуковой дефектоскопии. Поверхностные дефекты в ответственных
отливках после литья по выплавляемым моделям контролируют методами
люминесцентно-цветной дефектоскопии. Качество заготовки удостоверяется
клеймом отдела технического контроля (ОТК).
3.2. Пластическое деформирование
3.2.1. Холодное и горячее деформирование
Природа пластической деформации состоит в сдвиге (смещении) атомных
слоев — одного относительно другого — на такое расстояние, на котором
продолжают действовать силы взаимодействия ионов в кристаллической решетке. При большем сдвиге кристалл разрушается. Теоретическая прочность
кристалла составляет 10 % модуля упругости материала, а реальная, сниженная
наличием дефектов (дислокаций и вакансий) в кристаллической решетке, —
1,0…0,1 % модуля упругости. Технологически пластичность материала заключается в способности приобретать остаточные деформации без разрушения.
Пластические свойства материала оцениваются следующими параметрами:
относительными удлинением ε и сужением ψ, удельной ударной вязкостью
KC, пределом прочности на сдвиг σсдв, модулем сдвига G, твердостью Н,
пределами прочности σв, текучести σт и их отношением σт /σв ≤ 0,65.
84
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
На формирование свойства пластичности оказывают влияние химический
состав и структура сплава. Наличие углерода, оксидов, сульфатов и силикатов,
а также крупнозернистость структуры ухудшают пластичность.
Резкое изменение пластических свойств материала зависит от температуры.
С нагревом прочность материала снижается, а пластичность растет, начиная
с температуры Трекр рекристаллизации и вплоть до температуры Тпл плавления.
С уменьшением сопротивляемости нагретого металла пластическому деформированию снижаются требования по мощности используемого оборудования
и расширяется область применения метода пластического деформирования —
она распространяется на сложные заготовки и на заготовки из труднодеформируемых материалов.
Деформирование при комнатной температуре (без нагрева) или при температуре ниже температуры рекристаллизации (Т рекр = 0,4Тпл) называется
холодным деформированием и сопровождается интенсивным деформационным упрочнением. Это упрочнение связано с измельчением структуры материала и накоплением в нем дефектов до уровня, при котором происходит
разрушение материала. Такой механизм называется наклепом; его предельное
состояние достигается при увеличении поверхностной плотности числа дислокаций до 1013 на 1 см2 и возрастании внутренних остаточных напряжений
приблизительно до 1 ГПа.
При условиях, далеких от условий разрушения материала, можно осуществить холодное деформирование в пределах до 75 % разрывной деформации
(75 % — это максимум, надежнее — 60 %) для соответствующего металла
и за один технологический переход получить про стую заготовку.
Ниже приведена практически рекомендуемая (числитель) и предельно допустимая (знаменатель) пластическая деформация металлов, %:
Алюминий ...................................................................................... (80…90)/(85…95)
Медь ............................................................................................... (75…85)/(80…90)
Никель и железо ........................................................................... (40…75)/(55…85)
Для изготовления более сложной заготовки нужно предварительно снять
наклеп, который существует до температуры 260 °С и пропадает при нагреве
до 425 °С. После такого отжига материал можно снова подвергнуть холодной
пластической деформации, но в пределах 60 % разрывного значения. Далее,
чередуя термическую и деформационную операции, следует проводить деформирование многократно (многопереходная вытяжка) до получения заготовки
необходимой сложной формы.
Холодному деформированию в штампах сопутствует явление упругого
пружинения, при котором отштампованная деталь после извлечения из штампа демонстрирует изменение своей формы и размеров. После снятия внешней
нагрузки форма пластически деформированного элемента вследствие упругого восстановления изменится: стенка распрямится, повернувшись на соответствующий угол (Δφ = 1,5…6° для мягких металлов и 15…26° для жестких
сплавов), т. е. деталь окажется неточной.
Остаточный радиус rг гиба всегда будет больше радиуса r кривизны под
нагрузкой, причем между ними существует зависимость
3.2. Пластическое деформирование
1
1 M
= −
,
rг
r EI
85
(3.1)
где М — изгибающий момент; Е — модуль упругости материала; I — момент
инерции поперечного сечения стенки.
Ослабить влияние упругого пружинения можно следующим путем:
• применить возможно меньший радиус гиба, rг = (0,4…3,0)δст , где δст —
толщина стенки;
• предусмотреть в изделии ребра, бурты и другие элементы жесткости
высотой (3…5)δст;
• использовать материал с минимальными пределом текучести и отношением σт /σв;
• уменьшить деформационное удлинение;
• выполнить гибку стенки с одновременным ее растяжением;
• учесть возникающие вследствие упругого пружинения погрешности
в форме и размерах конструируемого штампа;
• применить давление формования, рекомендованное для соответствующего металла (310 МПа для магния, 460 МПа для алюминия, 775 МПа для
бериллия, 1080 МПа для молибдена и титана, 1240 МПа для сталей).
Упругое пружинение можно устранить, применив импульсные (высокоскоростные) методы холодного деформирования.
Для пластического деформирования рекомендованы специальные марки
металлов, называемые деформируемыми. Использовать для этих целей литейные сплавы не рекомендуется.
На качество заготовок, полученных холодным деформированием, влияют
многие технологические факторы:
• неоднородность температурного поля в объеме материала вследствие внутреннего саморазогрева, достигающего 100 °С при деформировании тонкой стенки (1 мм) на скорости 0,3 м/с. С такой неоднородностью связана неоднородность
деформации, а также эффективность деформационного упрочнения (нагартовки)
материала и анизотропия этого эффекта;
• изменение условий поверхностного трения заготовки в штампе вследствие обновления поверхностей контакта под действием напряжений деформирования и сдвига (скоростной фактор), вследствие масштабного эффекта от
критического объема металла в частях разнотолщинной заготовки и накапливаемых в ней дефектов, а также в зависимости от характера внешней среды
(шероховатость поверхности, применяемая технологическая смазка, используемые химико-термические методы подготовки поверхности заготовки и инструментального штампа);
• рациональность выбора штампуемых деталей (простые формы, симметричные, без резких переходов толщины, без консольных выступов, длинных
и узких прорезей, большого числа отверстий);
• эффективность построения выбранного технологического процесса пластического деформирования.
86
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Для экспериментальной оценки пластических свойств материала используют технологические проверки:
• на вытяжку сферической лунки по Эриксену;
• на расплющивание заклепки;
• по методике визиопластичности;
• по микрошлифам.
В производственных условиях уровень деформирования материала при
формовании из него определенной конструкции оценивают с помощью коэффициента вытяжки, представляющего собой отношение одного из характеристических размеров (диаметра, толщины, длины) заготовки и детали:
Kвыт = Dзаг /dдет ,
где Dзаг , dдет — диаметр заготовки и детали соответственно.
Основное оборудование для пластического деформирования — прессы и
молоты, с их помощью осуществляются штамповка и ковка. Штамповка —
это обработка давлением при ограничении течения металла, определяемом
формой и размерами полостей (ручьев) рабочего инструмента (штампа). Ковка — это обработка давлением при отсутствии ограничения течению металла
в направлениях, перпендикулярных прикладываемым деформирующим силам.
Холодное деформирование как прогрессивное направление пластического
деформирования обладает некоторыми д о с то и н ствами:
• высокой производительностью труда;
• низкой себестоимостью продукции;
• высоким значением коэффициента Kи.м использования материала (на
10…30 % выше, чем при горячем деформировании, и в 2–3 раза выше, чем
при механической обработке);
• деформационным и ориентационным структурированием материала заготовки, сопровождаемым увеличением прочности, и возможностью дополнительного упрочнения наклепом (нагартовкой).
Используют технологии как листового, так и объемного деформирования.
При листовом деформировании (табл. 3.2) заготовки получают следующими
способами:
1) обтяжкой технологической формы;
2) гибкой на трех- и четырехвалковых станках, в жестких штампах;
3) вытяжкой однослойных и биметаллических днищ жестким пуансоном
с противодавлением жидкой или эластичной среды, жидкостным (гидроформование) или эластичным (резина, полиуретан) пуансоном (рис. 3.5);
4) многопереходной реверсивной ступенчатой вытяжкой в жестких штампах (рис. 3.6);
5) импульсным деформированием (взрывом, электрогидравлическим или
магнитно-импульсным) оболочек;
6) штамповкой (детонационной) газовым пуансоном;
7) калибровкой оболочек;
8) газостатическим формованием оболочки в условиях сверхпластичности
(рис. 3.7).
10
Цветные
1,5
2,0
Г
0,4…0,9
0,4…0,8
Ж*
Г*
0,3…0,8
0,3…0,7
за переход
ср
K выт
Средний
коэффициент вытяжки
(1,2…8,0)S
(9…14)S
( 0, 3…3, 0 ) S
( 0, 5…7, 0 ) S
( 0, 3… 4, 0 ) S
( 0, 9…6, 0 ) S
Г
Ж**
min
поперек волокон металла rг
Минимальный радиус гиба листов
(1,2…3,5)S
(1,2…8,0)S
отбортовки rотб
(3…10)S
(2…8)S
сопряжений rс
Радиус
Более высокие значения относятся к металлам в отожженном состоянии и менее прочным. Коэффициент вытяжки на втором и последующих переходах на 15…20 % меньше, чем на первом.
**
В числителе — отожженное состояние металла, в знаменателе — наклепанное. Более высокие значения относятся к более прочным
материалам. При гибке листов вдоль волокон металла табличные значения увеличиваются в 1,8–2 раза, при гибке с нагревом — уменьшаются в 1,7–1,8 раза.
*
10
Ж
Черные
Штампуемые
металлы
Толщина
штампуемых листов
S, мм, до
Основные характеристики листовых холодноштампованных заготовок
(вытяжка и гибка жестким (Ж) и гидроэластичным (Г) пуансоном)
Таблица 3.2
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
88
Рис. 3.5. Штамповка днищ:
а — в штампах без прижима; б, в — в штампах с прижимом заготовки
и противодавлением эластичной и жидкой среды соответственно; г —
в жесткой матрице эластичным пуансоном
Холодное объемно е деформирование представлено такими процессами:
1) проходным прессованием прутков и профилей через фасонные пресс-шайбы;
2) поковками и штамповками, получаемыми в инструментальных штампах
на молотах и прессах, многоплунжерных прессах, пневмомеханических машинах.
Развальцовки и отбортовки дополняют картину холодного деформирования
(рис. 3.8).
Горячее деформирование имеет следующие д о с то и н с т ва:
• расширенные возможности применения значительных степеней деформирования* металлов, в том числе труднодеформируемых;
• сниженные уровни давлений и усилий, требуемых для пластического
деформирования, уменьшенная опасность технологического разрушения;
*
Степень деформирования — это отношение объема металла, перемещенного в процессе деформирования, к его полному объему в исходной заготовке.
3.2. Пластическое деформирование
89
Рис. 3.6. Варианты исполнения многопереходной реверсивной ступенчатой вытяжки
в жестких штампах:
1 — пуансон со сменными вставками для трехпереходной вытяжки; 2, 3 — направляющие
штыри; 4 — плита прижима пресса двойного действия; 5 — прижимное кольцо; 6 — нижняя плита прижима у пресс-формы; 7 — деформируемая заготовка; 8, 10 — сменные вытяжные
ребра пресс-формы; 9 — сменная вставка пресс-формы; 11 — верхняя плита пресса;
12, 19 — прижимы; 13 — вставка 4-го перехода; 14, 20, 21 — вытяжные ребра; 15, 22 — корпуса пресс-формы; 16 — сменный пуансон 4-го перехода; 17 — матрица 4-го перехода (выворачивание); 18 — плита пресса; 23 — пуансон; 24 — калибровочная матрица
• благоприятные условия для структурирования металла (мелкое зерно
и продольное волокнообразование) с выраженной анизотропией свойств;
• температурные возможности деформирования в условиях сверхпластичности при полной (выше 0,7Тпл) или неполной ((0,3…0,5)Тпл) рекристаллизации
металла.
Горячее деформирование предполагает глубокие структурные преобразования материала и получение деталей с большой (до 90 %) степенью деформирования. С повышением температуры в материале изменяются кристаллические структуры (явление аллотропии, или полиморфизм), обозначаемые
греческими буквами α, β, γ и т. д., при этом наблюдаются упрощение кристаллической структуры и снижение энергии сдвига атомных слоев, т. е. повышение способности материала к пластическому деформированию.
Несмотря на то что нагрев благоприятствует росту зерен и увеличению
скорости рекристаллизации структуры металла, пластическая деформация сопровождается их измельчанием и структурированием волокон вдоль направления
90
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.7. Сверхпластичная штамповка газовым пуансоном:
1 — заготовка; 2 — деталь
Рис. 3.8. Схемы развальцовки и отбортовки:
а — раскаткой; б — давлением; в — развальцованная заготовка;
1 — зажим; 2 — оправка; 3 — ролик; 4 — пуансон
деформирования, и эффективность этих процессов тем выше, чем выше степень
деформирования. При этом важен температурно-скоростной фактор процесса:
температура программируется с учетом объема материала и поддерживается с
точностью ±10 °С. Особенности горячего деформирования приведены в табл. 3.3.
Нагрев заготовок ведется в электрических и газовых печах, индукторах и
газостатах. Рабочая среда — воздух, защитные среды (аргон, вакуум, технологические смазки, герметизированные «конверты»).
Благодаря специфике получаемого высокопрочного материала горячее
деформирование представляет собой эффективный метод формообразования
заготовок как из листа, так и из объемных поковок:
1) прокаткой листов (гладких и оребренных), толстостенных колец, труб,
профилей разных сечений;
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
3.2. Пластическое деформирование
91
Таблица 3.3
Основные характеристики объемных горячих штамповок
Штампуемые
металлы
Температура
деформирования, °С
Степень
Точность
деформиполучаемых
рования
размеров,
за переход, %
мм, до
Черные
700…1200
20…95
Цветные
150…850
25…85
На прессах
+(0,6…2,1);
–(0,3…1,1)
На молотах
+(2…13);
–(2…5)
Штамповочные
уклоны, град
Наружные
(0,25…10) ±
±(20′…1°30′)
Внутренние
(2…15) ±
±(20′…1°30′)
Радиус
сопряжения,
мм*
На прессах
2…12
На молотах
5…25
*
Для высокопрочных сталей и титановых сплавов табличные значения увеличиваются
на 20…30 %. Радиус закругления равен 1…5 мм.
2) ковкой кольцевых профилей на технологических оправках;
3) изотермической штамповкой на прессах выдавливанием в штампах;
4) изостатическим прессованием в матрицу;
5) термопрессованием оболочек (цилиндрических и конических) с формованием на их внутренней поверхности ребер жесткости в виде вафельных ячеек,
для чего гладкую алюминиевую оболочку размещают между двумя стальными
формами (наружной — цельной и гладкой, внутренней — разборной с фасонной
поверхностью). Эту жесткосвязанную между собой конструкцию нагревают
в печи. Формование «вафель» происходит за счет различия значений температурного коэффициента линейного расширения сталей наружной и внутренней
форм;
6) ротационной вытяжкой или раскаткой с утонением, распространенной
в производстве бесшовных цельнокатаных оболочек (цилиндрических и конических) заодно с днищем и стенками постоянной или переменной толщины
(рис. 3.9). Вытяжка осуществляется локально в кольцевом поясе исходной
заготовки, расположенной на вращающейся технологической оправке, под
воздействием поперечных и продольных усилий одного или двух-трех инструментальных роликов. Очаг деформации узок (30…60 мм), он нагревается
с помощью газопламенной горелки или индукционным методом. Оболочки
получают диаметром до 3 м и длиной до 5 м с высокими качественными
показателями по толщине стенки ±5 % и шероховатости поверхности (Rz =
= 20 мкм и Ra = 0,32 мкм);
7) штамповкой в условиях сверхпластичности, т. е. в том случае, если
имеется возможность получения сложных объемных заготовок с тонкими
(0,8…1,0 мм) протяженными ребрами и другими элементами формы при весьма малых напряжениях деформирования (55…280 МПа) и больших деформациях (до 1800 %). Для осуществления процесса необходимо соблюдение
следующих условий:
92
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.9. Ротационная вытяжка конических деталей:
а — схема процесса (1 — листовая заготовка в начале раскатки; 2 — полученная
раскаткой коническая заготовка; 3 — технологическая оправка; 4 — раскатные
ролики; 5 — прижим); б — технологические переходы от заготовки к детали (Dзаг
и S0 — диаметр и толщина заготовки; F — сила прижима; P — продольное усилие; Dy — ширина элементарного кольца; Sпi, Lпi, aпi — соответственно толщина,
высота и угол наклона образующей полуфабрикатов 2 и 1; Dmax — максимальный
диаметр обработки; Dд max и Dд min — максимальный и минимальный диаметр
детали; S и Sо — толщина и осевая толщина детали; Dy1 — длина образующей
элементарного конуса; a — угол наклона образующей детали; Lд и Lд.п — высота детали и высота раскатанной детали с припусками)
3.2. Пластическое деформирование
93
• изотермическое поддержание температурного интервала фазового перехода у соответствующего металла (у сталей и никелевых сплавов 800…1100 °С,
титановых сплавов 850…950 °С, медных сплавов 550…800 °С, алюминиевых
и магниевых сплавов 250…400 °С);
• мелкозернистая структура металла, полученная термообработкой (закалкой со старением, скоростным рекристаллизационным отжигом), термомеханической обработкой или по технологии порошковой металлургии;
• малая скорость деформирования (10–4 с–1) для обеспечения равномерного распределения интенсивности деформаций в объеме металла;
8) гидроэкструзией (гидропрессованием) профилей (сплошных и пустотелых) с контурами, заданными профилем пресс-шайбы, через которую пластически продавливается металл. Давление создается шнек-прессами с усилием
20…300 МН и скоростью деформирования 2…250 м/мин. Размеры профилей
из сталей и алюминиевых, магниевых, титановых сплавов с ребрами толщиной
и шириной 2…4 мм достигают в диаметре 1 м при длине до 6 м.
3.2.2. Особенности литья и деформирования активных металлов
Ракетно-космическая отрасль в значительной степени потребляет активные
металлы (титановые сплавы, сплавы тугоплавких металлов и др.), особенности
литья и ковки которых должны быть учтены.
Жидкий магний Mg активнее расплава алюминия Al. Разлив Mg ведут в
вакууме или инертной атмосфере, а поверхностную защиту расплава можно
осуществлять флюсами. Минимальная толщина стенок отливок 2…6 мм, а под
давлением 1…3 мм. При заливке Mg в форму требуется более высокая скорость
впуска металла (4…7 м/с), чем при литье Al. В отличие от алюминия магний
технологически малопластичен, и его обработка давлением всегда ведется
с нагревом избирательно к характеру действующей нагрузки. Наиболее благоприятны для этого условия всестороннего сжатия, например, при прессовании,
когда можно вести процесс прямым и обратным методом с подогревом прессформы до температуры 300…500 °С при небольших скоростях деформации
0,2…2,0 м/мин и степени обжатия 70…90 %.
Прокатку Mg проводят при температуре 340…400 °С, а в конце процесса
не ниже 230…250 °С со степенью обжатия за проход 3…15 %.
Листовую штамповку Mg осуществляют при 230…240 °С с применением
сухой смазки — мыльного порошка. Для более высоких температур штамповки
(300 °С) следует применять графитовую смазку или дисульфид молибдена
в смеси с 20 % жира. Для листовой штамповки Mg толщиной до 25 мм используют резину при 300 °С. После штамповки деталь подвергают травлению
и оксидированию. Резины хватает на четыре-пять штамповок. По технике
безопасности на рабочем месте должен находиться запас флюса для тушения
огня. Ковка Mg нежелательна.
Бериллий Ве плавят в тиглях (из оксида Ве или в графитовых) при температуре 1140…1280 °С в вакууме или инертной атмосфере. Ввиду малой
пластичности бериллий с трудом поддается деформированию даже в нагретом
94
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
состоянии. Литой Ве имеет очень низкую пластичность (0,3…5,0 %) и может
подвергаться деформированию только после предварительной подпрессовки
заготовки (50:1). Процесс выдавливания ведут в оболочке из малоуглеродистой
стали (конверте) при температуре 1050 °С (что выше Трекр), коэффициенте
обжатия 12:1 с последующим отжигом при температуре 760 °С. Выдавливание
возможно и при пониженной температуре (430 °С) с коэффициентом обжатия 5:1,
но для этого требуются значительные усилия деформирования (500 МПа).
При легировании литого бериллия Ве примесями кальция, иттрия, титана
и циркония жаропрочность и длительная прочность увеличиваются, а пластичность и вязкость снижаются.
После предварительной подпрессовки проводят прокатку листов при температуре 800…900 °С, но не выше 1075 °С, когда наблюдается тенденция
к схватыванию Be со сталью конверта. Степень обжатия за проход составляет
8…15 % толщины листа.
Теплая прокатка при температуре 300…450 °С (область наибольшей пластичности) возможна без конверта в нагретом (250…300 °С) штампе, так как
окисление Ве незначительно, но требует больших давлений деформирования
(250…500 МПа). При этом зерна металла измельчаются и поверхность детали
получается более чистой. За переход возможно обжатие на 40…50 %. После
промежуточного отжига переходы повторяют, а окончательный отжиг проводят
при Т = 700…750 °С, т. е. ниже Трекр = 800…850 °С (коэффициент вытяжки
Kвыт = 1,5…1,6; коэффициент отбортовки Kотб = 1,25…1,33). Для поддержания
заданной температуры применяют дополнительные промежуточные нагревы.
Во избежание коробления скорость охлаждения листов должна быть небольшой.
Горячую штамповку проводят в закрытых штампах при температуре
400…600 °С. Для защиты бериллиевых деталей при нагреве до 700…800 °С
на воздухе используют силикатные эмалевые покрытия.
Термообработка бериллия — это в основном отжиг в вакууме (10…100 МПа)
при температуре 800…850 °С в течение 2 ч.
Эксплуатационные свойства бериллия улучшаются путем его плакирования
более пластичным металлом.
Ковку проводят при температуре 900…1100 °С в стальных (а также никелевых и титановых) обоймах толщиной 12 мм со степенью обжатия 10…85 %
подогретым инструментом, но качество может быть низким. Получают прутки,
трубы, лист, полосу, ленту. Соотношение длины исходной заготовки и конечного прутка обычно не превышает 1:1000. Скорость волочения 10…20 м/мин.
Степень обжатия за проход 10…20 %. Экструзию профилей из порошкового
бериллия проводят при 900…1070 °С, но можно и при 425…450 °С, только
с бóльшими усилиями (30 кН при 1070 °С, 65 кН при 425…450 °С).
Порошковый Ве, спрессованный в вакууме и подвергаемый горячему выдавливанию при температуре 1050…1070 °С с последующим отжигом, имеет
наибольшую пластичность (удлинение на 15…20 % больше в направлении
выдавливания). Этот металл можно деформировать без предварительной подпрессовки и получать более сложные и крупногабаритные заготовки деталей.
3.2. Пластическое деформирование
95
Наибольшей пластичностью (15…16 %) обладает Ве, полученный прессованием (выдавливанием) в вакууме с последующим отжигом. Литой выдавленный
Ве по механическим свойствам уступает порошковому металлу. Относительные
удлинения составляют 2…3 % у литого Be против 5…20 % у порошкового.
Фольгу толщиной до 0,25 мм получают, катая горячекатаные листы при
температуре ниже Трекр. Степень обжатия за проход составляет 10 %. Отжиг
проводят при температуре 600…800 °С.
При деформировании Ве опасны концентраторы напряжений. Гибку Ве
проводят до rгmin = (5…6)S, где S — толщина листа.
По обработке давлением цирконий Zr аналогичен титану. Нагрев заготовок
лучше проводить в вакууме или в печах с инертной атмосферой. Очень крупные
слитки нагревают в открытых печах, но в стальной герметичной оболочке,
защищающей от окисления. Нагретый таким образом до 850 °С слиток проковывают в плоскую заготовку толщиной 50 мм, которую затем прокатывают
с обжатием за проход 10…15 % до толщины 3,5 мм (для чего применяют промежуточный нагрев до 850 °С). Затем защитную оболочку удаляют. Полученный
лист используют в производстве либо из него последующей прокаткой при
300…450 °С получают еще более тонкие листы толщиной 2,50…0,125 мм. Для
этого требуется 80…90 проходов с промежуточными отжигами в вакууме при
850 °С или на воздухе при 700 °С в течение не более 1 мин.
При небольших масштабах производства иногда применяют горячую прокатку слитков без защитной оболочки, нагревая их при этом не выше 650 °С.
Образующуюся поверхностную окалину удаляют травлением в 50%-ной азотной кислоте, что вызывает излишнюю потерю металла. Тонкие листы надлежащего качества получить при этом не удается.
От налипания на детали штампа цирконий защищают смазкой — твердым
натуральным воском. При волочении степень обжатия за проход составляет
16 %. Проволоку из Zr протягивают до диаметра 0,12 мм.
Обработка давлением в холодном состоянии (Т < Трекр) вызывает быстрый
наклеп металла. Его снимают промежуточным отжигом при 500 °С в течение
не менее 10 мин. Холодная деформация особенно упрочняет Zr при малых
степенях обжатия — до 20 %. В зависимости от степени деформирования изменяется и температура рекристаллизации Zr:
• при 10%-ной деформации Трекр = 590 °С;
• при 85…90%-ной деформации Трекр = 450 °С.
Для изготовления труб и сложных профилей применяют метод выдавливания (экструдирования).
Деформировать гафний Hf труднее, чем цирконий, так как для его ковки
и прокатки в защитной оболочке требуется более высокая температура
(900…1100 °С). Металл сильно и быстро наклепывается и налипает на инструмент.
Холодной прокаткой (Т < Трекр) можно достичь степени деформирования
не более 30 %, причем несколькими переходами по 5…7 % за переход с промежуточным отжигом при температуре 800…840 °С в течение 10 мин.
96
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Фольгу толщиной до 0,05 мм получают из листов, подвергаемых механической обработке и химическому полированию, путем последующей холодной
прокатки.
Проволоку волочат из заготовки, получаемой горячей прокаткой при температуре 980 °С и последующей пескоструйной обработкой и химической
очисткой (полированием). Затем наносят слой электролитической меди, покрывают обожженной известью и выполняют холодное волочение. Степень
обжатия за проход составляет 10…20 % с последующим отжигом при температуре 760 °С в течение 10 мин после каждого обжатия, вплоть до степени
деформирования 35 %.
3.3. Механическая обработка
3.3.1. Оборудование и инструментальные материалы
Инструменты и оборудование. Размерная механическая обработка в современном машиностроении доминирует среди методов формообразования
деталей, и в общей трудоемкости производства изделий ее доля составляет
30…40 %. Этот метод отличает многообразие возможных видов обработки
различным инструментом — лезвийным (резцы, фрезы, протяжки, долбяки),
осевым (сверла, развертки, зенкеры, зенковки, цековки) и абразивным (круги,
бруски, пасты, шкурки). Кроме того, в заготовительном производстве широко
используют механические пилы и гидроабразивную резку, а для поверхностной
обработки материалов — пневмо- и гидроструйную абразивную обработку.
Механическая обработка позволяет получить детали с наивысшей точностью форм и размеров и минимальной высотой микронеровностей и толщиной
дефектных слоев на поверхностях. Кинематические схемы контакта инструмента с обрабатываемым материалом представлены частными решениями вида
обработки: токарная, фрезерная, шлифовальная и др. На предприятиях, выпускающих ракетно-космическую технику, структура оборудования такова:
токарные (34 %), фрезерные (18 %), сверлильные (18 %), шлифовальные (13 %),
прочие станки (17 %), в том числе для физико-химической обработки (ФХО)
(1,3 %).
Физико-химические методы (ФХМ) используют в основном следующие
виды энергии, подводимой в зону обработки: электрическую, тепловую, химическую и лишь в незначительной степени — механическую. Доля станков
для ФХО невелика, но роль их трудно переоценить. Они открыли новые возможности формообразования сложных конструкций из труднообрабатываемых
материалов и с высокими качественными показателями. Кроме станков для
ФХО в группу «Прочие станки» входит оборудование для комбинированной
обработки, в которой задействованы различные сочетания процессов из комплексов механических методов и ФХМ. Эффективность комбинированной
обработки в соответствии с синергетическим принципом оказывается существенно большей, чем сумма эффективностей составляющих процессов.
3.3. Механическая обработка
97
Изобретение А.К. Нартовым в XVIII в. суппорта к токарно-копировальному станку позволило воспроизводить на нем все шесть простейших геометрических фигур, из которых состоят детали (плоскость, цилиндр, конус, сфера,
круг, линия). В токарно-винторезном станке Г. Модсли (1800 г.) были уже все
основные элементы современных станков. Обширный перечень станков
и комплексов, созданных на их основе, включает, в частности:
• мощное производственное оборудование;
• точные прецизионные станки;
• комбинированное оборудование с интенсификацией процесса резания
вибрациями, пластическим деформированием, нагревом-охлаждением, введением поверхностно-активных веществ (ПАВ);
• комплексно-автоматизированные гибкие производственные системы.
Механообрабатывающие станки в отраслевом машиностроении отражают
высокий уровень качества получаемой продукции и гибкость адаптации
к меняющимся производственным задачам. Новые многоцелевые токарные
(1ИС611ВФ-1), фрезерные (ГФ2117Ф3), шлифовальные (3М162В) и другие
станки оснащены системами ЧПУ с унифицированными измерителями размера и системами цифровой индикации. Фрезерные станки оснащают вращающимся столом и сменными палетами (рис. 3.10). Производительность таких
станков увеличена в 2–3 раза.
Дальнейшее развитие получили
агрегатные станки, число инструментальных головок у которых достигает
шести; схемы выполняемых операций
различны.
Отечественная промышленность выпускает автоматизированные обрабатывающие центры (ОЦ) типа ИСБ-1200
(рис. 3.11) со столами размером от
1250×1400 до 3000×3500 мм и перемещениями по горизонтальной оси до
8 м, а по вертикали до 2,5 м.
На столе размещают палеты размером от 320×320 до 1200×1200 мм.
У этих ОЦ мощный привод (30 кВт),
крутящий момент 1400 Н · м, частота
вращения шпинделя 6000 мин–1 и высокая скорость установочных перемещений
(30 м/мин). В производстве утвердилась многоинструментальная обработка,
магазин на 98 инструментов позволяет
выполнить полную обработку детали
с одной установки. Зона резания станка
Рис. 3.10. Вертикально-фрезерный
закрыта ограждением кабинетного типа.
станок фирмы JET (США)
98
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.11. Обрабатывающий центр ИСБ-1200
(Иваново, Россия)
Рис. 3.12. Операции, выполняемые на токарном станке с двумя
револьверными головками и иструментальным шпинделем:
а — точение в обоих направлениях левым и правым обточными резцами;
б — фрезерование торцевой фрезой поверхности детали, установленной
в двух шпинделях; в — фрезерование пальцевой фрезой шпоночного паза;
г — одновременная токарная обработка детали (расточка отверстия)
и работа осевым инструментом (сверление отверстия), а также наружная
обточка одной детали и подрезка торца на другой детали
3.3. Механическая обработка
99
Большие возможности имеют токарные станки с двумя револьверными
головками и инструментальным шпинделем с магазином инструментов, позволяющим выполнить полную обработку детали с одной установки (рис. 3.12):
• точение в обоих направлениях (а);
• сверление и фрезерование детали, зажатой в двух шпинделях (б, в);
• одновременно токарную обработку одной детали и токарно-фрезерную — другой (г);
• обработку в одном шпинделе в сочетании со сменой инструмента
в другом;
• использование одной револьверной головки в качестве люнета.
Новым решением использования таких станков явилось создание механообрабатывающих автоматизированных комплексов (МАК), гибких автоматизированных комплексов (ГАК), робототехнических комплексов (РТК), представляющих собой автоматизированную технологическую линию по производству
сложных деталей определенной номенклатуры — от установки заготовки до
складирования готовой продукции на складе-штабелере. Трудоемкость обработки детали в МАК в 6 раз ниже, чем на универсальных станках.
Инструментальные материалы. Такие материалы представлены четырьмя
классами:
• быстрорежущие стали (БС);
• твердые сплавы (ТС);
• сверхтвердые материалы (СТМ);
• минералокерамика (МК).
Быстрорежущие стали — основной инструментальный материал не только среди инструментальных сталей, но и среди других материалов.
Применение БС для лезвийных инструментов, используемых в механической обработке, позволяют выполнять ее на более высоких (в 2–3 раза) скоростях и в более напряженных температурных условиях, характерных для
труднообрабатываемых конструкционных материалов, чем в случае применения других инструментальных сталей (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Некоторые свойства инструментальных сталей основных классов
Инструментальные
стали
Углеродистые
Легированные
Быстрорежущие
Типичные марки
сталей
Предельная температура
эксплуатации Тэкспл, K
Скорость резания
v, м/мин
У10, У12А
9ХС, ХВГ
Р9К5, Р12Ф3К10М3
473...523
573...623
773…1020
До 18
Более 30
Более 78
Высокие инструментальные свойства БС достигнуты путем значительного
и комплексного легирования такими элементами, как вольфрам, молибден,
кобальт, ванадий, хром и др. Примерный общий химический состав (в %) БС
выглядит так: W — 2,5...18,5; Mo — 0,3...6,0; Co — 4,8...35,0; V — 0,6...5,1;
Cr — 3,0…4,6; Ni — 0,4; Mn — 0,5...0,8; Si — 0,5...0,9; C — 0,34...1,6; S —
0,025...0,03; P — 0,03...0,035; N — 0,05...0,35.
100
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Основные сведения о составе БС сообщаются в обозначении ее марки
в виде буквенного индекса важнейших легирующих элементов и следующей
за ним цифры, которая указывает округленные до целого числа проценты содержания этих элементов. Для обозначения элементов химического состава
БС принято использовать следующие буквы:
Р — вольфрам;
М — молибден;
К — кобальт;
X — хром;
А — азот;
Ф — ванадий;
С — кремний;
Ю — алюминий.
Например, такие марки БС, как Р18, Р6АМ5, Р9К5, содержат указания на
то, что среднее массовое содержание в них вольфрама составляет соответственно 18, 6 и 9 %. В стали марки Р6АМ5 присутствуют азот и 5 % молибдена, а в стали марки Р9К5 — 5 % кобальта.
В обозначении марок сталей не указывается наличие в них многих легирующих элементов, массовое содержание которых не превышает 1 %.
Буквы Ш и МП в конце обозначения марки БС указывают на метод получения стали (электрошлаковый переплав и порошковая металлургия).
Важнейшим легирующим элементом БС является вольфрам W, который
придает сталям свойство жаропрочности. Оптимальное содержание вольфрама — 18 %. В связи с дефицитностью и стратегическим назначением вольфрама остро стоит вопрос о его рациональном использовании. Поэтому БС,
содержащие вольфрам в больших количествах (например, Р18), заменяют на
БС либо с меньшим его содержанием, либо даже не содержащие его совсем.
В какой-то мере заменителем вольфрама стал молибден Mo. Однако такая
замена неравнозначна и вызывает снижение некоторых основных свойств
стали.
В новых составах БС для повышения комплекса их инструментальных
свойств (твердости, износостойкости, предельной температуры эксплуатации,
прочности и др.) широко используют легирование разными химическими
элементами, включая такие редкие металлы, как рений, церий, иттрий, лантан.
Новые марки БС обладают высокими инструментальными свойствами (температура эксплуатации до 1000...1020 K, твердость до 70 НRС, предел прочности при изгибе до 4,4 ГПа, ударная вязкость до 500 кДж/м2) и позволяют
вести механическую обработку на скоростях резания 45…80 м/мин. Стойкость
инструментов из ряда новых БС возросла в 2–3 раза (в некоторых случаях даже
в 5–6 раз) по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18 (табл. 3.5).
По достигнутым свойствам эти БС находятся вблизи верхней границы, определяемой экономической целесообразностью их дальнейшего совершенствования и современными научно-техническими возможностями. Применяются
безвольфрамовые БС типа 12М5Ф3СЮ, безуглеродистые дисперсионно-твердеющие БС типа Р18М7К25, а также порошковые композиции БС типа
Р6М5К5МП, М6Ф1МП, Р0М2Ф3МП с особенно мелким порошком. Эти БС
отличает высокая красностойкость (1020 K) — критерий, характеризующийся
температурой, при нагреве до которой за определенный промежуток времени
3.3. Механическая обработка
101
(например, 3 ч) твердость материала не снижается до принятого уровня (например, до 60 HRC).
Тем не менее БС с высоким содержанием вольфрама сохраняют за собой
области более эффективного использования в некоторых режущих инструментах, например протяжках, метчиках.
Таблица 3.5
*
Относительная стойкость инструмента из БС
Обрабатываемый материал
Марка БС
Р6АМ5
Р9М4К8
1,0
1,5...2,0
Жаропрочные и жаростойкие стали, никелевые сплавы
(деформируемые и литейные)
0,8...1,0
2...3
Высокопрочные стали и титановые сплавы
0,8...1,0
2,5
Коррозионно-стойкие и теплопрочные стали
Такое разнообразие важнейших направлений совершенствования БС отражает важность этого класса инструментальных материалов для механической
обработки.
Конкретные марки БС, рекомендованные для применения в определенных
условиях (обрабатываемый материал, вид, качество обработки), выбирают по
справочникам и нормативно-технической документации.
Резцы для обработки материалов с пределом прочности до 750...800 МПа
часто выполняют из сталей типа Р6М5, Р6М5К5, а для обработки более прочных материалов — из сталей типа Р9К5, Р9М4К8.
Фрезы, сверла, зенкеры и развертки для обработки менее прочных материалов изготовляют чаще всего из БС типа Р6М5К5 и Р9М4К8, а для обработки более прочных материалов — из стали Р12Ф3К10М3. Протяжки и
метчики, особенно используемые при обработке высокопрочных материалов,
целесообразно изготовлять из сталей типа Р18 и Р18Ф2К8М, которые лучше
работают на малых скоростях резания (30...45 м/мин), а при обработке менее
прочных материалов следует использовать инструментальные материалы типа
Р9М4К8 и Р9К5. При этом метчики для работы с высокопрочными материалами целесообразно применять на диаметрах не менее 6 мм.
Твердые сплавы — второй после БС наиболее широко распространенный
инструментальный материал для механической обработки, особенно труднообрабатываемых материалов.
Твердые сплавы не являются в буквальном смысле сплавами, кристаллизующимися из расплава, поэтому их часто называют псевдосплавами. Они
состоят из твердых керамических частиц (обычно карбидов, реже нитридов
или боридов металлов переходной группы), связанных между собой пластичным металлом-связкой.
*
Средние значения стойкости инструмента из конкретной стали по отношению к стойкости
инструмента из стали Р18 для токарных, фрезерных, сверлильных операций и нарезания
резьбы.
102
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
В качестве частиц керамики часто используют карбиды вольфрама, титана,
тантала и карбонитрид титана, а в качестве металла-связки — кобальт, никель,
молибден.
Получают ТС методом порошковой металлургии, включающим операции
смешения порошковой композиции, прессования компактной заготовки и спекания ее в среде водорода при температуре 1173...1423 K без плавления даже
самого легкоплавкого компонента.
Основные компоненты ТС указывают в его маркировке. Буквами обозначают тип керамического наполнителя и металла-связки:
В — карбид вольфрама;
Т — карбид титана;
К — кобальт;
ТТ — одновременно карбид
тантала и карбид титана,
а цифрами — их содержание в ТС.
Цифра, стоящая после буквы К, обозначает процентное содержание этого
металла-связки. Остальная часть состава, дополняющая его до 100 %, приходится на долю керамического наполнителя. Если используют наполнитель
одного типа, например карбид вольфрама, то эта доля в цифрах маркировки
сплава не указывается и относится к нему одному. Сплавы этой группы обозначают ВК.
Если одновременно используют наполнитель двух типов, например карбид
вольфрама и карбид титана, то цифра после обозначения карбида титана относится именно к его содержанию в сплаве, а наличие карбида вольфрама ни
в буквенном, ни в цифровом обозначении не указывается, при этом подразумевается, что его содержание дополняет до 100 % суммарное количество карбида титана и кобальта. Сплавы этой группы получили название ТК.
В большой группе ТС, получившей название ТТК, в качестве керамического наполнителя используются карбиды титана и тантала, суммарное количество которых и указано в цифровом индексе, следующем за буквенным
обозначением. Остальную долю сплава за вычетом содержания металла-связки составляют карбиды вольфрама.
Типичный химический состав ТС каждой из этих трех групп приведен
в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Ориентировочный химический состав основных групп ТС, %
Компонент сплава
Карбид вольфрама WC
Карбид титана TiC
Карбид тантала TaC
Кобальт Co
ВК
ТК
ТТК
97…83
—
0...2
3...15
79...85
15...6
—
6...9
82...56
13…20
2…12
3…12
Подобно применению экономно легированных вольфрамом или безвольфрамовых БС существует тенденция создания и широкого применения ТС,
экономно содержащих карбиды вольфрама или не содержащих их совсем.
3.3. Механическая обработка
103
Кроме того, предпринимаются попытки бережного расходования металласвязки кобальта с заменой его на никель и молибден или частично рений.
В некоторых безвольфрамовых и беcкобальтовых ТС массовое содержание
основных компонентов (в %) лежит в следующих диапазонах:
Карбид титана .............. 25...80
Карбид хрома ............... 60...90
Нитрид титана .............. 25...45
Никель и молибден .............. 10...45
Карбонитрид титана ............ 60...84
В каждой конкретной композиции ТС один-два названных компонента
могут отсутствовать или заменяться введением малого количества иных компонентов, компенсирующих ухудшение свойств ТС из-за отсутствия либо
карбида вольфрама, либо кобальта, а также направленно улучшающих свойства
инструментального материала в заданных условиях его работы. В целом можно отметить, что современные ТС представляют собой весьма сложные композиции, обладающие высокими режущими свойствами.
Свойства ТС существенно зависят от их структуры. Мелкозернистые
структуры обладают высокой износостойкостью и большой размерной стабильностью. Они наиболее подходят для изготовления инструментов чистовой
обработки, с применением которых связано получение точных размеров деталей и малых высот микронеровностей обработанных поверхностей. Из мелкозернистых ТС легче изготовить инструмент более сложной формы, с меньшим
инструментальным радиусом и отвечающий более высоким требованиям по
шероховатости поверхности.
Крупнозернистые ТС более прочны, они лучше сопротивляются ударным
и вибрационным нагрузкам, возникающим при механической обработке
в условиях большого биения, наличия раковин, трещин, окалины, а также на
интенсивных режимах чернового резания. С увеличением размера зерна ТС
предельная температура их эксплуатации снижается, что требует применения
смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при резании.
Мелкозернистые ТС (зерна размером 0,5...1,5 мкм) и особомелкозернистые
(зерна менее 1 мкм) обозначают в марках ТС добавлением в конце букв М
или ОМ соответственно. Дополнительные обозначения для крупнозернистых
ТС (зерна размером 3...5 мкм) не предусмотрены.
Твердые сплавы группы ВК обладают наиболее разнообразными и высокими свойствами, в частности более высокой теплопроводностью, ударной
вязкостью, прочностью на изгиб и модулем упругости (табл. 3.7). Безвольфрамовые ТС представлены группой ТНМ-КНТ.
По температуре Тэкспл эксплуатации и твердости ТС группы ТНМ-КНТ
лишь ненамного уступают ТС группы ТК. Поэтому из ТС групп ТНМ-КНТ
и ВК изготовляют широкую номенклатуру лезвийного режущего инструмента
для механической обработки разных материалов, а из ТС группы ТК (сплавы
Т5К10, Т15К6) — резцы и фрезы, более стойкие в условиях резания на пониженных скоростях (до 1 м/с), а также зенкеры, развертки, протяжки и метчики для обработки материалов с пределом прочности менее 750...800 МПа
(инструмент из сплава Т5К10) и выше этого значения (инструмент из сплава
104
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Таблица 3.7
Основные свойства ТС
Группа
ТС
Плотность
r, кг/м3
Предел прочности σв,
МПа
при изгибе при сжатии
Ударная
Модуль
МикроПревязкость
упругости твердость, дельная
KC,
Е, ГПа
ГПа
Тэкспл, K
кДж/м2
ВК
12 900...15 300 1180...2450 2970…4040 14,7…50 470...650 8,8...16,2
1073
ТК
11 100...13 600 1170...1770 2940…4220 6,9…8,8 420...550 11,3...21,6
1173
ТТК
12 000...13 800 1250...1700 2900…4000 10…20 450…550 13,9...14,4
1273
ТНМКНТ
5500...9500
400...1750 2800…4000
20
290...420
18
1073
Т15К6). Инструмент из сплава Т5К10 в основном используют для черновых
переходов, а инструмент из сплава Т15К6 — как для черновых, так и для
чистовых.
Применимость ТС группы ВК при изготовлении резцов для чернового
точения упрощенно можно проиллюстрировать цепочкой, в которой порядок
перечисления сплавов соответствует увеличению прочности обрабатываемого
материала: ВК10-ОМ → ВК8 → ВК6-М → ВК6-ОМ → ВК3-М. Аналогичная
цепочка для ориентировочной оценки применимости ТС в резцах для чистового точения выглядит так: ВК6-М → ВК6-ОМ → ВК4 → ВК3-М. В обоих
случаях наблюдается тенденция применения ТС с увеличенным содержанием
карбида вольфрама при обработке материалов повышенной прочности.
При изготовлении фрез обычно используют ТС марок Т15К6, Т5К10,
ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК8, ВК6-М, ВК6-ОМ и даже ВК3-М, в частности для
торцевых фрез, работающих в наиболее тяжелых условиях.
Для сверл, зенкеров, разверток применяют ТС марок Т15К6, ВК15-М,
ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК8, ВК6-М, ВК6-ОМ.
Протяжки и метчики наиболее часто получают из ТС марок ВК10-М,
ВК10-ОМ, ВК8, ВК6-М, ВК6-ОМ и ВК3-М.
Твердые сплавы с мелкозернистой и особомелкозернистой структурой
и повышенным содержанием кобальта (ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК15-М) в основном применяют для цельного мелкоразмерного инструмента, в частности фрез,
сверл, зенкеров, разверток, метчиков.
Обычно из ТС изготовляют неперетачиваемые пластинки (рис. 3.13), применяемые в составе сборного инструмента. Широко используется также крепление заготовок из ТС к державке инструмента методами пайки и склеивания.
Твердые сплавы группы ТТК и безвольфрамовые ТС группы ТНМ-КНТ
по свойствам близки ТС группы ТК. В связи с этим области их применения
обычно совпадают, в частности их используют для токарной и фрезерной обработки.
3.3. Механическая обработка
105
Рис. 3.13. Формы многогранных неперетачиваемых
инструментальных твердосплавных пластинок
К сверхтвердым материалам, применяемым в качестве инструментальных
при механической обработке, относят материалы, твердость и износостойкость
которых превышает твердость и износостойкость ТС и БС. Границей твердости служит значение 50 ГПа.
Сверхтвердые материалы можно получить на базе различных соединений,
в частности нитридов бора, титана и кремния, карбидов титана и кремния,
оксидов алюминия, боридов циркония, а также алмаза. Обычно из названных
СТМ в инструментальной технике применяют алмаз и нитрид бора (табл. 3.8).
Использование СТМ в качестве инструментальных материалов для механической обработки основано на их достоинствах.
Высокая твердость позволяет в 2–5, а иногда и в 10 раз интенсифицировать
процесс резания разных материалов, в первую очередь на финишных (чистовых и получистовых) операциях. По твердости СТМ, особенно алмазы, резко
превосходят все другие инструментальные материалы, но и анизотропия твердости (различия твердости по кристаллографическим осям) у них самая высокая. С этим связан как выбор направления огранки кристалла с образованием рабочих элементов режущего лезвия инструмента, так и выбор положения
кристалла в инструменте и направления обработки детали этим инструментом.
Высокой твердости всегда сопутствует хрупкость, поэтому условия работы
СТМ при резании должны исключать опасность хрупкого разрушения инструмента. Наиболее благоприятными операциями механической обработки при
этом являются токарные (расточка отверстий, наружная обточка, подрезка
торца). Менее эффективны для применения лезвийного инструмента, оснащенного СТМ, операции фрезерования, которые, как и любые операции прерывистого резания с повторяющимся циклом ударного врезания инструмента
в обрабатываемый материал, способны вызвать скол и затупить режущую
кромку инструмента задолго до наступления предельного износа.
Предел прочности на изгиб СТМ, особенно алмаза, самый низкий по сравнению с sи других инструментальных материалов. Для компенсации этого
недостатка ограничивают силовые факторы, действующие при резании, подбором соответствующих режимов и схем обработки, а также специальных
конструкций инструментов с повышенной жесткостью, учитывающих поло-
Плотность
r, кг/м3
БС
8100…8700
ТС
5500...20 900
СТМ (нитрид 3440...3560
бора и алмаз)
МК
2500...4100
Материалы
2,1…4,2
0,70...1,85
0,3...0,5
0,30…0,75
7…11
9...24
74...106
21...33
Микротвердость, ГПа
Предел
прочности
при изгибе
sв, ГПа
15...35
35...70
15...60
15...40
Коэффициент
теплопроводности
l, Вт/(м⋅K)
8,2...9,0
11...12
5...6
0,9...3,6
1373...1773
773…1020
1073...1273
1073...1573
Инертны
То же
Алмаз активен к Fe и Ni,
нитрид бора инертен
Оксид алюминия активен
к Ti и Al, нитрид
кремния — к Ti
Температурный
Предельная
коэффициент
температура
Химическая активность
линейного
эксплуатации к обрабатываемому материалу
расширения
Тэкспл, K
a⋅106, K–1
Свойства инструментальных материалов
Таблица 3.8
3.3. Механическая обработка
107
жение плоскостей спайности, по которым кристалл способен раскалываться,
и анизотропию его твердости. Поэтому основной областью применения СТМ
является финишная механическая обработка высокопрочных и труднообрабатываемых материалов, в первую очередь ТС, БС, керамики, кварца, композиционных материалов и самих СТМ (при заточке, правке, доводке режущих
инструментов).
Существенная износостойкость СТМ, связанная с их твердостью, высокий
предел упругости и малое значение температурного коэффициента линейного
расширения позволяют снизить уровень напряжений и деформаций в материале и повысить точность размерной обработки (до IT 8, 9), а также уменьшить
шероховатость поверхности (до Rа = 1,25...0,16 мкм), в первую очередь при
резании труднообрабатываемых материалов с твердостью более 40–45 НRС.
Благодаря упругому характеру деформирования вплоть до наступления
хрупкого разрушения СТМ, особенно алмаза (предел упругости в 2,5 раза
больше, чем у других СТМ), в обрабатываемом материале можно обеспечить
минимум остаточных напряжений и деформаций. С этим связана и более
высокая (в 2–5 раз) точность соблюдения формы и размеров обработанной
детали, чем при использовании ТС и БС. Высокая предельная температура
эксплуатации и высокая теплопроводность, низкая теплоемкость и небольшой
коэффициент трения позволяют выполнить обработку без СОЖ и снизить
число необходимых переточек инструмента до 3–5 раз. Коэффициент трения
алмаза по обрабатываемым материалам в 5 раз меньше, чем у ТС, и постоянен
в широком интервале значений скорости резания.
Высокая износостойкость инструмента из СТМ позволяет использовать отмеченные достоинства этих материалов. Стойкость алмазных инструментов
превышает стойкость инструментов из ТС в несколько раз (при обработке цветных металлов и композиционных материалов — в 100–200 раз). Обработка
подобных материалов — это основная область применения алмазного инструмента при резании.
Использование СТМ, получаемых на основе недефицитного и нестратегического сырья, позволяет экономить расход содержащих вольфрам инструментальных материалов.
Долговечность деталей, обработанных резанием инструментом из СТМ,
возрастает на 5...25 %, что связано с уменьшением влияния поверхностных
концентраторов напряжений и усилением наклепа при механической обработке инструментом из СТМ.
Доля СТМ среди других инструментальных материалов составляет около
6 % (вместе с МК).
Несмотря на то что применение природных алмазов в качестве инструментальных материалов при механической обработке цветных металлов известно
давно, их широкое промышленное использование стало возможным только
после получения искусственной модификации. Что касается кристаллов нитрида бора, то их природного аналога не существует.
Кристаллические порошки синтетических алмазов и кубического нитрида
бора получают синтезом соответственно из графита и аморфного нитрида бора.
108
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Процессы ведут при высоких значениях температуры (1670...2770 K)
и давления (5...9 ГПа) с применением сложных составов металлов-катализаторов, создающих условия предпочтительного роста нужных кристаллов. Скорости роста кристаллов составляют 40...200 мкм/ч. Выход годных кристаллов
достигает 50...90 %. Обычно получают кристаллические порошки с размером
зерна 0,1...1,0 мм. Реже образуются поликристаллические структуры более
крупных размеров: диаметром до 6…8 мм и массой до 5 карат (карат — единица измерения массы, принятая для ювелирных камней и равная 0,2 г).
Получаемые порошки поликристаллов алмаза и нитрида бора используют
при механической обработке как самостоятельный инструмент (обработка
свободным зерном в незакрепленном состоянии в виде доводочных паст и
суспензий). Кроме того, их применяют для изготовления абразивных компактных инструментов методом склеивания, пайки и порошковой металлургии.
Подобным образом получают шлифовальные круги, бруски, диски, хоны,
притиры, шеверы, правящие карандаши, шарошки, надфили, напильники, пилы,
шлифовальные ленты, шкурки и лезвийные инструменты, а также заготовки
инструментов для пластического деформирования металлов (игл, роликов,
наконечников, волоков, выглаживателей и др.).
Согласно классификации по размерам поликристаллов алмаза и нитрида
бора, получаемые порошки разделены на группы шлифовального зерна, шлифовального порошка, микропорошка и субмикропорошка. Цифровое значение
зернистости входит в обозначение марки. При этом зернистость определяют
размером зерен основной фракции порошков и обозначают дробью, числитель
которой соответствует наибольшему, а знаменатель — наименьшему размеру
зерен.
Цифровому значению предшествует буквенный индекс, который указывает на природу поликристаллического материала. Природным алмазам присвоен буквенный индекс А, синтетическим — АС. Синтетические поликристаллы нитрида бора — эльбор и кубонит — имеют индекс Л. Добавочный
буквенный индекс может означать, например, тип поликристалла алмаза
(Б — баллас, К — карбонадо) или особенности абразивного воздействия
(Н — повышенная абразивная способность).
Мелкие поликристаллы СТМ можно использовать также для получения
режущих кромок инструментов типа сверл, зенкеров, разверток. Алмазный
слой и слой нитрида бора на них имеют определенные качество поверхности
и толщину, получают их обычно методом гальваностегии.
Из поликристаллов алмаза и нитрида бора достаточно крупных размеров
(массой 0,2…1,0 карат) могут быть вырезаны пластины, которые образуют
режущие части сборного лезвийного инструмента для механической обработки.
Размеры этих пластин бывают от 2 × 5 до 3 × 8 мм при толщине 0,5...1,0 мм, что
позволяет выполнять до 6–10 переточек оснащенного ими инструмента. Пластины СТМ крепят в оправе на державке резцов и каркасах фрез механическим
путем, пайкой и склеиванием. Наиболее широко известны серийно выпускаемые для этих целей поликристаллические алмазы марок АСБ (баллас), АСПК
(карбонадо) и кубический нитрид бора (поликристаллический твердый нитрид
бора — ПТНБ) марок композит-01 (эльбор-Р) и композит-10 (гексанит-Р).
3.3. Механическая обработка
109
Параметры кристаллической решетки, структура и свойства синтетических
алмаза и кубического нитрида бора, как и технология их получения, во многом
сходны, тем не менее в различии их свойств заключены особенности применения этих материалов в качестве инструментальных для механической обработки. Нитрид бора при практически равной с синтетическим алмазом
плотности (см. табл. 3.8) имеет более высокий предел прочности при изгибе,
близкий к пределу прочности природного алмаза, у которого он составляет
210...490 МПа. В связи с этим инструмент из нитрида бора лучше работает в
условиях прерывистого резания и более интенсивных режимов, чем это свойственно алмазу. Кроме того, с высокой прочностью нитрида бора связано
возможное снижение требований к жесткости конструкции державки инструмента или достижение более высокой точности размеров детали и более высоких показателей качества ее поверхности.
По жесткости нитрид бора близок синтетическому алмазу, который немного превосходит природный (86,0...98,1 ГПа).
Износостойкость нитрида бора выше, чем у алмаза, поэтому качество обрабатываемой поверхности, а также стойкость инструмента выше. Эти качества
нитрида бора особенно ценны в связи с более высокой допустимой температурой эксплуатации. Резание нитридом бора можно проводить на более интенсивных режимах и без СОЖ, в то время как алмазная обработка без СОЖ
невозможна.
По теплопроводности алмаз превосходит нитрид бора почти в 3 раза, а по
теплоемкости уступает ему в 1,5 раза, с этим связана увеличенная эффективность отвода теплоты из зоны резания алмазным инструментом при использовании СОЖ.
Наконец, нитрид бора отличается высокой химической инертностью
к большинству обрабатываемых материалов, в то время как алмаз весьма активен и заметно растворяется в железе с нагревом. Это предопределяет области применения этих материалов. Нитрид бора особенно эффективен при
обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов. Алмазный инструмент
предпочтительнее при финишной обработке цветных металлов, в результате
которой достигаются шероховатости Rа = 1,25...0,32 мкм. Получение минимальных значений высоты микронеровностей поверхности при финишной
обработке нитридборным инструментом затруднено в силу структурных особенностей этого материала. Крупнозернистая структура хрупких кристаллов
нитрида бора не позволяет получать на инструменте режущую кромку с шероховатостью поверхности менее Rа = 2,5...0,63 мкм.
Инструмент из нитрида бора, сохраняя, как и алмаз, хрупкий характер
разрушения, обладает более высокой вязкостью разрушения, причем у
гексанита-Р она выше, чем у эльбора-Р. По этой причине первому отдается
предпочтение при ударном точении или фрезеровании и в случае применения
нежестких систем станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД).
Для эльбора-Р и алмаза более предпочтителен режим непрерывного резания,
в частности операции расточки, обточки, подрезки торца, а иногда и торцевое
фрезерование. Применяют также алмазное сверление, зенкерование и развертывание.
110
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Важной характеристикой инструментального материала является его химическое сродство с обрабатываемым материалом и адгезионная активность
к нему при высоких температурах, возникающих в процессе резания. Среди
СТМ есть материалы, ведущие себя в этом отношении по-разному. Нитрид
бора, например, инертен даже к такому химически активному материалу, как
титановый сплав, в то время как алмаз активен к железу и никелю в соответствующих сплавах и образует с ними растворы внедрения. Нитрид бора не
теряет своих режущих свойств даже при таких температурах, при которых
алмаз, превратившись в углерод, сгорает.
Инструментом из нитрида бора обрабатывают, в отличие от алмазного
инструмента, широкий ассортимент высокопрочных, жаропрочных, жаростойких и быстрорежущих сталей и никелевых сплавов, значительное количество
ТС и алмазных материалов. В остальном номенклатура обрабатываемых материалов у алмаза и нитрида бора совпадает (тугоплавкие металлы, титановые
сплавы, керамика, ТС, цветные металлы).
Минералокерамика представляет собой композицию, полученную методами порошковой металлургии. Основой композиции могут служить многие
соединения: оксиды (например, алюминия и магния); карбиды (например,
титана и кремния); нитриды (например, кремния и титана) и др. Обычно применяют оксидно-карбидную МК (марки В-3, ВОК-60, ВОК-63), реже —
оксидную (ЦМ-332) и нитридную (силинит-Р).
По своим свойствам МК, с одной стороны, занимает промежуточное положение между ТС и СТМ, а с другой — приближается к СТМ. По предельной
температуре эксплуатации (см. табл. 3.8) МК соответствует нитриду бора,
а по прочности — СТМ; по твердости МК значительно уступает СТМ, но
превосходит ТС. Кроме того, МК соответствует ТС по теплопроводности,
температурному коэффициенту линейного расширения и др. По химической
и адгезионной активности к обрабатываемым материалам МК превосходит
алмаз. Керамика из оксида алюминия активна к алюминиевым и титановым
сплавам, а керамика из нитрида кремния — к титановым. Таким образом,
алюминиевые и титановые сплавы практически исключаются из объектов обработки резанием инструментами из МК. По хрупкости МК в металлообработке проблематична, как и СТМ.
В механической обработке МК используют для технологических операций
чистового точения. Режимы прерывистого резания, в частности при фрезеровании, неблагоприятны для МК. Минералокерамикой обрабатывают как черные,
так и цветные металлы. В отдельных случаях МК показывает довольно высокую износостойкость при обработке высокопрочных материалов.
В силу отмеченных недостатков широкого применения МК не получила.
3.3.2. Режущие инструменты
С точки зрения конструкции режущий инструмент должен быть простым,
жестким и виброустойчивым. Режущий инструмент из БС обычно выполняют
цельным, из ТС — по большей части также монолитным (сверла диаметром
3.3. Механическая обработка
111
до 8 мм, развертки диаметром до 10 мм, зенкеры, метчики, мелкоразмерные
фрезы).
Для экономии дорогостоящих материалов инструмент усложняется до
сборочной единицы, состоящей из державки (из более дешевого конструкционного материала) и деталей рабочей части. Крупноразмерный инструмент,
как правило, делают сборным, на стержне инструмента или оправке закрепляют пластинки из БС, ТС, СТМ и МК. Пластины инструментального материала могут быть разной формы и разных размеров. Обычно это прямоугольники
со сторонами от 2 до 8 мм, толщиной 0,5...1,0 мм и более. Они допускают
3–5 перезаточек инструмента из ТС, СТМ и МК и до 15–20 из БС. Называют
их перетачиваемыми.
Крепят пластины пайкой или склеиванием либо механически, иногда сваркой, обеспечивая тем самым сопротивляемость инструмента действующим при
механической обработке касательным напряжениям от усилий резания. Если
эти напряжения при резании не превышают 35...40 МПа, используют клеевое
крепление инструментальной пластины в державке. При этом меньшие значения
предельных напряжений обеспечивают применением клеев холодного отверждения, например КХТ-2, а большие — использованием клеев горячего отверждения, например ВК-13М. Площадь склеивания и толщину применяемой
режущей пластины назначают по предельно допустимому объему срезаемого
в единицу времени материала. Например, при резании стали 12Х18Н9Т твердосплавным инструментом при скорости 80 м/мин, подаче 0,1...0,3 мм/об и глубине 0,5...4,0 мм с повышением производительности стружкообразования от
70 до 1600 мм 3/с увеличиваются площадь склеивания с 1,0 до 5,5 см 2
и потребная толщина режущей пластины с 2 до 8 мм. Достоинством клеевого
метода крепления является вибропрочность соединения, а недостатком —
ограничение рабочей температуры эксплуатации инструмента (не выше
873 K), поэтому наиболее эффективно применение клеев в инструментах типа
разверток, метчиков, резьбонарезных резцов.
Если инструмент при резании должен выдерживать более значительный
уровень напряжений (до 300 МПа) и температуры (до 1000 K), применяют
пайку или механическую сборку пластин в инструменте. Для пайки используют медные, серебряные, металлокерамические и другие припои, например
П100. Способы механического крепления инструментальных пластин, как и
конструкции клееных и паяных соединений, весьма разнообразны (рис. 3.14).
Для повышения производительности механической обработки необходимо
усложнение инструмента. В инструментах используют не только однослойные,
но и многослойные пластины, а также пластины с покрытиями, стружколомающими канавками и другими конструктивными элементами, улучшающими
процесс механической обработки (каналами для подачи СОЖ в зону обработки, цилиндрическими поясами для направления движения инструмента, элементами стружкоотвода).
Державкой для крепления пластин может служить любой материал, обеспечивающий эксплуатационные требования к инструменту, в частности
заданные прочность, жесткость, теплостойкость, а также технологические
112
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.14. Клеемеханическое крепление
инструментальных пластин:
а — открытое; б — коническое; в — цилиндрическое;
г — клеерезьбовое; д — клеештифтовое
3.3. Механическая обработка
113
требования применяемого метода крепления. Чаще всего хвостовики комбинированных инструментов выполняют из сталей 50, 40Х и др.
Инструмент с клееными и паяными пластинами обычно используют при
резании без СОЖ, поскольку неравномерность его нагрева уменьшает прочность крепления.
При выборе между цельным инструментом и сборным следует иметь
в виду, что цельный проще в изготовлении и дешевле, однако стойкость сборного выше. Кроме того, комбинированием расположения режущих кромок
достигается одновременная обработка нескольких поверхностей детали.
Для повышения качества обработки целесообразно применять многогранные неперетачиваемые пластины. Такие пластины крепят в державке механическим путем, ориентируя их в гнезде-вставке по трем опорным точкам
и надежно закрепляя подпружиненным зажимом. Инструментальная державка
снабжена узлом ручного или автоматического поворота пластины другой режущей гранью, а в ряде случаев и узлом автоматической замены изношенной
пластины на новую из магазина станка. Длительность такой замены составляет около 3 с. Точность работы узла поворота и крепления пластины высока
(осевое биение пластин ±0,045 мм) и позволяет во многих случаях проводить
дальнейшую обработку детали после смены граней пластины без дополнительной настройки станка. Это важно при работе станка в автоматическом
цикле и при резании труднообрабатываемых материалов, когда стойкость
инструмента невысока и для непрерывности необходимо менять инструмент
или его режущие грани.
Многогранные неперетачиваемые пластины могут быть разной формы
(в том числе круглой), они выполняются из разных инструментальных материалов, полностью готовы к использованию и не требуют дополнительной
заточки режущих кромок. Эти пластины позволяют экономно расходовать
инструментальный материал, существенно улучшают условия возврата вольфрама в виде вторичного сырья. При их использовании сохраняется идентичность заточки режущих кромок инструмента.
Многогранными неперетачиваемыми пластинами в основном оснащают
токарные резцы, а также фрезы и сверла. Опыт работы Волжского автозавода
в г. Тольятти (ВАЗ) и зарубежная практика показывают, что это отечественное
изобретение конца 1950-х годов способно резко изменить состояние инструментального дела, доведя количество используемого лезвийного инструмента
с многогранными неперетачиваемыми пластинами до 75...80 % и более.
Совершенствование лезвийного инструмента идет по разным направлениям.
Созданы, например, комбинированные инструменты, сердцевина которых выполнена из литой стали 40Х, а периферия — из порошковой БС.
Упрочнение инструментов. Эффективным способом улучшения эксплуатационных свойств инструментальных материалов является их поверхностная
обработка, проводимая для упрочнения и нанесения покрытия. Такая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость инструмента, а значит,
интенсифицировать процесс резания и снизить расход инструментальных
материалов. На рис. 3.15 приведена схема приспособления для алмазного
114
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.15. Схема приспособления для алмазного выглаживания:
1 — деталь; 2 — алмазный наконечник; 3, 7 — штоки; 4 — регулировочный винт;
5 — плунжер; 6 — клапан; 8 — корпус; 9 — пружина; 10 — гайка; 11 — винт регулировки
усилия; А и Б — рабочие полости гидравлического демпфера
выглаживания прерывистых поверхностей (пазы, отверстия, лыски, шлицы)
пружинного типа с гидравлическим демпфером, снижающим ударные воздействия на кристалл, вмонтированный в наконечник. Приспособление устанавливается на суппорте токарного станка.
Среди разных способов упрочнения инструментальных материалов наибольшее распространение нашло лазерное упрочнение. Оно предусматривает
облучение поверхности материала инструмента последовательной серией
импульсов света длительностью до 6 мс и частотой около 1 Гц. В каждом импульсе света, сконцентрированного на площади пятна диаметром 4...6 мм,
плотность мощности излучения достигает 40 кВт/см2. Мгновенный интенсивный нагрев и последующее быстрое охлаждение вызывают эффект термической
обработки материала закалкой. Процесс ведется в среде инертного газа, например аргона.
Лазерное упрочнение приводит к повышению твердости поверхностного
слоя материала на глубину до 0,2...0,3 мм, иногда 0,5 мм. Твердость БС при
этом возрастает на 20...30 %, что повышает износостойкость инструмента из
БС в 1,5–4 раза. Кроме того, на 15...25 % уменьшаются коэффициент трения
и склонность к адгезионному взаимодействию материалов инструмента и обрабатываемой детали, что снижает температуру резания на 60...80 градусов
и улучшает условия получения уменьшенных значений шероховатости поверхности.
Покрытия на инструментах. Улучшение режущих свойств инструментальных материалов (БС и ТС) может быть достигнуто нанесением на их
поверхность покрытий из высокотвердой керамики, в частности карбида титана, нитридов титана и бора, боридов титана и циркония, оксида алюминия,
обладающих твердостью 15...32 ГПа. Износостойкость инструмента из ТС
после нанесения покрытий возрастает в несколько раз.
Широко известны три основных способа нанесения покрытий:
1) конденсация газообразных соединений при термическом разложении
газовой среды с образованием твердых пленок на поверхностях режущего
инструмента (способ ГТ);
3.3. Механическая обработка
115
2) термодиффузия в материале инструмента твердых соединений из металлических порошков (способ ДТ);
3) конденсация веществ из плазмы в условиях ионной бомбардировки
(способ КИБ, или ионно-плазменное осаждение).
Первые два способа высокотемпературные: температура нагрева подложки
достигает 1273 °С. Их применяют только для нанесения покрытий на инструмент из ТС, в основном на многогранные неперетачиваемые пластины.
При третьем способе температура нагрева подложки относительно невысока (723 °С), и его применяют как для ТС, так и для БС.
Способами ГТ и ДТ наносят покрытия, например, из карбида титана
и многослойные из карбида и нитрида титана. Способом КИБ обычно наносят
покрытия из нитридов, например, титана, хрома, молибдена, а также гетерофазные покрытия типа карбонитрида титана и нитрида титана — циркония.
Поскольку эффективность износостойких покрытий, нанесенных способами
ГТ и ДТ, выше и эти способы более производительны, чем способ КИБ, последний нецелесообразно применять для нанесения покрытий на многогранные
неперетачиваемые пластины из ТС. Способом КИБ можно улучшать паяные
и монолитные инструменты из ТС, сложные в изготовлении инструменты
(мелкомодульные долбяки, сверла, метчики, фасонные резцы), инструменты
из БС — долбяки, червячные фрезы, метчики, протяжки, развертки, концевые
фрезы.
Применение любого способа нанесения покрытий позволяет повысить либо
стойкость инструмента в 1,2–3 раза при сохранении прежней скорости резания,
либо скорость резания на 10...20 % при прежней стойкости инструмента.
Кроме того, появляется возможность обрабатывать более широкий ассортимент
труднообрабатываемых материалов (жаропрочные стали и сплавы, титановые
сплавы, сплавы тугоплавких металлов) и на более интенсивных режимах резания.
При использовании покрытия можно снизить предъявляемые к инструментальному материалу требования по составу и структуре, что упрощает процесс
его получения.
Толщина наносимых покрытий обычно составляет 2…12 мкм. Скорость
их осаждения разными методами не превышает 0,2...1,0 мкм/мин. Чаще всего
покрытия наносят на инструменты из ТС.
Обычно покрытие состоит из одного слоя, но все чаще практикуется использование многослойных покрытий. Как правило, первый слой служит для
улучшения адгезии основного покрытия к материалу инструмента, а последующий слой (или несколько) позволяет улучшить сочетание свойств материала
по температурному коэффициенту линейного расширения, стойкости к механическим и термическим ударам и т. п. Очевидно преимущество многослойных
покрытий перед однослойным и по износостойкости, которая достигается
комбинированием слоев.
Кроме термической обработки и нанесения покрытий для улучшения
свойств инструментальных материалов применяют также насыщение их
116
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
поверхностного слоя отдельными легирующими элементами. В качестве
легирующих элементов используют азот, кислород, бор, углерод, дибориды
титана и молибдена и др. Процессы ведут из газовой фазы, а также с применением паст и порошков. Энергетические источники этих процессов могут
быть разными — лазерные, электронно-лучевые, плазменные. В качестве источников энергии используют также электрорезистивные нагреватели, магнетроны и т. п.
Наиболее известно электроискровое легирование инструментов из БС, создающее поверхностный слой толщиной 2,5...30,0 мкм с концентрацией легирующих элементов до 30...50 %. Для его осуществления обрабатываемую поверхность инструмента сканируют специальным разрядником со скоростью 0,5 мм/с.
Используют импульсы электрических разрядов с силой тока 1,5…15,0 А, следующие с частотой 8…70 кГц. Под действием теплоты этих импульсов ускоряются диффузионные процессы насыщения инструмента легирующими элементами
из окружающей материал среды. Следует отметить, что в результате увеличивается шероховатость обрабатываемой поверхности инструмента.
При совершенствовании режущих инструментов применяют также легирование инструментальных сталей карбонитрацией.
Карбонитрация представляет собой диффузионное насыщение поверхности материала азотом и углеродом на глубину 5...30 мкм. Твердость этого
слоя возрастает до 10...14 ГПа. Процесс можно вести как в газообразных
средах (продукты разложения мочевины), так и в жидких расплавах (соли
цианисто-кислого и углекислого калия или натрия), последнее сложнее.
Легирование позволяет увеличить стойкость инструментов в 2–3 раза, поэтому при выборе того или иного способа повышения эксплуатационных
свойств инструментального материала учитывают конкретные условия механической обработки.
Получаемые способом КИБ ионно-плазменные покрытия составляют отдельное технологическое направление. Покрытия конденсируются из ионизированного состояния, которое, как известно, называется плазмой и представляет собой четвертое состояние вещества. Отметим, что двойное название
этого технологического направления — явная тавтология. Существуют классификационные неточности в названиях методов, относящихся к этому направлению, используемого оборудования, способов и методик осаждения.
В промышленности применяют разные способы плазменного нанесения
покрытий: магнетронно-ионное распыление (установка «Мир»), ионное осаждение с использованием электронно-лучевых установок, осаждение с помощью
плазменных ускорителей (установки «Булат», «Пуск») (табл. 3.9). В этих названиях отражены схемы осуществления напыления, конструктивные особенности установок и их технологические возможности. Суть же такова: использование плазменного состояния вещества для формирования из него
диффузионных слоев в приповерхностных частях материала стенки конструкции и нанесенного покрытия, связанного со стенкой конструкции адгезионными силами.
3.3. Механическая обработка
117
Таблица 3.9
Способы нанесения покрытий
Характеристика
Тип оборудования
Способ нагрева
КИБ
Плазменный Электронно-лучевая Магнетронный
ускоритель
установка
распылитель
«Булат»
«Пуск»
Ионная бомбардировка
Температура, °С
1200…1300
Число испарителей
1…4
1…2
Площадь, покрываемая
4,5
4,5
одним испарителем, дм2
Давление, Па:
предварительное
6,5 · 10–3 1,3 · 10–3
рабочее
10–2…10–1 10–2…10–1
Скорость осаждения,
0,6…0,7
0,9…1,0
мкм/мин
ЭПН
«Мир»
Радиационный нагрев
резисторного типа
750…800
1
1,7
1…2
5
2,6 · 10–3
1,5 · 10–2
0,3…0,4
6,5 · 10–3
1 · 10–1
0,2…0,3
Именно диффузионные плазменные покрытия металлических конструкций
керамикой (нитридной, карбидной, карбонитридной, оксидной) получают
в результате ионного азотирования, нитроцементации, цементации ряда металлов (хрома, титана, молибдена, циркония, алюминия и др.) в среде реакционных газов типа азота, метана, кислорода и их смесей, участвующих
в образовании соединений с одним или несколькими химическими элементами материала подложки. Поверхностное керамическое или металлическое
покрытие, не зависящее от состава подложки, может быть нанесено на любой
материал стенки конструкции за счет ионов — доноров металла (для металлических покрытий) или в смеси их с ионами реакционных газов (для керамических покрытий). В последнем случае открываются дополнительные возможности получения боридов и силицидов титана и молибдена, а также
других соединений.
Полностью ионизированная плазма существует, как известно, в глубоком
вакууме и при высочайшей температуре. В технологии ионно-плазменного
осаждения используют ионизацию порядка 10…15 %, при которой вполне
удовлетворительны производительность процесса и качество получаемых покрытий. Такие степени ионизации осаждаемых материалов реализуются
в вакууме глубиной 0,6 мкПа…6,0 мПа (в процессе осаждения) при давлении
до 0,1…1,3 Па (в процессе работы установки). Дальнейшее повышение давления в камере установки недопустимо, так как растет степень загрязнения
покрытия инородными соединениями с газами, входящими в состав воздуха.
Таким образом, глубина вакуума не только регулирует интенсивность процесса образования ионов, но и придает процессу ионно-плазменного осаждения покрытия важнейшие достоинства вакуумной технологии: структурное совершенство, химическую чистоту и равнотолщинность покрытий.
118
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Процесс позволяет регулировать фазовый состав и строение сформированного слоя, получать как стабильные аморфные и кристаллические структуры,
так и термодинамически метастабильные композиции. Свойства покрытий,
полученных ионно-плазменным осаждением, более анизотропны, чем свойства
покрытий, полученных при напылении плазменной струей.
По сравнению с простой вакуумной технологией осаждения покрытий
путем конденсации из паров под действием градиентов концентрации паров
и температур в рабочем объеме камеры установки и на поверхности подложки технология ионно-плазменного осаждения более производительна, так как
направленное движение ионов вещества к поверхности подложки происходит
под действием электрического и (или) магнитного полей. Скорость осаждения
составляет 1…12 мкм/мин, покрытия имеют мелкозернистую структуру, плотны, равнотолщинны, характеризуются высоким уровнем адгезионных связей
с подложкой. Для достижения большей равнотолщинности покрытий (10 %
толщины) подложку в процессе нанесения покрытия вращают. Обычно подобные поверхностные покрытия тонкослойны (0,5…12,0 мкм), иногда их
толщина достигает 20…50 мкм, а для диффузионных покрытий, сформированных в приповерхностном слое материала стенки конструкции, более характерна малая толщина (0,3…0,5 мкм), что соответствует верхней границе
наноразмерного диапазона.
Процесс осаждения покрытия типа карбида или нитрида титана, например,
на инструменты из БС и ТС, длится 15…20 мин, а полный цикл нанесения
покрытий (с учетом загрузки-выгрузки деталей и выхода на технологический
режим) — около 2 ч. Ионно-плазменное осаждение покрытия на заготовке — низкотемпературный процесс. Предварительный и сопутствующий
осаждению максимальный нагрев заготовок в установках этого типа составляет 100…1450 °С. Даже за 2 ч осаждения покрытия на инструментах из БС
и ТС подложка нагревается только до температуры 500 и 700 °С соответственно. Это важнейшее для ионно-плазменных покрытий обстоятельство и позволяет сохранить исходные твердость и прочность материала подложки,
а процесс нанесения покрытия проводить на заключительных стадиях производственного цикла.
Тонкослойные покрытия (0,1…3,0 мкм) можно наносить на пластмассы,
ткани, оптические отражатели и другие конструкции, так как время их нанесения невелико (1…3 мин).
При ионно-плазменном осаждении покрытий из металлов донорами ионов
являются материалы катодов в виде дисков или стержней, при необходимости
охлаждаемых системой проточного водяного терморегулирования. Часто
используют катоды из титана, хрома, никеля, молибдена, алюминия и циркония.
При осаждении керамических покрытий в рабочую камеру установки через систему игольчатых натекателей поступают еще и реакционные газы,
компоненты которых непосредственно участвуют в образовании требуемого
соединения.
Источниками теплоты (обычно мощностью до 5…10 кВт) для ионизации
металлов и газов могут быть тлеющий разряд, электронный луч, плазменная
струя, электрическая дуга, резисторный нагрев.
3.3. Механическая обработка
119
Часто применяют установки с ионизацией тлеющим разрядом рабочего
газа — аргона. Аномальный тлеющий разряд возбуждается электрическим
полем, созданным разностью потенциалов между катодом и корпусом установки. Образовавшиеся положительные ионы аргона бомбардируют катод
и выбивают из него электроны осаждаемого материала. Эти электроны захватываются магнитным полем, возвращающим их на катод, и одновременно
электрическим полем катода, отталкивающим их. В этой ловушке электроны
находятся до тех пор, пока в результате нескольких столкновений с атомами
аргона не потеряют энергию, полученную от электрического поля, и не попадут на анод (деталь). Таким образом, прежде чем электрон попадет на анод,
большая часть его энергии пойдет на увеличение эффективности ионизации
аргона, что приведет к возрастанию концентрации положительных ионов
у поверхности катода. Это, в свою очередь, интенсифицирует ионную бомбардировку катода и значительно увеличит скорость распыления.
При формировании керамического покрытия (например, нитрида титана)
ион титана летит на подложку и захватывает атом азота из числа его диссоциированных молекул, находящихся в камере.
Электрические параметры процесса ионно-плазменного осаждения в установках разного типа (рис. 3.16) таковы: напряжение 40 В...20 кВ, сила тока
5…300 А, плотность силы тока на катоде 0,1…1,0 мА/см2. Схемы электрических взаимосвязей катод — анод — корпус установки могут быть различными,
но всегда такими, чтобы созданное электрическое поле ускоряло и создавало
направленное на подложку движение ионов. Для создания дополнительного
Рис. 3.16. Схемы установок ионно-плазменного осаждения:
а — методом электронно-лучевого ионного осаждения; б — методом осаждения
плазменными ускорителями; 1 — изделие, на которое осаждается покрытие
(катод); 2 — корпус вакуумной камеры с водоохлаждаемыми стенками;
3 — электронно-лучевая пушка; 4 — водоохлаждаемый анод из осаждаемого
материала; 5 — газовый коллектор; 6 — кольцевой электромагнит; 7 — электродускоритель; 8 — поджигающий электрод
120
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
потенциала электрического поля в камеру установки иногда вводят промежуточный электрод-сетку (анод).
Однако эффективнее подать на подложку напряжение от автономного источника, что позволит не только регулировать процесс осаждения (скорость
осаждения и нагрев подложки), но и проводить катодную очистку подложки
ионной бомбардировкой. Подобное катодное распыление материала поверхности подложки ускоренными ионами осаждаемого металла (ионы энергией
1…3 кэВ) очищает подложку от загрязнений и активизирует развитие адгезионных связей. Последующая перестройка режима осаждения, т. е. понижение
уровня энергии ионов, дает возможность провести второй этап процесса —
собственно осаждение покрытия с требуемым фазовым составом, структурой
и свойствами.
Используемые в промышленности установки ионно-плазменного осаждения различаются предельными значениями площади осаждаемых покрытий
(1,7…18,0 дм2), типом нагревателя, числом испарителей (до четырех), характером цикличности работы (дискретный и полунепрерывный), числом рабочих
камер (одно- и двухкамерные), типом конструктивного оформления анода
(кольцевой, плоский, коаксиальный) и др. Некоторые установки снабжены
технологической оснасткой, которая обеспечивает поочередную смену циклов
предварительного прогрева заготовки (до 200…800 °С) и последующего осаждения покрытия.
3.3.3. Технология резания материалов
Эффективное резание происходит при значениях отношения твердостей
обрабатывающего и обрабатываемого материалов 1,6…6,0. В этот диапазон
входит обработка высокопрочных сталей со скоростями резания до 150 м/мин
инструментами из инструментальных материалов обычной твердости (БС, ТС)
и сверхтвердости (СТМ, МК). Прочность и твердость материалов взаимосвязаны и характеризуют материал через параметр абразивности. Для обрабатываемого материала — это интенсивность процесса механической обработки,
для инструментального материала — затупление режущей кромки (рис. 3.17).
Комплексным показателем обрабатываемости материала резанием считается стойкость Т инструмента (табл. 3.10). При этом критерием затупления
служит допустимый износ задней грани инструмента, мм, имеющий следующие значения для различных операций:
Точение:
черновое ..............................................................................
получистовое .......................................................................
чистовое ...............................................................................
Фрезерование:
черновое ..............................................................................
чистовое ...............................................................................
Сверление ......................................................................................
Резьбонарезание ............................................................................
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
0,8…2,0
0,2…0,7
0,05…0,40
0,3…0,8
0,2…0,5
0,15…0,80
0,05…0,30
3.3. Механическая обработка
121
Рис. 3.17. Схема токарной обработки резанием:
а — вид спереди; б — вид сверху; 1 — обрабатываемая
деталь; 2 — режущая кромка лезвийного инструмента;
3 — передняя грань резца; 4 — задняя грань; g — передний угол; a — задний угол; j и j1 — главный и вспомогательный углы в плане соответственно
Таблица 3.10
Стойкость Т инструмента, мин
Материал инструмента
Обрабатываемый
металл
БС
ТС
СТМ
МК
Сталь
Титановые сплавы
Тугоплавкие металлы
Композиционные материалы
Легкие металлы
0,5…200
—
—
—
—
10…300
180…210
1…150
40…150
—
5…220
50…120
90…220
—
400…600
1…185
—
—
—
50…200
Общим критерием обрабатываемости материала резанием является скорость v резания. В табл. 3.11 приведены реальные скорости резания конструкционных металлов. Для жаропрочных и жаростойких сплавов скорости резания в 5–15 раз ниже. Если принять за предельно достижимую скорость
резания материала, равную скорости ам распространения звука в нем, то
значения v составляют при точении, фрезеровании, сверлении и развертывании
(10–3…10–4)ам, протягивании 10–5ам, шлифовании 10–2ам, при высокоскоростном
резании (выстрелом) 10–1ам.
Относительным коэффициентом обрабатываемости материала резанием
служит коэффициент Kv = v/vэт , где v — допустимая скорость резания обрабатываемого материала; vэт — скорость резания эталонного материала. Применяют два эталонных материала: сталь 45 (σв = 600…900 МПа, 24–28 HRС)
и 12Х18Н10Т (σв = 950…1150 МПа, 22–35 HRС). Коэффициенты обрабатываемости материалов приведены в табл. 3.12.
Современному ракетно-космическому машиностроению требуются все
более прочные материалы (металлы, керамика, композиционные материалы),
обрабатываемость резанием которых низка.
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
122
Таблица 3.11
Реальные значения скорости v резания и подача S
Операция
Фрезерование
Точение
Сверление
Шлифование (скорость вращения
шлифовального круга до 3000 м/мин)
Обрабатываемый
металл
Цветной
Черный
Цветной
Черный
Любой
Черный
v, м/мин
S, мм/об
300…600
0,05…0,40
6…200
До 1,0
150…1500 0,02…0,20
15…100
0,05
20…400
0,05…0,60
15…40
0,001…0,015
Таблица 3.12
Коэффициент обрабатываемости Kv различных материалов
Обрабатываемый материал
Углеродистые и легированные стали
Высокопрочные и жаропрочные стали
Титановые сплавы
Тугоплавкие сплавы
Цветные металлы
Эталонный материал
Сталь 45
12Х18Н10Т
0,6…2,3
0,05…0,90
0,25…0,40
0,1…0,4
0,6…1,2
1,4…2,6
0,1…1,8
0,5…0,8
0,2…0,8
1,3…2,4
Качественными показателями механической обработки являются:
• точность размеров (квалитет);
• шероховатость поверхности (класс высоты микронеровностей);
• отклонения формы и расположения поверхностей (по требуемым нормам);
• глубина измененного (дефектного) слоя (мкм).
Шероховатость поверхностей и точность размеров, экономически эффективные для соответствующего метода обработки, приведены в табл. 3.13.
Толщина измененного слоя может быть от 2 мм (черновое точение и фрезерование) до 3 мкм (хонингование и суперфинишная обработка).
Механическая обработка материалов неразрывно связана с применением
СОЖ для охлаждения инструмента в зоне обработки и смазки места его
контакта с деталью, что повышает стойкость инструмента. Кроме того, систему охлаждение — нагрев используют для интенсификации обработки соответственно пластичных и высокопрочных материалов. В качестве СОЖ часто
используют сульфофрезол (смесь веретенного масла 20В с нигролом), масла
типа МР-1, МР-4, МР-5, индустриальное масло, эмульсии Э-2, ЭГТ, эмульсол.
На смену им приходят СОЖ второго поколения — синтетические, без минеральных масел и жиров растительного происхождения, но с добавками ПАВ,
сильно снижающих поверхностное натяжение материала и облегчающих его
разрушение.
3.3. Механическая обработка
123
Таблица 3.13
Средние экономически целесообразные значения точности размеров
и шероховатости поверхностей, механически обработанных
на современном оборудовании
Вид механической
обработки
Точение:
черновое
чистовое
тонкое
Сверление
Зенкерование:
черновое
чистовое
Развертывание:
предварительное
чистовое
тонкое
Фрезерование:
черновое
чистовое
тонкое
Протягивание:
черновое
чистовое
Строгание:
черновое
чистовое
тонкое
Шлифование:
предварительное
тонкое
Притирка и доводка
Хонингование
Суперфиниширование
Полирование
Толщина измененного
обработкой слоя, мкм
Точность
размеров,
квалитет IТ
50…2000
20…60
4…20
25…200
Высота микронеровностей
поверхностей, мкм
Ra
Rz
10…14
7…11
6…9
10…14
—
2,50…1,25
1,25…0,32
—
320…40
80…20
—
80…20
40…50
20…40
10…14
9…11
—
1,25…0,63
80…20
40…20
15…25
5…15
5…10
8…10
7…8
5…7
2,50…0,63
0,63…0,32
0,32…0,16
—
—
—
80…120
40…60
10…30
9…14
7…10
6…7
—
2,50…1,25
2,50…0,32
160…20
20
—
10…75
5…10
7…10
5…8
2,50…0,63
1,25…0,16
—
—
100…150
50…100
20…30
10…14
7…10
5…8
—
2,50…0,63
1,25…0,16
80…10
20…10
—
20…60
4…15
1…30
3…6
3…6
1…5
7…10
5…8
2…6
5…8
5…6
6…9
2,50…0,16
0,32…0,04
0,32…0,04
0,63…0,04
0,32…0,04
0,16…0,04
—
—
—
—
—
—
Примечание. При одном и том же виде механической обработки наружных поверхностей
тел вращения высота микронеровностей оказывается меньшей (в среднем на один класс), чем
при обработке отверстий и плоских поверхностей.
124
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Мера поверхностной активности ПАВ оценивается как производная ∂σ/∂c,
где σ — поверхностное натяжение, которое уменьшается с повышением температуры; с — концентрация ПАВ.
На Волжском автозаводе в г. Тольятти (ВАЗ) использовали синтетические
СОЖ «Виталь» итальянского производства, их заменили отечественными
жидкостями «Аквол-6», «Укринол-1», «Аквол-11», МР-6, ОСМ-3, СМ и др.
Коэффициент повышения стойкости инструмента от применения таких СОЖ
составляет 1,4…3,0. Эти СОЖ содержат водорастворимые противоизносные
и противозадирные присадки в виде трибополимеробразующих веществ. Присадки этого класса являются низкомолекулярными реакционноспособными
органическими соединениями, которые при определенных условиях способны
модифицировать поверхности трения с образованием на них прочносвязанных
полимеров.
Использование традиционных СОЖ позволяет снизить межфазную энергию
металла незначительно, а энергию поверхностно-активного действия — максимум на 10 %. Поиск более совершенных смазочно-охлаждающих технологических средств идет непрерывно. По сравнению с парожидкостной фазой
расплавы способны увеличить межфазную энергию в десятки раз. Возможно
применение расплавов металлов, полиорганосилоксановых смол и т. п. Последние при температуре 500 °С разлагаются, создавая газовую фазу под
большим давлением.
Функцию охлаждающей технологической среды могут выполнять твердые
технологические материалы, наносимые тонким слоем на обрабатываемую
поверхность, и газы. Твердый слой материала переходит в парофазу и создает
восстановительную атмосферу, препятствующую диффузии кислорода в режущий инструмент. В качестве таких материалов используют графит, тальк,
силиконы и др. Все они повышают рабочую температуру инструментов до
400…500 °С.
Механическая обработка БС почти всегда сопровождается применением
СОЖ, обычно обильным при фрезеровании, особенно при концевом. Твердые
сплавы во многих случаях обрабатывают с применением СОЖ, в частности
при фрезеровании, когда благодаря использованию СОЖ повышается стойкость
ТС, весьма чувствительного к термоударам.
При обработке дисперсионно-твердеющих сталей инструментом из ТС
применение СОЖ, наоборот, снижает стойкость инструмента. Во-первых, некоторые СОЖ вызывают коррозию внутренних объемов ТС как композиционного материала, состоящего из керамических порошков и матричного металла
(кермет или металлокерамика). Во-вторых, создаваемая СОЖ неравномерность
теплового поля в инструменте способна оторвать пластину ТС от державки
по паяному или клеевому соединению — месту с самыми слабыми адгезионными связями. В таком случае остается проводить механическую обработку
всухую либо использовать цельный твердосплавный инструмент. Применение
СОЖ повышает стойкость резцов из ТС при токарной обработке коррозионностойких сталей и титановых сплавов.
3.3. Механическая обработка
125
По основному действию, оказываемому на процесс резания, различают СОЖ
двух категорий:
1) охлаждающего и частично смазывающего действия (водные растворы
минеральных солей и водные эмульсии) в основном на черновых и получистовых, иногда и чистовых операциях (например, развертывание);
2) смазывающего и частично охлаждающего действия (минеральные, растительные и животные масла, керосин, растворы ПАВ в масле или керосине)
в основном на чистовых операциях. Эмульсолы типа «Укринол-1», «Аквол-2»,
РЗ-СОЖ 8, ЭТ-2 — это содовые растворы с добавками буры и тринатрийфосфата (попутно очистка от жира), а масляные СОЖ — МР-1у, МР-6, МР-99,
сульфофрезол.
Для фрезерования инструментом из БС (во многих случаях и из ТС) требуется обильное охлаждение СОЖ типа эмульсии, что повышает стойкость
инструмента. При фрезеровании концевыми фрезами (из ТС и БС) любых
материалов необходимо применять СОЖ: без СОЖ частицы материала налипают на обработанную поверхность заготовки, что увеличивает ее шероховатость и снижает стойкость инструмента, особенно из БС. При фрезеровании
высокопрочных сталей СОЖ применять не следует.
Сверление малых отверстий диаметром меньше 3…5 мм ведется с СОЖ
типа масляных эмульсий и сульфофрезола. Для снижения температуры применяют охлаждение либо обдувом сжатым воздухом, либо поливом 5%-ным
раствором эмульсола, либо тем и другим одновременно.
При сверлении и развертывании отверстий больших диаметров (более
5 мм) целесообразно использование 10%-ных водных эмульсий СОЖ.
Внутренний подвод СОЖ под высоким давлением осуществляется при
вибрационном сверлении отверстий глубиной до 15dотв (где dотв — диаметр
отверстия). При этом используют масляные СОЖ.
Твердые технологические среды, применяемые при фрезеровании вольфрама, приведены в табл. 3.14.
Таблица 3.14
Характеристики фрезерования при использовании твердых
технологических сред
Расплав
Сплав Вуда
Баббит Б89
Свинец
ПОС50 (припой)
Температура нагрева Tнагр, °С
Стойкость фрезы, работающей
в расплаве, Т, мин
100
270
360
220
120
134
230
192
Обработка в металлическом расплаве приводит к понижению температуры
в зоне резания за счет надежного смазывания и резкого уменьшения теплового удара. Использование ТС позволяет увеличить скорость резания и стойкость
инструмента.
126
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Эффективность действия СОЖ зависит не только от состава жидкости, но
и от способа ее подвода. При увеличении давления СОЖ до 5 МПа стойкость
инструмента повышается в 3–13 раз. В зоне резания возможны давление до
4…6 ГПа и температура до 600…800 °С.
Применение металлических СОЖ (легкоплавкие металлы индий и галлий)
позволяет повысить скорость механической обработки в десятки раз и уменьшить изнашивание инструмента. Такой же эффект наблюдается при введении
этих металлов в качестве добавок в связующие керамических инструментов
(шлифовальные круги).
Для попадания жидкой связки в зону обработки и облегчения процесса
резания необходимо, чтобы скорость резания была существенно меньше скорости растекания жидкости.
3.3.4. Особенности обработки материалов
Трудности механической обработки материалов имеют разную природу.
Обычно под труднообрабатываемыми материалами подразумевают жаропрочные и жаростойкие стали и никелевые сплавы, обладающие высокой прочностью, твердостью и вязкостью. Скорость их механической обработки от этого
значительно снижается (в 3–10 раз в зависимости от вида), также снижается
стойкость применяемых инструментов. Одновременно повышаются требования
к точности размеров и геометрических форм создаваемых конструкций,
а также к шероховатости механически обработанных поверхностей.
Создание дисперсионно-твердеющих сплавов и дисперсно-упрочненных
композиций усложнило механическую обработку в условиях повышенного
абразивного воздействия обрабатываемого материала на инструмент. Применение же вязких сплавов требует решения проблемы качества химико-диффузионных адгезионных контактов на границе раздела заготовки и режущих
кромок инструмента. Возникают трудности, связанные с необходимостью
получения минимального слоя дефектного материала на поверхности и с необходимостью обработки нежестких конструкций.
Тугоплавкие металлы, композиционные материалы, полимеры и керамика
также требуют особого подхода при механической обработке.
Легкие сплавы. Легкообрабатываемыми механическим путем принято
считать сплавы алюминия, магния, меди. Для их обработки годятся любые
инструментальные материалы, включая углеродистые стали. Тем не менее
более высокие качественные и количественные показатели процесса резания
достигаются при использовании инструмента из БС и ТС. Из БС наиболее
широкое применение находят стали Р6М5, Р6М5К5, Р9К5, а из ТС — ВК8,
ВК10-ОМ, ВК6-М.
Прочность легких сплавов относительно невелика и требуемые для резания
усилия незначительны, что позволяет применять высокие скорости v резания,
повышенные подачи S и глубины t резания. Меньшая пластичность магниевых
сплавов по сравнению с алюминиевыми упрощает их стружкодробление
и резание в целом. Мощности, затрачиваемые на механическую обработку
3.3. Механическая обработка
127
магниевых сплавов, меньше мощностей, затрачиваемых на обработку алюминиевых сплавов (в 1,5–2 раза) и низколегированных сталей (в 6–7 раз).
Стали. По обрабатываемости резанием стали разделены на восемь групп,
различающихся химическим составом, структурой, технологией и видом термообработки (табл. 3.15). Прочность и твердость сталей коррелируют с коэффициентом Kv обрабатываемости (табл. 3.16).
Как правило, ориентировочные режимы чистовой токарной обработки
(v, S, t) приводят для каждой группы обрабатываемых сталей при наружной
обточке инструментом из ТС.
Таблица 3.15
Классификация труднообрабатываемых сталей и сплавов
по обрабатываемости резанием
Группа
Наименование группы
Марка материала
I
Теплостойкие (рабочая температура Тр ≤ 550 °С) 34ХН3М, 34МН3МВ,
хромистые, хромоникелевые и хромомолибденовые 20Х3МВФ, 15Х5М,
стали перлитного, мартенситно-ферритного и мар- 15Х6СЮ
тенситного классов
II
Коррозионно-стойкие (стойкие против электрохимической коррозии) хромистые и сложнолегированные стали ферритного, мартенситно-ферритного
и мартенситного классов
12Х13, 25Х13Н2,
11Х11Н2В2МФ,
13Х11Н2В2МФ,
20Х13, 30Х13, 40Х13,
09Х16Н4Б, 14Х17Н2,
20Х17Н2, 95Х18
III
Коррозионно-стойкие, кислотостойкие, жаростойкие (Тр > 550 °С) хромоникелевые стали аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов
12Х18Н10Т,
10Х23Н18, 20Х23Н18,
12Х21Н5Т,
09Х15Н9Ю,
08Х17Н5М3, 07Х16Н6
IV
Жаропрочные (Тр > 700 °C), жаростойкие, кислотостойкие хромоникелевые, хромоникелемарганцевистые сложнолегированные стали аустенитного
и аустенитно-ферритного классов
10Х11Н20Т3МР,
10Х11Н23Т3МР,
37Х12Н8Г8МФБ,
45Х14Н14В2М,
08Х15Н24В4ТР,
15Х18Н12С4ТЮР,
07Х21Г7АН5,
12Х25Н16Г7АР
V
Жаропрочные деформируемые сплавы на железо- 36НХТЮ, ХН60ВТ,
никелевой и никелевой основе
ХН38ВТ, ХН77ТЮР,
ХН35ВТЮ,
ХН56ВМТЮ,
ХН67ВМТЮ,
ХН70ВМТЮ,
ХН75ВМТЮ,
ХН62МКВЮ,
ХН82ТЮМБ
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
128
Окончание табл. 3.15
Группа
Наименование группы
Марка материала
VI
Окалиностойкие и жаропрочные литейные сплавы ВЖ36-Л2, АНВ-300,
на никелевой и хромовой основе
ЖС6-К, ЖС3-ДК,
ХН67ВМТЮЛ,
ВХ4-Л
VII
Сплавы на титановой основе
ВТ1-0, ВТ1, ВТ1-1,
ВТ1-2, ВТ3, ВТ3-1,
ОТ4, ОТ4-1, ВТ5,
ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С,
ВТ14, ВТ15, ВТ22
VIII
Высокопрочные стали (sв > 1600 МПа)
28Х3СНМВФА,
30Х21ГСН2ВМ,
33Х3СНМВФА,
38Х3СНМВФА,
42Х2ГСНМ,
38Х5МСФА,
43Х3СНМВФА,
Н18К9М5Т
Таблица 3.16
Свойства сталей и сплавов и их обрабатываемость резанием
Обрабатываемый материал
Стали:
углеродистые
и легированные
жаропрочные
высокопрочные
Сплавы:
никелевые жаростойкие
титановые
тугоплавкие жаропрочные
легких металлов
Предел прочности
sв, МПа
Твердость HRC
K v (12Х18Н10Т)
400…1300
600…1500
850…2000
24…40
22…44
25…55
1,4…2,6
0,45…1,30
0,24…1,80
600…1100
700…1500
300…1300
100…400
26…36
20…42
22…40
10…20
0,10…0,24
0,5…0,8
0,2…0,8
1,3…2,4
Режимы резания сталей оптимизированы по стойкости инструмента для
определенных условий работы: чистовая обработка — стойкость резцов 30 мин,
получистовая и предварительная обработка — 60 мин, грубая обработка —
120 мин (Т5К10, ВК8).
В диапазоне значений скоростей резания режим грубой токарной обработки
занимает интервал до 50 м/мин, а режим чистовой обработки — до 250 м/мин.
При этом глубина резания по грубому режиму составляет до 5 мм, а по чистовому — до 1 мм при подаче соответственно до 0,5 и 0,1 мм/об. С ростом глубины резания и увеличением подачи скорость снижается на 20 %.
3.3. Механическая обработка
129
Чистовая обработка инструментом из ТС (ВК6-ОМ, ВК3-М) ведется при
v = 10…240 м/мин, S = 0,02…1,2 мм/об, t = 0,2…1,5 мм. Стойкость инструмента Т = 12 мин. Инструментом из СТМ обработку ведут при v = 40…300 м/мин,
S = 0,02…0,15 мм/об, t = 0,2…0,3 мм.
Предварительную обработку осуществляют инструментом из ТС (Т15К8,
ВК8, ВК6-М) при v = 10…140 м/мин, S = 0,3…0,8 мм/об, t = 5…12 мм, а
г рубую — инструментом из ТС (Т5К10, ВК8) при v = 10…50 м/мин, S =
= 0,6…1,5 мм/об, t = 8…30 мм.
Фрезерование сталей выполняют концевыми и дисковыми фрезами из БС
(Р9М4К8, Р6М5К5, Р6М5) и ТС (ВК6-М, ВК8, ВК10-М, ВК3-М, Т15К6,
ТТ10К8Б, Т5К10). Стали с пределом прочности до 1,6 ГПа хорошо фрезеруются инструментом из БС, стойкость которого составляет 150…300 мин.
Режимы ч и с то во го фрезерования сталей (ТС типа Т15К6, ВК6-М): v =
= 70…160 м/мин, S = 0,01…0,25 мм/зуб, t = 0,5…2,0 мм. Режимы предварите льного фрезерования: v = 30…80 м/мин, S = 0,03…0,25 мм/зуб, t = 2…8 мм.
Проре зно е фрезерование высокопрочных дисперсно-упрочненных и мартенситностареющих сталей (прочность выше 1,6 ГПа) ведется преимущественно
инструментом из ТС (ТТ10К8Б) при v = 40…70 м/мин, S = 0,004…0,2 мм/зуб,
t = 0,5…3,0 мм. Используют также стали ВК3-М, ВК6-М, Т15К6, ВК8.
С возрастанием прочности обрабатываемых материалов снижается
подача — до 0,1…0,2 мм/зуб. С увеличением толщины срезаемого слоя подачу снижают до 0,006…0,004 мм/зуб. Скорость фрезерования при этом
уменьшается до 140…35 м/мин, а стойкость фрез из БС — до 210…150 мин.
При фрезеровании «по подаче» стойкость фрез в 2–4 раза выше, чем при
фрезеровании «против подачи».
Концевые фрезы следует применять составными из винтовых пластин ТС
(Т15К6, Т5К10, ВК8). Они позволяют работать по корке со снятием малых
припусков (до 3 мм). При отсутствии корки и снятии больших припусков
целесообразнее применять фрезы из БС (Р9М4К8, Р6М5К5, Р6М5).
Стойкость фрез с пластинами из ТС выше, чем стойкость цельных, однако
зубья цельных фрез имеют большую прочность и технология их изготовления
более проста.
Сверлением обычно получают отверстия диаметром dотв < 30 мм. При этом
отверстия диаметром более 15 мм целесообразно получать в два перехода:
сначала сверлить отверстие диаметром 0,4–0,5 заданного диаметра, затем
рассверливать сверлом заданного диаметра. При рассверливании следует
применять подачу, которая в 1,5–2 раза больше, чем рекомендованная для
сверления. Отверстия диаметром более 30 мм вырезают с помощью трепанационного сверла (кольцевого). Глубина сверления обычно составляет (5…20)dотв.
Для получения более глубоких отверстий применяют специальные сверла
глубокого сверления.
В качестве материала сверл используют как БС (Р6М5К4, Р6М5, Р6М5К5,
Р18, Р9М4К8), так и ТС (ВК8). Сверла из ТС работают при увеличенной
в 1,2–1,5 раза скорости резания по сравнению со скоростью сверл из БС,
130
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
имеют стойкость более 20 мин и используются при обработке отверстий диаметром 2,5…25,0 мм. Сверление ими сталей, в том числе и труднообрабатываемых, ведется на режимах: v = 4…60 м/мин, S = 0,002…0,1 мм/об, t = 2…3 мм.
Сверла из БС имеют такую же стойкость, но предназначены для сверления
отверстий диаметром 1…20 мм в металлах средней прочности на режимах:
v = 20…35 м/мин, S = 0,10…0,25 мм/об, t = 2…3 мм.
Операции сверления спиральным сверлом обычно предшествует центрование — создание конического углубления для фиксирования в нем вершины
конуса сверла, для чего используется специальное центровочное сверло, выполненное из БС или ТС. Режим центрования отверстия: v = 10…30 м/мин,
S = 0,005…0,150 мм/об.
После сверления часто применяют развертывание полученного отверстия
для повышения точности его формы и размеров. Материалом развертки служат
как БС (Р6М5К5, Р9М4К8, стойкость которых в 2–4 раза выше стойкости
стали Р6М5), так и ТС (ВК6-М, ВК8, ВК10, ВК15-М), более пригодные для
обработки высокопрочных (sв > 1,6 ГПа) сталей. При этом развертки диаметром более 10 мм оснащают пластинами из ТС, а диаметром менее 10 мм
изготовляют из ТС цельными.
Режимы развертывания сталей:
• инструментом из БС v = 1,5…6,0 м/мин, S = 0,10…0,15 мм/зуб, t =
= 0,05…0,15 мм;
• инструментом из ТС v = 2,5…16,0 м/мин, S = 0,03…0,10 мм/зуб, t =
= 0,05…0,15 мм.
Жаропрочные и жаростойкие стали и никелевые сплавы отличаются
сильным и комплексным легированием разными элементами, большинство из
которых ухудшает обрабатываемость металла резанием, особенно Cr, Мо, W,
V, Si. Тем не менее после отжига (20–30 HRC) эти стали и сплавы обрабатывают механически без затруднений. После закалки, старения, термомеханической
обработки (ТМО) и других видов термообработки (~50 HRC) обрабатываемость
значительно ухудшается. Структурные превращения обрабатываемого материала (переход аустенита в мартенсит и выделение карбидов и интерметаллидов,
отличающихся высокой твердостью) приводят к большему изнашиванию инструмента и выкрашиванию его режущих кромок.
Способность сплава упрочняться наклепом характеризуется отношением
σ0,2/σв. Для обычных легированных сталей σ0,2/σв ≥ 0,60…0,65 и их резание не
вызывает затруднений. Для жаропрочных сталей σ0,2/σв ≤ 0,40…0,45. Здесь
металл более пластичен (вязок) и его труднее обрабатывать: нужна большая
работа пластического деформирования при резании. Неравномерность процесса пластического деформирования, вариации образующейся стружки
(суставчатой и элементной) и появление вибрации затрудняют резание.
Силы резания, развиваемые при обработке этих сталей и сплавов никеля,
в 1,2–2 раза (соответственно литейные — деформируемые) больше, чем при
обработке низколегированных сталей. Удельные давления на переднюю контактирующую поверхность инструмента составляют 6…9 ГПа против 5 ГПа
у низколегированных сталей. С этим связана необходимость применения не
3.3. Механическая обработка
131
только жестких систем СПИД, но и прочного, износостойкого инструментального материала. Высокие значения контактной температуры в зоне
«инструмент — деталь» являются основной причиной низкой стойкости инструмента, в связи с этим жаропрочные и жаростойкие материалы обрабатывают при малых скоростях резания.
Литейные сплавы из-за особенностей легирования и структуры более
жаропрочны, чем деформируемые, и хуже обрабатываются резанием. Литейные
жаропрочные сплавы содержат большое количество интерметаллидных и карбидных включений, из-за которых сильно изнашивается инструмент из БС
и в значительно меньшей степени — инструмент из ТС. Для меньшего изнашивания инструмента скорость резания уменьшают. Поэтому почти на всех
операциях обработки резанием литейных жаропрочных сплавов следует применять твердосплавный инструмент, в то время как при обработке деформируемых жаропрочных сплавов инструмент из ТС используют в основном при
непрерывном резании. Во многих случаях прерывистого резания (торцевое
и концевое фрезерование) при обработке деформируемых жаропрочных сплавов лучше применять инструмент из БС, а не из ТС. Если все же для этого
необходимо применить инструмент из ТС, обработку следует вести на уменьшенных подачах и глубинах резания. Инструмент из БС, в частности из сталей
Р9М4К8, Р6М5К5, Р6М5, следует использовать и для снятия больших припусков при отсутствии поверхностной корки металла. Одной из причин быстрого изнашивания и выкрашивания инструмента из ТС при прерывистом
резании является налипание частиц материала заготовки на режущие лезвия.
При последующем врезании прилипшие частицы срываются с лезвий вместе
с частицами ТС.
Группа высокопрочных сталей (sв > 1600 МПа) представлена двумя направлениями создания: высоколегированные и дисперсионно-твердеющие.
В первом случае возможности механической обработки близки рассмотренным
ранее для жаропрочных деформируемых сплавов. Их обработку следует вести
инструментом из ТС, а на чистовых токарных операциях целесообразно применение инструмента из МК и СТМ с пределом прочности более 1800 МПа
и твердостью не менее 40–65 HRC. Обрабатываемость дисперсионно-твердеющих сталей в состоянии закалки примерно в 2 раза ниже обрабатываемости
стали 45, а после старения — в 4 раза. Поэтому целесообразно основной
припуск срезать после закалки, а после старения проводить только чистовую
обработку. В целом же обрабатываемость резанием этих сталей выше, чем
обрабатываемость легированных сталей той же группы, так как при резании
дисперсионно-твердеющих сталей у режущей кромки инструмента образуется
застойная зона, способствующая уменьшению напряжений на передней поверхности.
При обработке дисперсионно-твердеющих сталей используют ТС типа
Т15К6, ВК6-ОМ, ВК6-М, ВК8, ВК3-М. При этом к достоинствам инструмента из сплава Т15К6 относится более высокая стойкость на малых скоростях
резания, а из сплава ВК6-ОМ — более высокое качество обработанной детали.
В случае необходимости можно обрабатывать высокопрочные материалы
132
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
(с пределом прочности менее 2000 МПа и твердостью менее 53 HRC) инструментом из БС на низких скоростях резания. Применение МК и синтетических
СТМ при обработке дисперсионно-твердеющих сталей нецелесообразно.
Используемые в машиностроении мартенситно-стареющие стали и дисперсно-упрочненные сплавы никеля механически обрабатывают с соблюдением условий, характерных для механической обработки жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Из ТС для обработки лучше применять сплавы типа
ВК6-ОМ и ВК3-М.
Механическую обработку труднообрабатываемых жаропрочных и жаростойких сталей и никелевых сплавов отличает наличие в структуре твердых фаз,
высокие прочность, твердость и ударная вязкость, склонность к налипанию на
резце и малая теплопроводность. Типовые параметры их резания составляют:
• при точении (Р18, ВК8) v = 5…8 м/мин, S = 0,1…0,8 мм/об, t = 1,0…1,5 мм;
• фрезеровании (Р18, Р9К5, ВК8) v = 50…60 м/мин, S = 0,10…0,25 мм/зуб,
t = 1…6 мм, ширина фрезерования В = 20…65 мм;
• сверлении (Р9, Р18, ВК10) v = 6,0…7,5 м/мин S = 0,037 мм/об (для диаметров менее 2,5 мм) и S = 0,12…0,30 мм/об (для диаметров 12…20 мм),
2φ = 140°.
Титановые сплавы. При обработке титана и сплавов на его основе следует учитывать их особенности. Для титана характерны увеличенное значение
параметра σ0,2/σв, равное 0,8…0,9, более высокая, чем у сталей, пластичность,
пониженная на 20…30 % склонность к упрочнению при наклепе. Степень
наклепа составляет около 120 %, глубина наклепанного слоя 125 мкм. Благодаря этому при резании наблюдается более низкий уровень нагрузок, из-за
малого модуля упругости возникает вибрация обрабатываемой детали, что
сказывается на точности получаемых размеров. Хотя в силу малой жесткости
титана предполагается, что при его резании будет выделяться меньшее количество теплоты, картину резко меняет малая теплопроводность.
В свою очередь, малая теплопроводность титана приводит к тому, что при
его обработке в резец передается до 20 % теплоты (у стали 5 %). В зоне резания
титана температура иногда достигает 1230 °С, сталей — 350 °С, алюминиевых
сплавов — 150 °С. Температура 800 °С при резании титана достигается уже при
v = 40 м/мин, S = 0,17 мм/об и t = 1,5 мм (для сравнения: такая температура
при резании сталей достигается только при v = 40 м/мин, S = 0,3 мм/об и t =
= 2 мм). При обработке титановых сплавов, отличающихся низкой пластичностью, усадка стружки мала, и при определенных условиях происходит не усадка, а удлинение. Малая усадка обусловливает незначительную площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента и большую скорость ее
перемещения по передней поверхности, что вызывает высокие контактные
давления и температуру. В этих условиях пластичный и вязкий металл имеет
склонность к диффузионной сварке. Нагрев инструмента и самой детали, контактные нагрузки на инструмент и ювенильный металл от свежего среза создают благоприятные условия для такой сварки.
Малая площадь контакта стружки, большие контактные давления способствуют налипанию и схватыванию нароста от обрабатываемого титана на
3.3. Механическая обработка
133
режущем инструменте, что приводит к большему его изнашиванию, а также
увеличивает шероховатость поверхности детали. Истирание особенно велико
у режущей кромки и на задней поверхности инструмента.
Стойкость Т инструмента составляет от 30 (у (α + β)-сплавов) до 7 мин
(у b-сплавов). Достигаемая шероховатость поверхности Ra = 2, 5...0, 32 мкм
для ТС, Rz = 80...20 мкм для БС, т. е. получение чистых поверхностей и точных
размеров затруднено. Склонность к задирам наблюдается даже при смазке.
Для уменьшения негативных последствий описанного явления заготовку
подвергают пескоструйной обработке, оксидированию, покрывают лаком или
клеем БФ-2, снижая тем самым коэффициент трения до 0,02…0,06. Кроме
того, проводят регулирование режима обработки (уменьшение скорости, увеличение подачи и глубины резания), применяют СОЖ.
Три класса титановых сплавов из-за различия структур имеют неодинаковые условия для механической обработки. Уменьшение стойкости Т инструмента с 30 до 5 мин приходится на структурный ряд (a + b)-сплавы
(ВТ3-1) → a-сплавы (ВТ5) → b-сплавы (ВТ15).
Ухудшение обрабатываемости вследствие увеличения прочности и усиления образования нароста на задней поверхности резца наблюдается в ряду
a-сплавы → (a + b)-сплавы → b-сплавы.
Высокая химическая активность титана (газопоглощение, образование твердого слоя a-структуры, охрупчивание металла) также влияет на его обрабатываемость. Поверхностный слой титановых сплавов толстый (52…270 мкм) и
зависит от температуры и длительности термической обработки (400…700 °С).
Особенностью титана является наличие в этом слое больших остаточных
(в 3–4 раза более высоких, чем у стали) и растягивающих напряжений, которые
снижают сопротивление усталости и ведут к появлению поверхностных трещин.
Сопротивление усталости титановых сплавов сильно зависит от вида обработки. Самый высокий предел ограниченной выносливости sRN (43…44 МПа)
при 107 циклах нагружения у титана после виброгалтовки и гидродробеструйной обработки. Наименьшее сопротивление усталости (29...33 МПа) наблюдается при пневмогидродробеструйной обработке, полировании войлочными
кругами и анодировании. Глубина их наклепа соответственно равна 270, 52 и
54 мкм, а степень наклепа 124, 116 и 121 %. Предел выносливости s–1 повышается у титана от полирования и чистового точения алмазом или нитридом
бора (до 44 МПа).
Высокая коррозионная стойкость снижает эффективность применения СОЖ
при обработке титановых сплавов:
• СОЖ для a-сплавов могут не применяться (нароста образуется мало);
• СОЖ для других титановых сплавов — слабый (2%-ный) раствор кальцинированной соды. Эффективны активные СОЖ с большим содержанием
в эмульсии наполнителей в виде высокомолекулярных соединений. Молекулы
полимеров при нагреве дают квазиплазму, которая насыщена свободными
радикалами и обладает избыточной поверхностной энергией, что понижает
поверхностную энергию твердого тела и повышает КПД процесса резания.
Особенно ценны такие СОЖ при абразивной обработке, так как снижают
134
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
вязкость титановых сплавов. Для добавок в СОЖ используют высокомолекулярные жидкости МХ0-62 (5 %). Это позволяет уменьшить силы резания
в 5–6 раз (для СОЖ на основе соды только в 2–3 раза).
Стружка титана — длинная ненавивающаяся. Коэффициент усадки стружки составляет 1,7…0,8, но может быть и отрицательным при скорости резания
v = 5…10 м/мин (у стали он составляет 2,5…1,5 при v = 20…90 м/мин).
Титановые сплавы с пределом прочности до 1000 МПа при отсутствии
наклепа легко обрабатываются инструментом из БС и ТС. По сравнению
с обработкой металла в отожженном состоянии резание сплавов после старения и термомеханической обработки с пределом прочности более 1000 МПа
инструментом из БС затруднено и его производительность ниже на 20…25 %.
Для титановых сплавов в условиях отсутствия корки и снятия больших припусков целесообразно применять инструмент из БС (стали Р9М4К8, Р6М5К5,
Р6М5, стойкость которых в 1,5–3 раза выше, чем стойкость стали Р18), что
позволяет вести обработку хотя и при пониженных скоростях резания, но
с увеличенными подачами и глубинами резания.
При работе по корке, а на сплавах с пределом прочности выше 1200 МПа
и без корки следует применять только инструмент из ТС, причем группы ВК:
ВК10-ОМ, ВК8 — для черновых проходов и ВК6-ОМ, ВК6-М, ВК3-М — для
чистовых. Для этих условий обработки характерны вдвое более низкие скорости резания, которые установлены с учетом склонности к налипанию обрабатываемого металла на инструмент, низкой теплопроводности и большой
упругости, вызывающей защемление инструмента в обрабатываемых полостях.
Обычно механическую обработку титана осуществляют инструментом из
ТС: ВК8 — по корке, а ВК2, ВК4, ВК6 — чистовую.
Из БС применяют Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р14Ф4, Р18. Стойкость
инструмента повышают, оптимизируя форму: задний угол a большой (10…15°),
передний угол g — отрицательный и большой (–10…–15°). Угол в плане
j ≤ 45°. Заточка резца с острой кромкой радиусом R = 0,1 мм. При черновом
точении сплава ВТ3 резцом из ВК8 стойкость инструмента Т = 13…35 мин.
Режимы обработки титановых сплавов приведены в табл. 3.17.
Таблица 3.17
Режимы обработки ТС разным инструментом при стойкости Т = 180 мин
Материал инструмента
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
ТС
БС
10…160
5…105
0,03…0,80
0,03…0,30
0,30…40
0,05…40
Интенсифицируют механическую обработку титана предварительной обработкой:
• пескоструйной альфированного слоя;
• травлением в водном растворе 16%-ной азотной кислоты и 5%-ной плавиковой кислоты с последующей нейтрализацией;
• снятием фаски с торца вспомогательным инструментом;
• подогревом заготовок;
3.3. Механическая обработка
135
• анодно-механической;
• электроэрозионной.
Покрытия на ТС (Al2 O3 + TiC, SiAlON, Al2 O3 + Zr) позволяют повысить
скорость резания в 3–5 раз.
Плазменный подогрев зоны резания дугой с колеблющимся анодным пятном применяют при черновой обработке для увеличения ширины срезаемого
металла многолезвийным инструментом (фрезой) с T = 60 мин, для чего используют, например, установку «Плазма-4», которая работает в среде Ar + N 2
и имеет следующие характеристики:
Потребляемая мощность, кВт .....................................................
Ток разряда, А ...............................................................................
Напряжение холостого хода, В ...................................................
Диаметр пятна, мм .......................................................................
Дистанция плазмотрона, мм ........................................................
Амплитуда колебаний анода, мм ................................................
Напряжение дуги, В .....................................................................
Ток дуги, А ....................................................................................
Скорость резания, м/мин .............................................................
Подача плазмотрона, мм/об .........................................................
Глубина резания, мм ....................................................................
100
350
300
12
250
24
100
280
10…12
1,8
40
Тугоплавкие металлы. Особенности резания тугоплавких металлов индивидуальны и соответствуют свойствам основных металлов этой группы:
вольфрама, молибдена, ниобия и тантала. По прочности вольфрам и даже
молибден близки ряду высокопрочных сталей и титановых сплавов, в то время как тантал и ниобий обладают прочностью низколегированных сталей
и алюмомагниевых сплавов, поэтому механическая обработка вольфрама и
в какой-то степени молибдена несколько затруднена, а обработка тантала
и ниобия осуществляется относительно легко, но специфично.
Достигаемая в процессе резания температура лишь ненамного превосходит
интервал хрупкости вольфрама и молибдена (до 600…900 K). Эти материалы
при обработке хрупки, что создает условия для дробления стружки и образования надрывов и трещин на поверхности детали. Такие же условия нагрева
выводят тантал и ниобий, обладающие более низкой температурой хрупкости,
в область вязкопластичного состояния, для которого характерно не только появление сливной стружки, но и адгезионное налипание металла на режущий
инструмент, образование задиров и наволакиваний на обрабатываемой поверхности.
При обработке любых тугоплавких металлов существуют следующие проблемы: получение малых значений высот микронеровностей обрабатываемой
поверхности; исключение вырывов, сколов или деформаций кромок и тонких
стенок, образования трещин, диффузионного приваривания трущихся поверхностей детали и инструмента. Эти проблемы усугубляются при укрупнении
размера зерна в структуре вольфрама и молибдена или при резании тантала
и ниобия без СОЖ.
136
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Твердость тугоплавких металлов не превышает 35 HRC, но вследствие их
высокой истирающей способности и склонности к адгезии с материалом инструмента происходит сильное абразивное изнашивание последнего. Износ
инструмента в 2–20 раз больше, чем при резании сталей средней твердости,
стойкость твердосплавного инструмента часто составляет 5…10 мин. В целях
увеличения стойкости инструмента (как правило, вдвое) при резании вольфрама
и молибдена рекомендуется предварительный нагрев заготовки до температуры
300…400 °C (для операций нарезания резьбы, сверления, точения).
Предварительные значения температуры резания тугоплавких металлов
ограничены температурой начала их окисления на воздухе. Этот диапазон составляет 300…600 °C для вольфрама и молибдена и 200…300 °C для тантала
и ниобия. Оставаться в этом температурном диапазоне нагрева обрабатываемой
заготовки можно на пониженных режимах обработки и с обильным охлаждением СОЖ.
Условия резания тугоплавких металлов ухудшены тем, что их теплопроводность значительно меньше (в 3–10 раз), чем у малоуглеродистых сталей.
Например, доля теплоты, передаваемой в резец, составляет 20…25 % всей
теплоты, выделяемой при резании.
Вместе с тем в группе тугоплавких металлов наиболее высока теплопроводность у вольфрама и молибдена, у тантала и ниобия она в несколько раз
меньше. Таким образом, отвод теплоты от детали из вольфрама и молибдена
эффективнее, небольшой нагрев детали способствует более полному сохранению материалом хрупкого характера поведения при резании. В первую очередь
это относится к вольфраму, у которого мала и теплоемкость. Изменение режимов обработки и применение СОЖ в этом случае улучшают условия работы инструмента и в меньшей степени изменяют характер поведения обрабатываемого материала.
В случае обработки ниобия и тантала, обладающих высокой теплоемкостью
и низкой теплопроводностью, изменение режимов обработки или применение
СОЖ, прежде всего, сказывается на вязком характере поведения материала
при резании и на точности получаемых размеров и формы обрабатываемой
детали, особенно из ниобия, у которого более высокое значение температурного коэффициента линейного расширения, чем у вольфрама.
Для улучшения условий обрабатываемости тугоплавких металлов, особенно вольфрама, применяют предварительный нагрев заготовок и СОЖ при
резании. Вместе с тем нагрев заготовок и применение СОЖ резко снижают
ценность отходов металлообработки и в ряде случаев делают невозможным
их дальнейшее использование.
Спецификой механической обработки тугоплавких металлов является их
химическая активность к кислороду при нагреве до температур 200…600 °С,
поэтому условия резания должны учитывать их низкую жаростойкость.
Наконец, особенности резания тугоплавких металлов связаны с их высокой
жаропрочностью. Прочность тугоплавких металлов даже с нагревом снижается мало, поэтому их резание сопровождается высоким удельным давлением
инструмента на обрабатываемую деталь.
3.3. Механическая обработка
137
В условиях значительных механических нагрузок инструмента на деталь
при относительно невысоких температурах протекают процессы наклепа тугоплавких металлов. При температурах на 100…200 °C ниже температуры рекристаллизации интенсивность наклепа все еще высока, поэтому механическая
обработка тугоплавких металлов, особенно вольфрама и молибдена, сопровождается высокими остаточными напряжениями (1500…1800 МПа). Кроме того,
для их обработки желательно использовать более жесткое металлообрабатывающее оборудование.
Для работы с тугоплавкими металлами применяют инструмент из ТС (ВК10,
ВК8 для вольфрама и молибдена, ВК4 для ниобия и др.) и из БС (Р12Ф3К10М3,
Р9М4К8 для вольфрама и молибдена, Р9К5, Р9М4К8 для ниобия и др.).
Чистовую обработку тугоплавких металлов можно выполнять и инструментом
из СТМ. Конструкция инструмента для обработки тугоплавких металлов имеет свои отличия, учитывающие особенности резания и режимы. Вольфрам и
молибден более чувствительны к изменению режимов обработки, особенно
скорости резания, чем ниобий и тантал.
Диапазон применяемых скоростей резания тугоплавких металлов широк.
Он составляет 2…150 м/мин, причем меньшие скорости характерны для условий резания вольфрама и молибдена, а бóльшие — ниобия и тантала.
Кроме того, бóльшие скорости резания относятся к чистовым переходам обработки. Скорости сверления занимают первую треть диапазона, а скорости
фрезерования — вторую. При обработке тугоплавких металлов применяют
жесткие резцы с увеличенными задними углами.
Неметаллы. Механическая обработка неметаллических материалов проводится в целях достижения требуемых форм и размеров деталей с использованием лезвийных инструментов на механообрабатывающих станках и для
подготовки поверхности этих материалов к операциям клепки, сварки, склеивания и нанесения покрытий с использованием абразивного инструмента
в виде порошковых паст, брусков, кругов, стержней. Обрабатываемость резанием керамических, композиционных материалов и ПКМ существенно зависит
от природы наполнителя (керамический, металлический, полимерный), его
вида (волокно, ткань, порошки, бумага, фольга, соты), структурной схемы
армирования материала (однонаправленная, перекрестная, изотропная), а также от комплекса свойств связующего, включая его природу, теплофизические
и физико-механические свойства. Применительно к обрабатываемости все
неметаллические материалы можно условно разделить на пять групп.
1. Жесткие ПКМ на термореактивных связующих (например, угле-, органо-, стекло-, боропластики (соответственно УП, ОП, СП, БП) и сферопластики), а также гибридные композиционные материалы (поливолоконные и полиматричные композиты).
2. Термопластичные и эластомерные материалы (например, фторопласт,
нитрильная резина) и ПКМ на этих матрицах.
3. Разреженные полимерные и керамические материалы типа пенополиуретана, пенополистирола, пенокерамики, пористой волоконной керамики
и керамики из нитевидных кристаллов.
138
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
4. Твердые керамические материалы типа кварца, графита, алмаза и нитрида бора, армированного графита (УУКМ).
5. Металлические композиционные материалы типа бороалюминия и углеалюминия.
Такое деление условно, поскольку не включает некоторые виды неметаллических материалов, например ткани, пленки, бумаги, войлоки, маты, и не
отражает всего многообразия подходов к оценке особенностей механической
обработки. Труднообрабатываемыми являются материалы групп 1, 4 и 5.
Формообразование деталей из полимеров и ПКМ обычно осуществляется
литьем под давлением, намоткой, послойной выкладкой, прессованием в технологической оснастке, поверхности которой определяют форму, размеры,
высоты микронеровностей и отклонения макронеровностей у формуемой заготовки. Детали из таких заготовок имеют высокий коэффициент Kи.м использования материала и низкий коэффициент обрабатываемых поверхностей
и нуждаются в ограниченном объеме механообрабатывающих операций (удаление грата, литников, облоя, оформление отверстий, обработка мест, недоступных в процессе формообразования).
Размерная механическая обработка таких заготовок проводится на универсальном оборудовании, но с применением специализированных СТО, учитывающих особенности материалов.
Отличие свойств полимеров и ПКМ от свойств металлов, учитываемое при
резании, заключается:
• в низких значениях плотности, твердости, теплопроводности, теплостойкости, прочности на сжатие, изгиб и срез;.
• в высоком значении температурного коэффициента линейного расширения и сильном абразивном воздействии на инструмент.
При механической обработке подобных материалов учитывают следующие
особенности СТО.
1. Применяемые приспособления должны позволять маложестким, по
сравнению с металлами, материалам с высоким уровнем упругих свойств
успешно сопротивляться действующим при резании нагрузкам и сохранять
качественные показатели детали (точность размеров и формы).
2. Резание термопластичных и эластомерных полимерных материалов протекает в благоприятных условиях небольших значений сил резания, а при
обработке жестких термореактивных полимеров эти силы только в 10 раз
меньше, чем при обработке труднообрабатываемых металлов, и соответствуют
усилиям резания магниевых сплавов. Абразивное воздействие структурных
элементов ПКМ на материал инструмента изменяет характер условий резания
полимеров и ПКМ на близкий к обработке малоуглеродистых и низколегированных сталей. По мере изнашивания инструмента силы резания растут экспоненциально.
3. Упругое последействие материала велико и сильно влияет на точность
обработки. Истинный размер оказывается на 1…2 % меньше номинального.
Термопластичные полимерные материалы сильнее деформируются, чем термореактивные. Диаметр сверл в диапазоне 3…8 мм должен быть больше диаметра отверстия детали на 0,04…0,12 мм.
3.3. Механическая обработка
139
В отличие от резания металлов, при котором 90 % выделяемой теплоты
идет в стружку и 10 % — в деталь и инструмент, при резании ПКМ все наоборот: 90 % теплоты идет в инструмент и 10 % — в стружку и деталь.
От температуры в зоне резания полимеров, обладающих низкой теплопроводностью и теплостойкостью, зависят качество обработки поверхности материалов (задиры, прижоги) и термостабильность формы заготовки (деструкция и деформация материала), поэтому задний угол a резцов должен быть
увеличен по сравнению с углом при резании металлов, особенно для ПКМ.
4. Для уменьшения сил резания инструмент должен быть острозаточенным
и иметь малые передний угол g и угол j в плане. Ленточки и скругления режущей кромки недопустимы.
Износ инструмента, с которым связаны резкое ухудшение точности обработки и увеличение высоты микронеровностей, существенно меньше, чем
при резании металлов, особенно по задней поверхности. Большие силы трения
на задних поверхностях инструментов, повышенный коэффициент трения полимеров и ПКМ с лезвийным материалом приводят к большей работе трения,
способствуют изнашиванию, налипанию материала на резце, засаливанию
шлифовальных кругов, особенно алмазных. Процесс стружкообразования
у полимерных материалов отличается от процесса, характерного при резании
металлов и керамик: термопластичные полимеры вязкотекучи и налипают на
инструмент, а также забивают свободные объемы в нем, а термореактивные
полимерные материалы — хрупки и абразивны. Объемы пространств для размещения стружки между зубьями инструментов увеличены, канавки для отвода стружки должны иметь больший объем, чем при резании металлов.
5. Важен выбор материала инструмента и формы режущих кромок. Инструменты отрабатывают на резание конкретного материала и оптимизируют
по углам заточки.
Твердые сплавы применяют чаще БС, особенно для обработки жестких
полимеров и ПКМ. Геометрические параметры режущей части резцов из ТС
приведены в табл. 3.18.
Таблица 3.18
Углы заточки резцов из ТС, град
Вид обработки
g
a
j
j1
Черновая
10…15
15…25
45
15
Чистовая
10…20
10…20
—
—
Токарная обработка обеспечивает получение точности размеров IT 11, 12
и шероховатости поверхности Rz = 20 мкм.
Наполнители ПКМ в виде керамических порошков, керамических и органических волокон вызывают эрозионное изнашивание материала инструмента,
снижая его стойкость (время работы до предельного износа).
Таким образом, обрабатываемость ПКМ существенно зависит от типа наполнителя (т. е. от природы армирующих волокон — СП, УП, ОП, БП), схемы
армирования материала (однонаправленная, перекрестная), его структуры
140
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
(одно-, многослойная), вида наполнителя (порошки, микросферы) и вида матричного материала. Разнообразие материалов фаз любого композиционного
материала создает комплексную картину влияния его природы и структуры,
различий в особенностях механической обработки. Для каждого материала
отрабатывают режимы обработки (v, S, t).
Специфику полимеров и ПКМ составляют также условия механической
обработки. Производственный участок оснащают эффективными системами
очистки и вентиляции (отсос образующейся пыли, газов деструкции и пиролиза полимеров), отвода специфической стружки, поддержания нормальных
условий работы оператора, обеспечения антиэрозионной защиты оборудования
и СТО.
Применение СОЖ часто бывает недопустимым (масло и вода) из-за негативного влияния жидкости на свойства обрабатываемого материала. Тогда
заготовку обдувают сжатым воздухом. Если возможно, инструмент охлаждают
погружением в СОЖ (5%-ный раствор эмульсола). Это дает более высокую
точность обработки. Применяют одновременный обдув сжатым воздухом
и полив раствором эмульсола.
Невысокий уровень истирающего воздействия на изнашивание инструмента позволяет при обработке большинства термопластов (ПЭ, ПВХ, ФТ, ПС,
ПММА) применять в качестве инструментального материала углеродистую
сталь (У10А) или быстрорежущую (Р9, Р18). Режимы резания приведены
в табл. 3.19.
Таблица 3.19
Режим обработки термопластов резцом из БС
Вид обработки
Черновая
Чистовая
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
T, мин
30…700
70…1000
0,1…1,0
0,02…0,5
1,5…5,0
0,5…2,0
15…90
90…360
Твердые сплавы используют только для группы прочных и теплостойких
термопластов. Режимы их резания приведены в табл. 3.20 и 3.21.
Таблица 3.20
Режимы обработки термопластов резцом из ТС
Вид обработки
Черновая
Чистовая
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
T, мин
300…600
600…1000
0,5…1,0
0,2…0,5
2…10
0,5…1,0
20…120
120…480
Фрезерование термопластов ведется фрезами значительно бóльших диаметров (200…300 мм), чем при обработке металлов. Толщина фрез составляет 3…6 мм.
Через четыре-пять зубьев один зуб фрезы сошлифовывают (для лучшего
отвода стружки). Применяют фрезы из ТС (углы заточки инструментов γ = 5°,
a′ = 15…30°) марок ВК8, ВК10. Острые углы зубьев расположены под углом
20…55° к оси фрезы.
3.3. Механическая обработка
141
Таблица 3.21
Режимы фрезерования термопластов инструментом из ТС
Материал
инструмента
Вид обработки
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
T, мин
ВК3-М, ВК6-М
Черновые проходы
100…600
0,2…2,0
3…12
60…120
ВК6, ВК8
Чистовые проходы
150…1000
0,05…1,0
1…8
120…180
На точность размерной обработки маложестких полимеров влияет кинематика взаимодействия инструмента с заготовкой: ширина фрезерования
и длина фрезеруемой поверхности, тип станка. Более высокой точности достигают при обработке горизонтальных плоскостей торцевой фрезой на фрезерном станке.
Осевые инструменты (сверла, развертки, зенкера и зенковки) для обработки термопластов выполняют из сталей Р9, Р18, У10А, реже из ТС (ВК8,
ВК10) — для жестких полимеров и ПКМ.
Углы при вершине сверл: под термопласты 2φ = 60…150°, под термореактивы 2φ = 30…120°.. Угол подъема спирали a′ = 8…20° .
Актуальна двойная заточка сверла (2φ = 40…60° и 2φ = 80…110°) при
сверлении глубоких отверстий.
Для того чтобы избежать образования трещин и расслоений ПКМ, лучше
предварительно сверлить отверстие небольшого диаметра, а затем окончательно его рассверливать.
Уменьшение угла при вершине сверла позволяет предотвратить выкрашивание по краям отверстий при сквозном сверлении и ограничивает увод сверла от заданного направления.
При сверлении отверстия используют деревянные подкладки. Толщина
среза на выходе инструмента из обрабатываемого материала должна быть
максимально возможной (это предохраняет материал от скола).
Сверлить без кондуктора нельзя, так как разбивка отверстия делает его
бóльшим, чем диаметр dсв сверла: dотв = dсв + 0,04…0,12 мм. Рекомендуется
периодический вывод инструмента из отверстия для удаления стружки и охлаждения сверла.
Достигается точность обработки IТ 7–9 по кондуктору, IТ 11, 12 без него
и шероховатость поверхности Rz = 20 мкм.
Зенковка с углом при вершине 2φ = 120° c четырьмя–шестью зубьями.
Глубина зенкуемого гнезда должна быть на 0,3…0,8 мм больше, чем высота
головки заклепки.
Развертка с углами a′ = 8…10° и 2φ = 150° выбирается диаметром d =
= dотв + 0,01…0,02 мм.
Сверление термопластов рекомендуется вести инструментом из БС на высоких скоростях вращения при небольшой подаче (табл. 3.22).
Жесткие термореактивные ПКМ конструкционного (СП, УП, ОП, БП)
и теплозащитного назначения (гибридные каучуко-смоляные композиции) относят к группе труднообрабатываемых материалов. Обрабатываемость их
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
142
резанием определяется объемным содержанием наиболее труднообрабатываемого волокна или керамического порошка. Например, если гибридный композиционный материал содержит стеклянные и борные волокна, то его обрабатываемость, зависящая в первую очередь от интенсивности изнашивания
режущего инструмента, будет определяться наиболее труднообрабатываемым
борным волокном.
Таблица 3.22
Режим сверления термопластов
Материал сверла
Р9, У10А
Р18
S, мм/об
Т, мин
v, м/мин
0,03…0,80
0,05…0,90
90
150
10…75
40…150
При резании ПКМ температура в зоне резания может достичь 600 °С
и вызвать термодеструкцию связующего, начиная с температур 250…350 °С
даже у термостойких матриц и полимерных наполнителей. Сила резания ПКМ
в 10–15 раз меньше, чем сила резания металлов. Ее тангенциальная составляющая составляет 150 Н и достигает 85…90 % значения осевой силы резания,
так как велика зона упругого сжатия ПКМ.
Небольшие значения сил резания обусловлены низкими пределами прочности sв при сжатии и sсрез при срезе ПКМ. С увеличением скорости резания
они уменьшаются. При резании инструментом из алмаза и эльбора силы резания уменьшаются в 10 раз по сравнению с силами резания инструментов из
других материалов. Сверхтвердые материалы применяют при обработке деталей с твердостью HRC > 60 на скорости резания v = 500 м/мин.
Силы резания создают большие локальные напряжения в материале, и
в нем появляются микротрещины.
В зоне механической обработки (при высоких значениях температуры
и усилия резания) происходит деструкция материала и выделяются свободные
радикалы, обладающие избыточной энергией. В результате образуется вязкотекучий в микрообъемах полимер, являющийся ПАВ. Это ПАВ снижает поверхностную энергию металла инструмента, увеличивая его износ.
Полимерные композиционные материалы типа СП имеют высокие прочность и абразивные свойства, низкий коэффициент теплопроводности, поэтому существует опасность деструкции материала и велика неоднородность
структуры. Для обработки применяют инструмент из ТС типа ВК с малыми
углами заострения, не рекомендуется СОЖ, рациональнее воздушное охлаждение. При резании образуется мелкодисперсная пыль, выделяются токсичные
газы и продукты пиролиза. Износ инструмента из БС (Р6М5 и Р9К5) на скорости 25…100 м/мин при подаче S = 0,02…0,06 мм/об соответствует 0,5 мм
для чистовой и 1 мм для черновой обработки при стойкости 60 мин. Углы
заточки инструмента γ = 10…3° и a = 10…12° .
Механическая обработка ОП отличается от обработки СП и близка к обработке твердой древесины.
3.3. Механическая обработка
143
Инструменты должны быть острыми. Используют технологию минимального нагрева материала, минимального налипания связующего на инструмент,
учитывают направление сдвигающих усилий резания в сторону внутренних
слоев материала. Применяют жесткие подложки, к которым обрабатываемая
заготовка приклеивается через слой стеклоткани.
Сверление ведут через кондуктор и технологическую накладку, препятствующие отслоению внутренних и внешних слоев материала. Актуальны
сверла с плоским концом, а также специальные конусовидные и лопатовидные
сверла. Резание ведут на средних и высоких скоростях.
Уровень эрозионного воздействия стружки термореактивных композиционных материалов на износ инструмента довольно высок, поэтому при механической обработке требуется применять инструмент из ТС (ВК8, ВК6, ВК2)
и реже из БС (Р18), использование которой нерационально из-за меньшей
производительности процесса и более низкой стойкости материала инструмента (табл. 3.23).
Таблица 3.23
Режимы точения термореактивных композиционных материалов
инструментом из ТС и БС
Материал
инструмента
ВК6
ВК8, ВК2
Р18
Вид точения
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
T, мин
Черновое
70…600
0,08…0,80
1…8
30…120
Чистовое
50…800
0,05…0,25
0,5…5,0
50…180
Черновое
100…200
0,10…0,40
2…4
60
Чистовое
140…350
0,08…0,20
0,5…2,0
120
Термореактивные композиционные материалы, наполненные порошковыми
или волокнистыми полуфабрикатами (СП, УП, ОП и др.), проявляют анизотропию свойств, которая влияет на характер процесса резания. Их обработку
ведут на режимах, указанных в табл. 3.24.
Таблица 3.24
Режимы точения и фрезерования термореактивных
композиционных материалов
Наполнитель
v, м/мин
S, мм/об
t, мм
Точение
Порошок
70…160
0,03…0,20
0,05…0,30
Волокна
8…80
0,06…0,40
—
Фрезерование (a = 18°, g = 50°)
Порошок
100…490
0,01
3…5
Волокна
150…860
0,02…0,50
—
144
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
При сверлении наибольшее влияние на качество обработки отверстия
в ПКМ, производительность процесса и износ материала оказывает угол 2j
при вершине. При сверлении инструментом из ТС (ВК6) значения этого угла
оптимизируют в зависимости от обрабатываемого ПКМ (табл. 3.25).
Таблица 3.25
Режимы обработки при сверлении отверстий
Материал инструмента
Угол 2j, град, для ПКМ
порошковых
слоистых
Сквозные отверстия
ВК6
50…70
Р18
30…50
ВК6
Р18
Глухие отверстия
50…120
30…80
90...100
100...150
70...80
135
120…150
110…130
Примечание. В числителе указано значение угла 2j при сквозном сверлении перпенди кул я р н о слоям, в знаменателе — вд оль слоев.
Отверстия больших размеров могут быть получены с помощью трепанационного сверла, специальной фрезы или канавочного резца.
Жесткий эластомерный ПКМ, каким является баллиститное твердое ракетное топливо (ТРТ), создает затруднения при механической обработке. Его
низкая температура воспламенения (менее 260 °С) и низкая температура начала интенсивного разложения (около 100 °С) ограничивают скорости резания
даже в условиях интенсивного охлаждения водой.
Высокая теплоемкость (в 3 раза выше, чем у стали) и низкая теплопроводность (в 200–300 раз меньше, чем у стали) создают условия повышенного
нагрева инструмента.
Металлические (алюминиевые) и другие порошковые компоненты смесевых
ТРТ затрудняют резание в условиях сильного абразивного воздействия на
инструмент и снижают опасность электризации трением.
Высокое значение температурного коэффициента линейного расширения
ТРТ (в 5–8 раз больше, чем у стали), чувствительность к ударным воздействиям и электрическим импульсам дополняют комплекс требований, учитываемых
при механической обработке твердотопливных шашек.
Для их обработки используют инструмент из ТС типа ВК3-М, ВК6-М или
ВК8 с углами g1 = 10…15°, a = 20°, j = 45°, j1 = 15° и радиусом заточки
R = 1 мм.
Режим резания: v = 1200 об/мин, S = 0,4…1,2 мм/об, t = 5…35 мм.
3.3. Механическая обработка
145
При механической обработке необходимо учесть следующие особенности
жестких термореактивных ПКМ.
1. Силы резания жестких ПКМ типа асбопластика (АП), СП, УП и ОП
в 2 раза меньше, чем при резании алюминиевых и магниевых сплавов, и
в 15–20 раз меньше, чем при резании сталей. Это обстоятельство благоприятствует возможности использования при резании высоких скоростей, подач
и больших глубин резания. Вместе с тем у ПКМ низкая прочность на сдвиг,
скалывание по слою связующего и отрыв слоев наполнителей друг от друга.
Прочность на сдвиг (срез) волокнистых ПКМ в лучшем случае составляет
около 20 % прочности на растяжение, прочность порошковых ПКМ на отрыв
(50…100 МПа) еще меньше (7…15 %), а на послойное скалывание слоистых
ПКМ совсем мала (2…10 %). В связи с этим при механической обработке
необходимо согласовывать направление движения инструмента относительно
расположения волокон наполнителя в самом ПКМ, избегать встречных направлений и превышения действующих сил резания над прочностью материала в соответствующих схемах нагружения. Особенно чувствительны к этому
УП и БП, у которых сдвиговые характеристики и прочность связи наполнителя и связующего самые невысокие среди ПКМ. Композиты, наполненные
тканями (текстолиты), чувствительнее наполненных волокнами (волокниты),
а намотанные — чувствительнее прессованных.
2. Абразивное воздействие ПКМ на режущий инструмент, вызванное спецификой структуры, очень велико, поэтому значителен износ режущего инструмента — около 0,68…1,42 мг на 1 г снимаемого материала.
Изнашивание зависит от инструментального и обрабатываемого материала,
возрастает пропорционально росту скорости резания и снижается с уменьшением подачи и глубины резания. Отсюда важен выбор оптимальной скорости
резания как для максимизации производительности и минимизации износа,
так и для улучшения качества обрабатываемой детали и снижения стоимости
обработки.
В целом механическую обработку ПКМ отличает от обработки металлов
возможность использовать большую скорость резания — от 20…60 м/мин при
черновом фрезеровании, точении и сверлении до 150…350 м/мин при чистовом
точении и фрезеровании и даже до 800 м/мин при тонком алмазном точении
и шлифовании с малыми подачами (обычно 0,03…0,30 мм/об, реже — до
0,5…0,8 мм/об). Диапазон глубины резания ПКМ составляет 0,05…4,0, иногда
до 5 и даже до 20 мм. Более низкие скорости резания характерны для обработки СП и АП, более высокие — для УП и ОП.
Резание волокнитов ведется на меньших скоростях, чем резание текстолитов.
Для механической лезвийной обработки ПКМ можно рекомендовать инструменты группы ВК, для черновой и предварительной обработки и в условиях прерывистого резания — ТС типа ВК6-ОМ, ВК6-М, ВК8 и ВК10, а для
чистовой — ВК2, ВК3-М, ВК4-М и ВК6-ОМ. Твердосплавный инструмент
группы ТК применять не рекомендуется ввиду его низкой стойкости к абразивному изнашиванию. Это же относится и к БС, но наиболее стойкие из них
(Р9М4К8, Р9К5, Р6М5, Р6М5К5) все же используют для резания ПКМ, в частности, спиральными сверлами с V-образной канавкой.
146
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Мелкозернистые ТС в 2 раза более износостойки по сравнению с ТС
обычной структуры, а особо мелкозернистые на 20…40 % более износостойки, чем мелкозернистые. Скорость резания инструментом из ТС марки ВК8
на 15 % больше, чем скорость резания инструментом из сплава ВК6-М, и на
25 % больше, чем из сплава ВК6-ОМ, а для сплавов ВК10-М и ВК15-М соответственно ниже на 10 и 30 %. Эти значения служат поправочным коэффициентом на скорость резания в зависимости от материала инструмента.
Для ряда операций (тонкого точения, сверления кольцевыми (трепанационными) сверлами, абразивной резки, шлифования) наилучшие результаты
дает инструмент из СТМ. Используют также МК (карборунд).
В конструкциях инструментов для обработки ПКМ применены усовершенствования, учитывающие специфику их работы. Инструмент для работы
с ПКМ в отличие от инструмента для механической обработки металлов допускает меньшее число повторных переточек.
Стойкость инструмента из ТС при обработке ПКМ составляет 20…60 мин
на чистовых токарных работах и обычно 15…35 мин на черновых токарных,
сверлильных и чистовых фрезерных операциях; стойкость может падать до
3…10 мин на черновых фрезерных переходах.
3. Высокая теплоемкость и низкая теплопроводность ПКМ создают неблагоприятные температурные условия в зоне резания. Только 10…15 % теплоты, выделенной при резании ПКМ, уносится стружкой и передается детали,
остальная часть расходуется на интенсивный нагрев инструмента. В этих
условиях для улучшения работы инструмента желательно его охлаждение, что
часто можно выполнить только обдувом воздухом. Лишь в отдельных случаях
при механической обработке ПКМ допускается применение СОЖ типа эмульсола или воды, которые не вносят существенных изменений в прочностные
и другие характеристики материала после его сушки. Полного восстановления
свойств подсушенного ПКМ может и не произойти. Хотя действие СОЖ при
резании кратковременно, оно усиливается сопутствующим нагревом и деформированием материала, который отличается высоким водопоглощением
(0,3…4,7 %), снижающим некоторые свойства ПКМ. Обработку ПКМ часто
осуществляют без СОЖ, содержащих воду.
Большая удельная поверхность волокнистых и порошковых наполнителей,
наличие в них микроскопических трещин, а на поверхности молекулярной толщины пленок, адсорбированных из атмосферы газов, паров воды и различных
химических соединений, определяют высокую чувствительность наполнителей
к химическим, термическим и механическим воздействиям, сопровождающим
процесс механической обработки. Другой компонент ПКМ — связующее —
достаточно гидрофобен, особенно кремнийорганические и эпоксидные смолы,
а полиэфиры склонны к набуханию. В целом вследствие гетерогенности структуры ПКМ и их высокой пористости эти материалы становятся более чувствительными к воде по сравнению с гомогенными материалами.
Окончательное суждение о возможности применения конкретных СОЖ
при механической обработке ПКМ можно составить по результатам опытной
отработки процесса резания. Что касается нагрева заготовки при резании, то
с ним связано размягчение или деструкция отдельных компонентов ПКМ
3.3. Механическая обработка
147
и изменение свойств или нарушение целостности материала. Кроме того,
разогретый в процессе резания материал обладает большой пластичностью
и перед режущей кромкой инструмента не образуется опережающей трещины,
поэтому сходящая по передней поверхности инструмента разогретая стружка
прилипает к этой поверхности, что затрудняет резание и влияет на ее шероховатость. Эти эффекты должны быть учтены при выборе условий механической обработки ПКМ.
4. Специфика структурных свойств ПКМ затрудняет получение механически обработанной поверхности высокого качества с точки зрения точности
размеров, геометрической формы и шероховатости. Полимерные композиты
отличает значительная упругость, которая способствует развитию больших сил
трения на задних поверхностях инструментов, влияющих на качественные
показатели обработанных деталей, в частности на разбивку диаметров отверстий. В связи с этим у режущих инструментов применяют увеличенные задние
углы и диаметры осевых инструментов (сверл, разверток), учитывающие
температурный коэффициент линейного расширения a = (15…20)⋅10–6 K–1.
Поверхность полируется, и критерием затупления острого инструмента служит
износ по задней поверхности, допустимым значением которого считается
0,08…0,10 мм. Для эффективного отвода стружки при сверлении увеличивают
ширину канавки сверла и наносят на ее поверхность дисульфид молибдена.
Сверлить ПКМ рекомендуется по кондуктору или направляющим отверстиям
в металлической детали слоистого пакета.
Полимерные композиты имеют сравнительно малую межслоевую прочность, что создает опасность расслоения материала под действием сил резания.
При механической обработке ПКМ опасно образование ворсистости, разлохмаченности, растрескиваний, сколов и выкрашиваний кромки. Вследствие того
что материал проявляет некоторую упругость, истинный размер оказывается
на 1…2 % меньше номинального.
Сверление отверстий в ПКМ имеет еще одну технологическую особенность:
необходимо применять подкладку из дерева или другого мягкого материала
для предотвращения расслоения композита у кромок на задней поверхности
детали при выходе сверла. Сверление отверстий диаметром более 5 мм осуществляют за несколько проходов, постепенно увеличивая диаметры применяемых сверл. Сколы на выходе инструмента с обрабатываемой поверхности
могут возникать и во время других процессов, например при фрезеровании.
При уменьшении скорости обработки ниже оптимального значения шероховатость обработанной поверхности увеличивается, превышение вызывает
подгорание материала, а при сверлении, зенкеровании или развертывании еще
и разбивку отверстий. Разбивка отверстий в УП меньше, чем в СП, и составляет 0,1 мм. Проявление этих особенностей резания ПКМ зависит от его
структуры. Для оценки качества резания ПКМ применяют коэффициент Kв
ворсистости, представляющий собой отношение площади поверхности
с ворсом к полной площади обработанной резанием поверхности. У органопластиков значение этого коэффициента довольно велико: Kв = 0,15.
5. Пыль, образующаяся при резании ПКМ, вредна для станка, на котором
проводится обработка, но особенно — для обслуживающего персонала.
148
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Необходимо предусматривать прозрачное ограждение станка и эффективное
удаление пыли из зоны обработки, а также работу с респираторами. Пыль
некоторых материалов в смеси с воздухом взрывоопасна. Газообразные продукты термической деструкции ПКМ вредны для слизистых оболочек и дыхательных путей человека. В связи с этим интенсивность работы вытяжной
вентиляции станка должна обеспечивать отсос воздуха со скоростью, принятой
на машиностроительных предприятиях (0,7…3,0 м/с), чтобы не превышать
заданную предельно допустимую концентрацию (ПДК) опасного вещества в
воздухе рабочей зоны.
Механическая обработка позволяет получить точность размеров стеклопластиковых деталей IT 10–13, а после алмазной обработки — IT 7–9. Шероховатость поверхности Rz, мкм, составляет:
Черновое точение и фрезерование .............................................
Чистовое точение и фрезерование ..............................................
Сверление ......................................................................................
Тонкое алмазное точение, шлифование .....................................
630…80
320…10
40…20
2,5…1,25
Обработка каждого ПКМ предполагает индивидуальный подход. При этом
учитывают особенности конструкции (тип ПКМ, жесткость, форма), эксплуатации (условия внешней среды), физико-механические и технологические
свойства ПКМ (оптимизация свойств, термодинамические особенности).
Полимерные композиты — труднообрабатываемый материал. Опыт, накопленный для металлов и других ПКМ, перенести на обработку резанием
вновь создаваемого ПКМ невозможно: нужны специальные исследования по
обрабатываемости резанием конкретного ПКМ и отработка процесса на образцах и натурных изделиях.
Совершенствование резания ПКМ основывается на создании требуемого
энергетического состояния обрабатываемого материала (пластического деформирования и разрушения) для эффективного формообразования детали:
а) новыми методами обработки;
б) новой специальной оснасткой (приспособлениями и инструментами);
в) комбинированными энергетическими воздействиями.
Известно 10 основных методов совершенствования механической обработки ПКМ.
I. Резание с технологическим заполнителем. Предназначено для обработки
нежестких конструкций из ПКМ плотностью до 1,4 г/см3 (сотопласты, облегченные ПКМ, углеводородные каркасы для УУКМ и др.). Композиты пропитывают технологической средой (парафин, сплав Вуда, вода, пластические
массы), а после механической обработки заполнитель удаляют из структуры
ПКМ.
II. Широколезвийная обработка. При резании ПКМ удельная сила резания
(меганьютон на метр длины режущей кромки) у СП, УП, ОП в 10–60 раз меньше, чем при обработке металлов, скорость резания составляет 25…100 м/с,
термодеструкция в ПКМ начинается с 250…350 °С.
Кратковременно при обработке ПКМ можно допустить температуру, превышающую температуру деструкции в 2–4 раза, но для этого необходимо
3.3. Механическая обработка
149
увеличить сечение срезаемого слоя, т. е. нужен резец широкого среза. Кроме
повышенной производительности метод имеет и другие достоинства. Его применение обеспечивает:
• более высокое качество поверхности;
• стабильный процесс резания;
• значительную сходимость свойств обработанных деталей;
• бîльшую стойкость инструмента.
III. Резание с предварительным разрушением материала срезаемого слоя
(с целенаправленным изменением его энергетического состояния). На обрабатываемой поверхности предварительно формируют развитую сетку макрои микротрещин, например, с помощью зубчатого валика. Этот метод называют
резанием с помощью опережающего пластического деформирования (ОПД).
При использовании данного метода стойкость режущего инструмента повышается в 5–10 раз. Для обработки ОП метод не годится, так как происходит
расслоение ПКМ, разрушение смолы, ворсообразование, появляются сколы
и трещины.
IV. Резание с дополнительным технологическим покрытием (ДТП). Последовательность действий такова:
1) после 1-го прохода механической обработки наносят покрытие (слой
0,5…2,0 мм эпоксидной смолы);
2) отверждают его, формируя новый поверхностный слой;
3) выполняют 2-й проход механической обработки в тот же размер.
Точность размеров достигает IT 7, шероховатость Ra = 0,5…1,25 мкм. Ворс
отсутствует. Метод актуален при обработке ОП.
V. Терморезание. Заготовку охлаждают жидким азотом (77 K). Так удается
осуществить резание ОП без образования ворса.
VI. Комбинированное термомеханическое резание. Это тоже способ безворсовой обработки ОП (цилиндрических и конических отверстий). Для этого:
1) предварительно обрабатывают отверстие обычным резанием;
2) специально нагретый до температуры 200…300 °С инструмент вводят
с натягом в отверстие и сообщают ему осевые колебания во избежание схватывания с размягченным ОП (начало термодеструкции).
Размягченный материал распределяется по поверхности и ворс вдавливается в этот слой связующего (впрессовывается). Процесс сопровождает усадка
(0,1 мм на 10 мм диаметра). Шероховатость поверхности Ra = 25…28 мкм.
При необходимости далее может быть применен метод IV со слоем эпоксидной смолы. После отверждения отверстие развертывают. Шероховатость
поверхности Ra = 4…10 мкм.
При защите входных и выходных кромок отверстия от выкрашивания на
них наносят слой ДТП.
VII. Предварительное засверливание отверстия на глубину 0,5…0,8 мм
специальным сверлом с периферийными подрезателями (ГОСТ 22053–76).
Сверло представляет собой пластину, заточенную на две режущие и две вспомогательные кромки (подрезатели). При обратном выходе из отверстия подрезатели снимают ворс. После этого обработку отверстия продолжают основным инструментом.
150
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
VIII. Резание отверстий через прижимную кондукторную втулку в ПКМ
слоистой (тканевой) текстуры. Прижим втулки создает сжимающие напряжения в наружных слоях материала. Острые края втулки врезаются в ОП на
глубину 0,5 мм. После этого сверлят отверстия. У комбинированных слоеных
ПКМ (СП + ОП) есть некоторая специфика: у ОП наблюдается усадка 0,12 мм,
а у СП — разбивка отверстия до 0,05 мм.
IX. Ультразвуковое резание. Осуществляется на режиме: частота ƒ = 55 Гц,
амплитуда А = 0,1 мм, v = 10 000 мин–1, S0 = 0,15 мм/об. Достигается шероховатость поверхности Rz = 10…12 мкм. Стойкость инструмента возрастает
в 2 раза. Так сверлят в УУКМ отверстие диаметром 7,5 мм и длиной 18 мм на
режиме v = 1000 мин–1 и S0 = 0,1 мм/об. Износ сверла из Р6М5 при этом составляет 0,5 мм, что соответствует очень низкой стойкости (10…12 с) инструмента.
Сверла из ВК8 и Т15К6 имеют стойкость в 4–6 раз большую, чем сверла
из БС.
X. Резание с гидрофобными СОЖ. Отсутствуют набухание и искажение
структуры обработанного материала. Намокание носит обратимый характер
и исправляется сушкой.
3.3.5. Пути совершенствования механической обработки
В будущем механическая обработка останется доминирующим методом
формообразования деталей. Уже сейчас осваивается новый качественный
уровень — нанотехнологии. Вместе с тем работа цехов механической обработки остается «узким местом» по технико-экономическим показателям производства. Проблемы, возникающие при обработке резанием, многоплановы и заключаются в следующем.
1. Интенсивное абразивное изнашивание материала инструмента и небольшая его стойкость.
2. Большие силы резания в зоне обработки и существование опасности
поломки инструмента.
3. Повышенный объем работы локального пластического деформирования,
доведенного до сдвига и разрушения обрабатываемого материала, с удельной
энергией Ауд стружкообразования, приблизительно равной произведению текущих значений прочности и деформации обрабатываемого материала вплоть
до разрушения.
4. Интенсивное трение на контактирующих поверхностях инструмента и
заготовки и значительный нагрев инструмента, снижающие прочность и повышающие деформационность материала (опасность поломки и ухудшение
качества обработки).
5. Защемление режущего клина инструмента и диффузионное схватывание
с обрабатываемым материалом (образование нароста), ухудшающее качество
обработки.
6. Ограниченные возможности эффективного охлаждения зоны резания.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
3.3. Механическая обработка
151
Как пути решения перечисленных проблем можно отметить следующие.
1. Постоянное обновление парка станочного оборудования с ежегодным
темпом в 5…8 %, как в промышленно развитых странах.
2. Постоянное совершенствование СТО станков (инструментальных материалов, покрытий, специальных методов обработки материалов, конструкций
режущих инструментов и приспособлений), технологических процессов
и отдельных операций, выполняемых на этих станках.
3. Эффективное образование и надежное удаление стружки из зоны обработки, создание условий для ее вторичного использования.
4. Повышенные нормы безопасной работы оборудования, пожаро-, взрывобезопасности производственного участка.
5. Развитие комбинированных и физико-химических методов обработки.
Интенсификация воздействий на кинетику процесса резания различных внешних факторов.
Размерная механическая обработка резанием — основной метод формообразования деталей. Применяемые СТО достаточно эффективны. Структуры
и технологические параметры процессов оптимизированы для конкретных
материалов и видов обработки. Требуемые для изделий приборо- и машиностроения точность размеров, форма детали, качество материала и шероховатости поверхности могут быть обеспечены только механической обработкой.
Дальнейший рост производительности труда возможен либо с применением
новых методов, ориентированных на изменение механизма формообразования
резанием путем дополнительного использования в зоне обработки внешних
энергетических полей или воздействий: силового (вибрацией, ОПД, алмазным
инструментом); теплового (нагрев-охлаждение) и химического; электрохимического (анодное растворение, шлифование, хонингование, алмазно-электрохимическая и анодно-абразивная обработка), электроэрозионно-алмазной обработки, либо с применением совмещенных (комбинированных) методов.
Вибрационное резание. В промышленности вибрационное резание используется при выполнении операций точения, сверления, зенкерования, развертывания, нарезания резьбы и шлифования, но наиболее эффективно на
операциях сверления, нарезания резьбы и точения.
Воздействие колебаний на кинематику процесса резания приводит к уменьшению усилий (осевых на 25…30 %, крутящего момента на 45…60 %) и силы
трения на 50…65 %, что благоприятно сказывается при обработке жаропрочных
и жаростойких сплавов групп IV–VI с пределом прочности 1600…1700 МПа.
Эти сплавы отличаются высокой ударной вязкостью. Образующаяся при их
резании пластичная стружка вьется непрерывно, затрудняя процесс и создавая
рабочему-станочнику опасные условия, чреватые травматизмом. Сливное
стружкообразование препятствует организации эффективного удаления стружки из зоны резания и транспортированию ее в места утилизации. При сверлении отверстий в вязких сталях и хромоникелевых сплавах (ЖС6КП, ХН77ТЮР
и др.) высока вероятность поломки сверла. Токарная обработка инструментом
из ТС ВК8 ведется с малой скоростью (8…10 м/мин, что в 25 раз меньше
скорости резания стали 45).
152
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
При использовании вибрационного резания в 2 раза и более повышается
производительность, надежнее и эффективнее дробится и удаляется элементная
(суставчатая) стружка, улучшаются условия труда и обслуживания станка, снижается производственный травматизм. Прерывистый характер резания, при
котором «рабочая» фаза инструмента сменяется фазой его «отдыха», приводит
к повышению стойкости инструмента из БС в 1,5–3 раза и стабилизации температуры материала инструмента на скоростях резания до 100 м/мин. Вибрационные воздействия обычно осуществляют на суппорте станка, придавая режущему инструменту при точении продольные колебания частотой 5…400 Гц
и даже до 20 кГц и амплитудой 0,01…0,03 мм и до (0,5…1,0)S (где S — подача,
мм/об). Амплитуда колебаний при сверлении отверстий глубиной (5…8)dотв составляет (1…2)S, а для отверстий глубиной более 8dотв — (2…3)S. Для сверления, развертывания и нарезания резьбы обычно используют частоту колебаний
инструмента 20 кГц, а для остальных операций — до 400 Гц.
Амплитуда колебаний инструмента при сверлении и зенкеровании составляет 6…11 мкм, развертывании — 1…5 мкм, нарезании резьбы — 10 мкм,
точении — 20…60 мкм, а скорости резания — 5…50 м/мин и только при нарезании резьбы — не более 15 м/мин.
Подача S при сверлении и развертывании составляет 0,05…0,40 мм/об, зенкеровании и точении — 0,6…1,0 мм/об, нарезании резьбы — 1,5…2,5 мм/об.
Сверление с вибрациями используют при обработке отверстий диаметром
4…20 мм и глубиной (5…20)dотв.
Рекомендуется для сверл из БС применять те же скорости резания, что
и без вибрации, для сверл из ТС типа ВК8 скорости резания следует увеличивать в 4–5 раз и устанавливать подачу в 1,2–1,5 раза бóльшую, чем при
обычном сверлении.
При токарных работах с вибрациями рекомендуется проводить черновые
или получистовые переходы.
Вибрационная механическая обработка снижает точность размеров получаемых деталей на один квалитет до IТ 7, а шероховатость поверхности обеспечивается не более Ra = 1,25 мкм, Rz = 6,3 мкм. Овальность и конусность
отверстий увеличены в 1,8–2,7 раза по сравнению с аналогичными параметрами при обычном резании.
Виброрезание незначительно увеличивает разбивку среднего диаметра резьбы. С ростом амплитуды колебаний повышаются твердость и степень наклепа
материала. Глубина наклепа материала достигает 80…120 мкм, и наклеп наиболее интенсивен в верхнем слое толщиной 12…15 мкм, в то время как при
резании без вибраций глубина наклепа больше (до 200 мкм), а наиболее интенсивная степень наклепа приходится на бóльшую глубину (25…35 мкм). Микротвердость наклепанного слоя при резании с вибрациями выше (3,6…3,8 ГПа),
чем при резании без вибраций (3,0…3,5 ГПа). Поверхностное упрочнение реализуется также вибронакаткой.
Резание с опережающим пластическим деформированием. Работа механической обработки, как известно, затрачивается на пластическое деформирование (60 %) и разрушение материала (40 %). Процесс резания с ОПД
3.3. Механическая обработка
Рис. 3.18. Удельная работа
стружкообразования:
Рис. 3.19. Схема наружного точения
с ОПД:
I — при пластическом деформировании; II — при разрушении
материала
1 — упрочняющее устройство; 2 — резец;
3 — заготовка
153
предполагает перераспределение части энергий, затрачиваемых при механической обработке, в сторону увеличения работы пластического деформирования материала (до 75 и даже 90 %), уменьшая потребный уровень работы
разрушения материала за счет наклепа, снижающего пластические свойства и
повышающего твердость и хрупкость обрабатываемого материала.
Стружкообразование при резании является процессом локализованной
пластической деформации, доведенной по определенным плоскостям до сдвига или разрушения. Удельная работа Aуд стружкообразования пропорциональна напряжению sв и степени eв деформации, т. е. Ауд ~ σв εв (рис. 3.18),
и соответствует площади под кривой на диаграмме состояния. Если часть
энергии формообразования перераспределить и реализовать дополнительным
внешним силовым воздействием, то энергия, расходуемая непосредственно на
стружкообразование, уменьшится на значение площади σiт εiт .
Опережающее пластическое деформирование обрабатываемого материала
осуществляется перед его контактом с лезвийным инструментом посредством
упрочняющего устройства (рис. 3.19) с гладким накатным роликом. Сила контактного давления ролика P0 составляет 190…400 Н/мм его ширины. Упрочнение материала стружки наклепом возрастает в 2–4 раза. При этом глубина
наклепа согласуется с толщиной снимаемого слоя металла для резания по
неупрочненному слою. Усилия резца и ролика скомпенсированы их расположением относительно обрабатываемой заготовки, поэтому достижима более
высокая точность размеров обрабатываемых поверхностей (чистовая обработка), особенно при повышенных подачах. Шероховатость поверхности улучшается на два-три класса, достигая Rz = 10…6,3 мкм. Снижение уровня потребных сил резания на 15…35 % позволяет эффективно обрабатывать этим
методом как вязкие стали и никелевые сплавы, склонные к упрочнению наклепом (12Х18Н9Т, ХН77ТЮР), так и жесткие ПКМ с повышенной эрозион-
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
154
ной стойкостью. Подобная обработка металлов одновременно повышает
длительную и циклическую прочность деталей с мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем с остаточными напряжениями сжатия в верхнем
слое в 1,2–1,6 раза. Стойкость инструмента увеличивается в 2–3 раза.
В табл. 3.26 приведены режимы обработки различных металлов при точении с ОПД и относительные коэффициенты KT повышения стойкости инструмента и Kv обрабатываемости резанием.
Таблица 3.26
Режимы резания и значения относительных коэффициентов повышения
ОПД
и обрабатываемости резанием K vОПД
стойкости инструмента K Т
при точении с ОПД
Марка материала
инструобрабатыментальваемого
ного
Режим резания
ОПД
v0, м/с
40ХСШ
Р18
0,53
0,50
50РАСШ
Р18
0,53
20
Р18
40Х
Т15К6
45Х1
30ХГСА
С60
10ГН
НН3Б
Д16Т
АМг6
Т15К6
Т15К6
Т15К6
Т15К6
Т15К6
Т15К6
ВК8
0,75
1,33…1,53
1,83…2,37
1,25…1,38
1,18…1,35
1,83…2,17
2,85…3,00
0,72…0,87
2,58…2,87
3,42
S0, мм/об t0, мм P0, Н
0,39
0,52
0,30
0,43
0,52
0,39
0,26
0,21
0,30
0,23
0,26
0,30
0,21
0,20
0,43
2,5
2,5
2,5
2,0
1,5
2,0
1,5
2,0
1,5
1,5
2,0
2,0
28
30
23
31
40
21
31
24
28
24
18
25
18
12
12
KT
= T0 / T
3,9
3,5…4,0
4,9
6,1
4,2
2,7
1,8
2,2
1,6
2,3
1,9
1,7
1,7
1,9
2,5
ОПД
Kv
= v0 / v
1,25
1,21…1,23
1,27
1,31
1,24
1,16
1,15
1,22
1,12
1,23
1,17
1,14
1,14
1,21
1,32
Примечание. Параметры с индексом «0» относятся к режимам точения с ОПД.
Резание с ОПД можно применять при точении как металлов, так и ПКМ.
Заменив гладкий накатный ролик на зубчатый с одним или более выступающими зубьями, получим схему точения с ОПД и одновременным эффективным
стружкодроблением (рис. 3.20). Насечки-углубления в срезаемом поверхностном слое являются концентраторами напряжений и при образовании стружки
способствуют ее разделению на элементы заданной длины. Такой метод обеспечивает надежное стружкодробление для разнообразных конструкционных
материалов (углеродистых и легированных сталей, цветных сплавов, трудно-
3.3. Механическая обработка
155
Рис. 3.20. Схема точения с ОПД и одновременным
стружкодроблением:
1 — накатный зубчатый ролик; 2 — резец; 3 — заготовка
обрабатываемых сталей и сплавов) в широких диапазонах изменения режима
резания.
При точении с ОПД и стружкодроблением стойкость инструмента в среднем на 18…20 % ниже, чем при точении с ОПД без дробления. Тем не менее
эффект воздействия ОПД в условиях одновременного дробления стружки
остается высоким, обеспечивая повышение стойкости резцов в 1,5–4,5 раза,
а производительности — в 1,5 раза. Возможности ОПД реализуются полнее
по мере уменьшения в допустимых пределах глубины лунок и увеличения
расстояния между насечками на поверхности резания.
Оптимальная глубина резания с ОПД по безударному режиму должна соответствовать глубине внедрения зуба в тело заготовки и глубине наклепа.
Толщина дефектного слоя после резания с ОПД достигает трех глубин внедрения зуба, поэтому резание с ОПД целесообразно комбинировать с последующей чистовой обработкой другими методами.
Плазменно-механическая обработка. Этот метод сочетает обработку
с локальным нагревом зоны обработки с противоположной от резца стороны
заготовки. Резание с нагревом обусловлено значительным уменьшением прочности и увеличением пластичности материала от предварительного нагрева
токами высокой частоты (ТВЧ), плазменной горелкой, электрической дугой.
Производительность может возрасти в 10–12 раз, например, на операциях
обдирки (черновой обработки горячекованых стальных заготовок и отливок).
Для того чтобы избежать повышенного изнашивания инструмента, температура нагрева должна быть ниже температуры теплостойкости материала инструмента: для БС Р6М5, Р9Ф5 она составит 550 °С, а для ТС ВК8, Т15К6 —
1150 °С. Как вариант модификации метода резания разными тепловыми
воздействиями можно использовать:
• индукционный нагрев заготовок, сопровождающий механическую обработку;
• предварительный нагрев срезаемого слоя заготовок (электродуговой,
ТВЧ, печной, плазменно-дуговой струей и др.): при резании инструментом из
156
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
БС до 550 °С, из ТС до 1150 °С. Производительность возрастает в 2–3,5 раза.
Предварительный нагрев целесообразно применять при обработке заготовок
из вольфрама и молибдена, магнитных железо-кобальтовых сплавов, высокопрочных сталей, титановых сплавов;
• предварительное охлаждение заготовки сухим льдом (–60 °С).
Специфическое применение комбинированных процессов включает как
вариант модификации резания введение пластического деформирования вместо финишных операций механической обработки. Такими процессами являются алмазное выглаживание, обкатка роликом из инструментального материала и экструзионное шлифование (полирование).
Алмазное выглаживание. Поверхность детали обрабатывают алмазным
наконечником (см. рис. 3.15) с радиусом 0,5…4,0 мм под действием радиальной
силы 50…200 Н и с радиальной подачей 0,03…0,10 мм/об. Обычно шероховатость
обкатанной поверхности Ra = 1,25…0,32 мкм, иногда 0,32…0,08 мкм. Температура поверхностного слоя не превышает 300 °С, материал упрочняется наклепом,
что улучшает износостойкость выглаженной поверхности.
Экструзионное шлифование. Применяют при обработке внутренних поверхностей сложных каналов для получения шероховатости Ra = 1,25…0,32 мкм.
Процесс ведут с помощью каучуко-абразивной смеси (1 часть по массе каучука,
2–4 части порошка электрокорунда и 0,1 части порошка фторопласта).
Электромеханическая обработка. Этот способ заключается в подаче тока
большой частоты и низкого напряжения в место контакта инструмента (ролика) и детали. Под действием тока гребешки неровностей нагреваются и деформируются, металл упрочняется. Наклеп и термообработка поверхностного
слоя идут одновременно. Это особая поверхностная ТМО, ее отличает:
1) малое время нагрева (сотые и тысячные доли секунды);
2) значительные удельные давления;
3) высокие скорости охлаждения (сама деталь холодная).
В результате обработки улучшаются физико-механические свойства поверхностного слоя металла: микротвердость возрастает в 1,5–2 раза, шероховатость поверхности Ra = 0,32…0,08 мкм, износостойкость повышается
в 2 раза, а предел ограниченной выносливости — на 15…20 %.
Электроалмазная обработка. Это комбинированный метод алмазного
шлифования, интенсифицируемого электрохимическим воздействием. Алмазный шлифовальный круг на металлической связке (электропроводный) под
давлением 0,4 МПа контактирует с заготовкой, помещенной в среду электролита. Обычно электролитом служит такой раствор:
(2…3 %) NaNO3 + (0,2…0,3 %) NaNO2 + (2…3 %) NaF
Режим работы: напряжение U = 6…10 В, плотность тока qт = 15…200 А/см2,
объемный слой материала Qэ = 1000… 3500 мм3/мин, v = 35 м/с.
Глубина съема металла составляет 1,5…2,0 мм (при обычной алмазной
обработке 0,05 мм). Шероховатость поверхности Ra = 0,32…0,08 мкм.
В оптимальном режиме 95 % съема материала происходит за счет анодного
растворения.
3.3. Механическая обработка
157
Электроалмазная обработка эффективна на твердых сплавах и хрупких
керамиках. При этом производительность возрастает в 1,5 раза, изнашивание
алмазного инструмента уменьшается в 10–20 раз, улучшается качество полученной поверхности и появляется возможность обработки маложестких конструкций. Подобным методом может быть осуществлено электроалмазное
хонингование. Электроалмазную обработку можно вести и диэлектрическим
кругом, но с использованием специального катода (дополнительного). Круг
при этом может располагаться в вырезе катода. Работа с такими кругами проще: не нужен устойчивый контакт круга с обрабатываемой деталью, нет искрения, ухудшающего качество поверхности. Возможен также режим выхаживания — работа без врезания в тело детали. Этот режим используется для
снятия анодной пленки с поверхности детали.
Анодно-механическая обработка. Представляет собой разновидность
электрохимической обработки (ЭХО), в которой инструмент находится в контакте с заготовкой и помогает продуктам анодного растворения интенсивнее покидать зону обработки. Такой способ часто называют электроконтактным, он
обладает повышенной (в 5–10 раз) производительностью (до 200 тыс. мм3/мин)
при некотором уменьшении точности получаемых размеров. Основным назначением анодно-механической обработки является заготовительное производство
(резка заготовок, удаление окалины и облоя). Заготовки (трубы, прутки, листовой
и профильный прокат) размещают на аноде. Катодом-инструментом является
диск или лента (гладкие или зубчатые) толщиной 0,5…1,0 мм из стали, меди,
чугуна, ТС. Усилия прижима инструмента к заготовке в десятки раз меньше, чем
при лезвийной обработке. Электролитом служит раствор жидкого стекла.
Электрические параметры процесса: постоянный ток, U = 12…40 В, qт =
= 20…500 А/см2. Механические параметры: контактное давление 0,02…0,10 МПа,
скорости врезания или перемещения инструмента 15…60 м/с. Съем металла
составляет 0,5…2,0 мм3/мин (чистовая обработка Ra = 0,16…0,04 мкм) или
2000…6000 мм3/мин (черновая обработка Rz = 40…10 мкм). Механизм локального удаления материала представляет собой комбинацию анодного растворения,
искровой эрозии и электроконтактного нагрева поверхности заготовки вплоть
до состояния расплава и механического удаления этого слоя инструментом из
зоны обработки в жидкий электролит. Резка заготовок из стали, никеля, титана
и сплавов тугоплавких металлов ведется со скоростью от 5…140 см3/мин. Так,
заготовка диаметром 300 мм из стали ЭИ807 разрезается за 40 мин, тогда как
на резку пилой Геллера потребовалось бы 2 ч. Припуск на обработку составляет 1,0…2,5 мм. Подача на металлах 20…60 м/мин, а на ТС 10 мм/мин. Износ
инструмента на черновом резе будет 20…30 %, а на чистовом — 2…3 %.
Шероховатость по торцу (черновая) Rz ≤ 320 мкм, а на боковых поверхностях
Rz = 10…40 мкм.
Кроме операций резания электроконтактным способом можно выполнять
обдирку заготовок (точение), прорезку узких щелей (фрезерование), плоское
шлифование (Rz = 1,5…0,6 мкм).
Анодно-абразивная обработка. Этот способ объединяет анодное растворение металла, характерное для ЭХО, с действием свободного абразива
(суспензия электролита и керамического порошка — карбида кремния или бора,
158
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
оксида алюминия, алмаза — в соотношении 3:1) или абразива, связанного
в шлифовальном круге и брусках-хонах. Электрохимической обработкой удаляется 90 % материала и 10 % — механически. Плотность тока 1,5…2,0 А/мм2.
Контактное давление абразива 0,05…0,30 МПа. Производительность составляет от 10…20 (на корунде) до 8000 мм3/мин (на алмазном и нитридборном
порошке). Скорость резания не превышает 5…12 мм/мин. Шероховатость
поверхности при шлифовании Ra = 0,08…0,02 мкм, при хонинговании Ra =
= 0,16…0,08 мкм. Износ инструмента (от объема снятого металла) 10…15 %
на корунде и 0,5…2 % на порошках СТМ.
Возможно электрохимическое полирование сталей, никеля, алюминия, меди
и сплавов в кислотных электролитах с катодами из свинца и графита, а также
магнитоабразивное полирование порошками FeB2, FeW в смеси с SiC, BC,
алмазом в магнитном поле индукции 0,7…1,2 Тл со скоростью 35…240 мм/мин
и достигаемой шероховатостью поверхности Ra = 0,63…0,08 мкм.
Сверхскоростное резание. Осуществляется на скоростях 100…200 м/с, т. е.
на порядок более высоких, чем при обычной механической обработке. Метод
перспективен для многократного повышения производительности процессов
резания путем применения сверхвысоких скоростей, при которых скорости
пластической деформации локализованы рабочей зоной, где специфически
проявляется нагрев и трение инструмента и материала. Работа с подачами S =
= 0,010…0,015 мм/зуб позволяет отказаться в ряде случаев от отдельных операций (шлифование, доводка). Скорости вращения шпинделей станков: с электроприводом 12…100 тыс. об/мин; с пневмоприводом 40…400 тыс. об/мин.
На баллистической установке ЛС-1 достигается скорость v = 50…250 м/с.
Производительность на высоких скоростях выше, шероховатость поверхности
лучше на один-два класса (Ra = 1,25…0,08 мкм). Уровень остаточных напряжений ниже в 2 раза. Подобное резание особенно актуально при обработке
цветных металлов (прерывистое фрезерование, протягивание).
Резание титановых сплавов. В условиях обратимого легирования водородом до содержания последнего 0,3…0,8 % (мас.) резание титановых сплавов происходит при нагреве до температуры 750…850 °С в среде водорода.
Силы резания от этого снижаются на 20…30 %, а стойкость резцов ВК8
увеличивается в 7–8 раз. Процесс ведется на режиме v = 40…100 м/мин,
S = 0,12…0,20 мм/об, t = 0,5…20 мм. Последующий вакуумный отжиг при
температуре 800 °С в течение 4 ч приводит к остаточному содержанию водорода 0,003 % (мас.), т. е. к исходному.
3.4. Раскрой и резка заготовок
Рассмотренный ранее комплекс основных проблем технологии изготовления РПДТ не является исчерпывающим, поскольку важны и вспомогательные
технологические процессы, в частности раскрой и резка заготовок, а также
физико-химические методы обработки, характерные для любого машиностроительного производства.
3.4. Раскрой и резка заготовок
159
Раскрой листовых и профильных полуфабрикатов можно выполнять методами деформирования и резки.
Резка заготовок (вырубка) и отверстий в заготовках со скоростью 10…15 м/с
осуществляется в инструментальных штампах на прессах и молотах, а также
импульсными методами деформирования.
Давление резки обусловлено прочностью обрабатываемого материала. Ниже
приведено давление резки различных полимерных материалов, МПа, численно
равное удельной работе отделения единицы объема материала в условиях,
обеспечивающих получение стружки непрерывного типа:
Полиэтилен .................................................................................
Поливинилхлорид ......................................................................
Полиметилметакрилат ...............................................................
Фторопласт-4 ..............................................................................
Поликарбонат .............................................................................
Полипропилен ............................................................................
Гетинакс ......................................................................................
Текстолит ....................................................................................
Меламиноформальдегидная смола ..........................................
Полиэфирная смола ...................................................................
80…110
200
200
80
230
190
400
350
290
40
Вырубку стеклянного волокна для получения препрегов выполняют ножницами или рубильными машинами — чопперами. Полимерные органические
волокна отличаются от керамических и металлических повышенной эластичностью, поэтому процесс их рубки более сложен. Для этого нужны чистые
и острые ножницы с минимальным зазором между режущими поверхностями
или ножницы с зазубринами на режущих кромках, предотвращающие проскальзывание волокна.
Перед резкой осуществляют разметку заготовок: по месту или по шаблону
(точность ±0,3 мм для наружных размеров и ±0,3 мм для внутренних), плазовую
(графическую) или фотооптическую.
При раскрое и резке в операционной карте технологического процесса
указывают:
• профиль и размеры заготовок;
• общую длину, усилие и скорость реза;
• коэффициент использования материала.
Рассмотрим основные способы резки и раскроя материалов.
Резка ножницами. Ножницы — основной инструмент для получения заготовок из листов толщиной до 50 мм с помощью прямолинейных или фигурных резов.
Наибольшее распространение получили следующие виды ножниц.
Гильотинными ножницами (прямыми и косыми) режут листовые металлы
толщиной до 50 мм, шириной 400…700 мм (вылет станины) и любой длины,
а также листовые полимерные термопласты (поливинилхлорид, полиэтилен),
термореактивные текстолиты, различные ПКМ толщиной до 10 мм.
160
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Для повышенной точности реза при минимальном усилии резания зазор
между режущей кромкой инструмента и краем заготовки должен быть не менее 8…10 % толщины (для металлов) и 3…5 % толщины (для неметаллов).
Роликовые ножницы обеспечивают точность реза IT 14–16 при шероховатости поверхности Rz = 160…40 мкм.
Дисковыми ножницами режут материалы толщиной до 25 мм при скорости
резки 3…12 м/мин.
Двухдисковые ножницы позволяют обрабатывать стали толщиной 1,2 мм
при прочности до 1350 МПа и стали толщиной более 2,5 мм при прочности
500 МПа.
Ножницы дисковые пневматические НДП-1,5, НДП-3А, НДП-4 режут ПКМ
и препреги толщиной 1,5…4,0 мм.
Ножовка пневматическая НП-1 предназначена для вырезки отверстий,
проемов в ПКМ толщиной до 30 мм.
Ножницы рычажные ручные НРР-1, пневматические НРП-1, электрические
НЭР-1 режут ПКМ толщиной 1,5 мм.
Пресс-ножницы используют для резки небольших заготовок толщиной до
12 мм.
Виброножницы применяют при толщине листа 2,0…4,5 мм. Электрическими виброножницами режут цветные металлы и низколегированные стали,
а пневматическими — стали прочностью 800 МПа и ПКМ толщиной до
2,5 мм. Максимальная скорость реза составляет 10 м/мин, наименьший радиус реза — 15 мм. Число ходов инструмента составляет 550…4100 в минуту.
Ручные высечные (вибрационные) электро- и пневмоножницы работают на
частоте колебаний 18…30 кГц и амплитуде 20…60 мкм, толщина обрезаемых
алюминиевых листов достигает 10 мм. Предварительно просверленное отверстие в листах должно быть не менее 18 мм. Максимальная толщина реза
листов алюминиевых сплавов составляет 10 мм, скорость реза до 2 м/мин,
наименьший радиус кривизны реза — 4 мм.
Ниже приведены параметры установки для вибрационной резки листового материала:
Ход шатуна, мм ....................................................................
Вылет хобота станины, мм .................................................
Мощность электродвигателя, кВт ......................................
Скорость вращения, об/мин ...............................................
Габаритные размеры, мм ....................................................
Масса, кг ...............................................................................
35
800
1,5
1500
2200×100×1600
800
Преимущество данной установки перед установками для ручной резки
материала заключается в более высокой производительности, что достигается
за счет быстродействия шатунного механизма.
Резка на фрезерно-обрезных станках. Раскрой листов на фрезерно-обрезных станках более точен и производителен, чем при резке ножницами.
Кроме того, обеспечивается и более высокое качество реза.
Обычно используются горизонтально-фрезерные станки с фрезой диаметром фрез 200…300 мм и толщиной от 3…5 до 15 мм. Эти станки предназна-
3.4. Раскрой и резка заготовок
161
чены для резки стали, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до
12 мм, а также ПКМ толщиной до 40 мм. При резке текстолитов и других
жестких ПКМ скорость резания достигает 600…1000 м/мин.
Пластические массы интенсивно забивают пространство между зубьями,
поэтому для лучшего размещения стружки рекомендуется каждый четвертый
или пятый зуб фрезы сошлифовывать.
Фрезой из ТС режут жесткие ПКМ на режиме v = 100…860 м/мин,
S = 0,02…0,50 мм/зуб, а фрезой из БС Р18 — на режиме v = 40…30 м/мин,
S = 0,01…0,50 мм/зуб. Для резки ПКМ используют фрезы бîльшего диаметра,
чем для резки металлов, поскольку им требуются меньшие силы резания.
При работе на повышенных скоростях нужны большие подачи: S =
= 1500…1300 мм/мин. Дисковая фреза толщиной 0,5…9,0 мм из стали
Р6М5К5 режет высокопрочные стали на режиме v = 140…7 м/мин, S =
= 0,004…0,20 мм/зуб при стойкости фрезы Т = 150…300 мин.
Резка на циркулярных станках. Дисковыми пилами на циркулярных
станках режут тонкостенные трубы и профили в заготовительном производстве,
а также листы из жестких термореактивных ПКМ толщиной 2…20 мм, термопластов (поливинилхлоридных — ПВХ и полиамидных — ПА) толщиной до
10 мм и трехслойные сотовые панели.
Дисковыми пилами осуществляется качественная прямолинейкая резка
сторон заготовок при условии, что торцевое и радиальное биения диска
не превышают 0,4 и 0,1 мм соответственно.
Корпус пилы изготовлен из дешевой углеродистой стали (сталь 20), зубья
которой выполнены в виде пластин из ТС (ВК8, Т15К10, ВК15). Незначительный расход дорогостоящих твердосплавных материалов (90 г на дисковую пилу
диаметром 575 мм с 240 зубьями) и простота технологии изготовления режущей поверхности обусловливают снижение себестоимости пил и повышение
их конкурентоспособности.
Дисковой отрезной твердосплавной пилой осуществляют высокопроизводительную скоростную резку: скорость вращения диска 2000…3000 об/мин,
скорость резки разных материалов в зависимости от толщины материала составляет 40…6000 м/мин, подача S = 0,05…0,25 мм/об (или 1,2…30,0 м/мин).
Резку осуществляют на скоростных станках на режимах, характеризующихся
следующими параметрами: окружная скорость пилы 100 м/с, время одного
реза алюминиевой трубы диаметром 100 мм составляет 1,5 с. Резку ведут без
охлаждения; иногда используют 5%-ный раствор эмульсора в воде. Дисковые
пилы позволяют выполнить не менее 5000 резов до первой заточки.
У дисковых твердосплавных пил для резки жестких ПКМ шаг зубьев составляет 2…8 мм (максимум — до 12 мм), развод зубьев — 0,2…1,2 мм (для
толщины 5 мм). Заметим, что твердосплавные пилы, например, из сплава
ВК15, обладают в 50–60 раз более высокой стойкостью, чем пилы из БС.
Резка на ленточно-пилочных станках. Ленточными пилами (пилами
Геллера) на станках типа ЛС-80 в отличие от дисковых пил режут заготовки
большей толщины (25…150 мм), при этом контур резания может быть криволинейным. Такие пилы хорошо отводят теплоту из зоны резания.
162
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Время реза металлических заготовок диаметром 20…180 мм составляет
5…150 с. Вследствие большой длины ленточные пилы мало нагреваются и
длительно работают с большими скоростями резания, составляющими
700…2000 мм/мин для различных материалов. К недостаткам таких пил относятся низкая точность получаемых размеров и высокие значения шероховатости разрезаемой поверхности.
Для получения длинных прямых разрезов применяют широкие полотна пил
(22…37 мм), обладающие большой жесткостью. Для резки листов пластмасс
толщиной до 20 мм используют в основном пилу с зубьями елочного типа.
Развод зубьев составляет 1,2 мм для тонких полотен и 2,5 мм для толстых.
Жесткие пластмассы и ПКМ толщиной более 5 мм разрезают пилами с твердосплавными зубьями. Для резки материала меньшей толщины наибольшее применение нашли ленточные пилы с твердыми цементированными зубьями
и сравнительно мягким полотном. С возрастанием толщины резания увеличиваются шаг и развод зубьев.
Для резки полимеров большой толщины применяют пилы редкозубчатого
типа, в пространстве между зубьями которых может располагаться большой
объем срезаемого материала.
Плазменная резка. Такой способ резки эффективно применяют при обработке всех химически активных металлов (титановых сплавов, тугоплавких
металлов), используя защиту их от окисления инертными плазмообразующими газами. Этот мощный источник тепловой энергии (табл. 3.27) позволяет
резать различные металлы большой толщины.
Таблица 3.27
Режимы работы плазменных резаков
Вид резки
Максимальная температура
струи Тmax, °С
Плотность
теплового потока,
ккал/(м2 · ч)
Скорость истечения
струи, м/с
Воздушноплазменная
1810 (воздух)...
...2920 (кислород)
2,7…32,5
30 (горелка)…
...1100 (сопло)
Плазменнодуговая
16 500
120
2000…9140
Плазмотроны типа «Таран-М», АПР-402, РПВ-1 мощностью 40…50 кВт
режут:
• стали, титановые и никелевые сплавы толщиной до 300 мм со скоростью
до 80…180 м/ч;
• алюминиевые сплавы толщиной до 900 мм со скоростью до 450…600 м/ч;
• медные сплавы толщиной до 60 мм со скоростью до 50 м/ч;
• керамику толщиной до 30 мм со скоростью до 30…40 м/ч.
Ширина реза плазмотронов составляет 8…10 мм, а отклонение кромок от
вертикали может достигать 1…2° при толщине металла до 10 мм.
3.4. Раскрой и резка заготовок
163
Ниже приведены параметры режимов резания на плазменных установках
стационарного и переносного типа, использующих в качестве защитного газа
аргон, гелий или азот:
Напряжение холостого хода, В ..................................................
Ток режущей дуги, А ..................................................................
Напряжение режущей дуги, В ...................................................
Диаметр электрода, мм ...............................................................
Давление воздуха, МПа ..............................................................
Расход газа, л/мин ........................................................................
Диаметр сопла, мм ......................................................................
60…230
250…600
40…80
5
0,15…0,35
15…120
3…5
Пробивка металла плазменной дугой — самая сложная часть процесса
резания листа плазмой. Для этого возбуждают дугу при высоте расположения
резака над листом 10…12 мм и затем его приподнимают на 20…25 мм. После
пробивки отверстия резак опускают, и далее процесс продолжается при расположении резака на высоте 15…18 мм. Время на пробивку отверстия не превышает 2…5 с. Если требуется начинать резку с середины листа, то вместо
пробивки отверстия резаком лучше просверлить отверстие.
К плазмообразующему газу после возбуждения дуги иногда добавляют
водород. Объемное содержание водорода может составлять 60...80 %. Зажигать
дугу с одновременной подачей водорода нельзя, так как он приводит к большим
теплопотерям.
Ацетиленокислородная резка. Основной метод резки листового металла — ацетиленокислородная резка. Металл в начальной точке реза нагревается до температуры воспламенения (для стали в кислороде до 1300…1350 °С)
подогревающим ацетиленокислородным пламенем. Затем в начальную точку
реза направляется струя режущего кислорода. Скорости реза составляют
0,1…6,0 м/мин на толщине материала до 250 мм. При ширине реза 2…4 мм
кроме ацетилена можно использовать пропан, природный или светильный газ.
Устойчивое горение пламени обеспечивается при скорости истечения горючей
смеси 50…170 м/с. Отечественные газорезательные агрегаты «Факел» и «Кристалл» с программным устройством позволяют резать листовые сложнопрофильные заготовки размером до 3200×1600 мм, толщиной до 100 мм.
Сверхзвуковая газопламенная резка. В настоящее время получил распространение способ термической резки различных материалов, трудно поддающихся механической резке и обработке (высоколегированные стали, чугуны, титан, цветные металлы, бетон, железобетон, композиционные материалы
и др.), с помощью сверхзвуковой струи продуктов сгорания жидких углеводородных горючих (керосина, дизельного топлива) и газообразного кислорода.
Генерацию режущей струи высокотемпературного газа в этом случае обеспечивает камера сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги
(ЖРДМТ), работающего на компонентах топлива газообразный кислород
и керосин (или дизельное топливо). Для подачи жидкого горючего используется вытеснительная подача сжатым воздухом, а кислород подается из стандартных 40-литровых баллонов.
164
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Для ЖРДМТ известны зависимости скорости и температуры продуктов
сгорания на выходе из сверхзвукового сопла, что позволяет оптимизировать
технологический процесс сверхзвуковой газопламенной резки для конкретного материала и его толщины. Основные характеристики сверхзвуковой резки
приведены в табл. 3.28.
Таблица 3.28
Характеристики резки металлов на основании квалификационных
испытаний при толщине материала до 200 мм
Обрабатываемый материал
Коррозионно-стойкая сталь
типа 12Х18Н10Т
АК-29
5Х2ГСВМ
40Х
ШХ15
Броневая сталь
Углеродистая сталь
Алюминий
Алюминиевый сплав типа Д16
Чугун
Композит: алюминий + сталь
Толщина
разрезаемого
материала, мм
Скорость
резки,
мм/мин
Расход
окислителя,
м3/ч
Расход
горючего,
л/ч
4
20
50
120
10
150
35
90
140
150
6…8
50
40
25
50
200
150
8/13
1000
200
150
100
250
50
198
180
300
108
150
312
200
120
250
50
50
168
6,8
22
28
33,5
22
40
9
9
24
24
5
24…27
39
24…27
28
40
33,5
24…27
1,4
11
13,5
16
11
17
1
1
1,7
1,7
1,1
5
19,5
5
13,5
18
18
5
При создании камер сгорания сверхзвуковых резаков на кафедре «Ракетные
двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана решен ряд принципиальных вопросов,
таких как организация рабочего процесса в минимальных объемах (приведенная
длина Lnp = 0,10...0,15 м) и надежное охлаждение наиболее теплонапряженных
частей конструкции (критическое сечение сопла). При отработке различных
схем организации рабочего процесса особый упор был сделан на безопасность
запуска и надежность конструкции, что позволило создать камеру сгорания
с гарантированным ресурсом работы.
Поскольку требования экономичности (для толщины разрезаемых материалов 40...70 мм) жестко ограничивают расход компонентов топлива (5…15 г/с),
то задача получения максимальной температуры продуктов сгорания и обе-
3.4. Раскрой и резка заготовок
165
спечения при этом высокой надежности (стойкости) материальной части решается с использованием для охлаждения камеры сгорания специальной охлаждающей жидкости (чаще всего воды), что усложняет конструкцию всей
установки.
Для упрощения конструкции создана камера сверхзвукового терморезака
с регенеративным охлаждением газообразным компонентом топлива, рассчитанная как на факельное воспламенение компонентов топлива, что особенно важно
для мобильных установок, так и на воспламенение их с помощью электросвечи.
В последнем случае конструкция камеры сгорания и способ ее охлаждения могут
служить основой при создании ЖРДМТ космических летательных аппаратов.
Газоэлектрическая резка. Представляет собой воздушно-дуговую резку,
при которой металл, расплавленный электрической дугой, выдувается струей
сжатого воздуха. Выделяют два способа газоэлектрической резки:
1) воздушно-дуговая угольным электродом, которая обычно ведется на
постоянном токе обратной полярности;
2) кислородно-дуговая с дутьем кислорода под давлением ркисл = 2,5 МПа.
Различают два основных типа машин, применяемых при кислороднодуговой резке, — стационарные и переносные.
В свою очередь стационарные машины подразделяют:
• по конструктивному исполнению — портальные, которые располагаются непосредственно над разрезаемой деталью, портально-консольные, в которых над разрезаемой деталью располагается только консоль, и шарнирные;
• по способу резки — кислородные, кислородно-флюсовые, плазменнодуговые, газолазерные.
При кислородной резке организуют кислородную завесу, которая предотвращает подсос продуктов сгорания подогревающего пламени в струю режущего кислорода и обладает повышенной (на 50 %) скоростью резки. При подогреве металла до температуры 800…1000 °С скорость резки увеличивается
в 2–3 раза по сравнению со скоростью холодной резки. При этом толщина
разрезаемого металла составляет более 300 мм.
Кислородно-флюсовую резку применяют для обработки жаропрочных
и жаростойких сплавов толщиной более 100 мм. В струю вводят флюсующие
добавки, которые, повышая температуру расплава, переводят вязкие тугоплавкие соединения в жидкотекучие легкоплавкие шлаки, свободно удаляемые из
зоны реза. Как правило, в качестве такой добавки используют порошок железа с добавкой 10…15 % (об.) порошка алюминия. Применяют также добавки
порошка магния, селикокальция и др.
Лазерная резка. Лазерные технологии благодаря большим значениям
плотности энергии сфокусированного излучения (10 кДж/см2…1 МДж/см2)
и создаваемого теплового потока (10…1000 ГВт/см2) имеют различное практическое применение.
Пороговые плотности энергии испарения некоторых металлов составляют
3,0…3,6 Дж/см2, кварцевой керамики — 4 Дж/см2, а полимерных и ПКМ — до
80 Дж/см2. Поэтому лазерная резка материалов не только энергетически легко
осуществима, но и технологически эффективна, особенно для компонентов
166
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
композиционных материалов (многослойной ткани, сетки) и элементов конструкций из них.
Раскройная лазерная техника (станок 1К3015, установка «Катунь-1»)
с газовым лазером ТЛ-2 (на CO2) мощностью 2 кВт позволяет резать металл
толщиной 12 мм, а УУКМ, кварц, СП и УП толщиной до 20 мм со скоростью
от 0,02…5,0 до 20 м/мин и шириной реза 0,2…0,8 мм.
Газолазерная резка. При газолазерной резке (ГЛР) металлов действие луча
лазера в месте его фокусировки сочетается с удалением расплавленного металла
струей газа под давлением 0,1…0,6 МПа, направленной соосно лучу лазера.
Для производительной резки материалов с помощью луча лазера необходимо удалять жидкую фазу из зоны реза, воздействуя на последнюю внешними
силами, из которых наиболее эффективное действие оказывает газовая струя.
В качестве газов можно применять кислород, азот, сжатый воздух или инертные
газы. Наиболее эффективен кислород, особенно при обработке сталей и никелевых сплавов, так как он не только участвует в экзотермической реакции
окисления металла и выдувает продукты его окисления, но и создает на поверхности металлов оксидную пленку, которая значительно повышает поглощающую способность обрабатываемого материала на волне излучения лазера.
Воздух лучше применять при обработке алюминия, а инертные газы — при
резке титана, так как он горит в среде кислорода, азота и воздуха. Газы обычно подаются в зону резки через коаксиальное сопло. Поддув газа увеличивает
мощность реза лучом лазера (5…12 кВт) по толщине металла (сталь, алюминий — до 30…45 мм, тугоплавкие материалы — до 10 мм) и по скорости реза
до 10 раз (100…150 м/ч).
Благодаря острой фокусировке луча, ГЛР обеспечивает тонкие резы
(0,2…0,3 мм), имеет малую зону термического влияния и минимальное механическое воздействие, оказываемое на материал. К достоинствам ГЛР следует
отнести химическую чистоту процесса резки, высокую производительность,
возможность резки сложных профилей.
Показателями качества ГЛР металлов являются размеры и конфигурация
профиля реза, высота и шаг неровностей, высота выплесков расплавленного
(а затем застывшего) металла на кромках реза, глубина оплавленного слоя
вблизи обработанной лучом поверхности. Газолазерная резка обеспечивает
шероховатость обработанной поверхности Rz = 20…80 мкм на сталях и алюминиевых сплавах и точность размеров реза ±0,02 мм, зависящую от точности
позиционирования раскроечного стола установки.
Неметаллические материалы толщиной 50 мм режут с помощью ГЛР при
ширине реза не более 1 мм, при этом диаметр луча на таком расстоянии от
фокальной плоскости должен быть более 10 мм, что объясняется экранирующим действием слоя газов, образующихся в результате термического разрушения материала. При резке волокнистых ПКМ (СП, УП и др.) проявляется
их анизотропия: скорость резки поперек направления армирования в 2 раза
меньше, чем скорость вдоль него.
Глубина и ширина реза линейно коррелирует с пористостью материала,
а также с температурой разложения или плавления компонентов ПКМ. При
3.4. Раскрой и резка заготовок
167
пористости более 20 % на металлах наблюдается замедление роста глубины
реза, т. е. отклонение от прямо пропорциональной зависимости. Это можно
объяснить расфокусировкой лазерного луча по мере его заглубления и экранированием излучения продуктами разрушения материала. Отметим, что
энергозатраты на единицу массы удаляемого вещества снижаются, хотя и незначительно, с увеличением пористости материала.
Вследствие неравновесности структуры ПКМ и наличия оксидных включений, газа и влаги пороговая энергия вскипания материалов снижается, что
приводит к взрывообразному характеру удаления вещества из зоны воздействия.
Гидроструйная (гидроабразивная) резка. Гидроструйная резка материалов
основана на энергии струи воды, истекающей из сопла диаметром 0,1…0,6 мм
под давлением 400…600 МПа (до 1 ГПа). При этом скорость истечения струи
превышает скорость звука в 2–3 раза, а удельная мощность гидроструи соизмерима с мощностью луча лазера и может достигать 100 кВт.
Эффективность резки повышают введением в струю воды частиц абразива, например частиц корунда диаметром 60…80 мкм, расход которых составляет до 1 кг/мин. Гидроструйная резка (свободная или абразивная) имеет
недостаток, заключающийся в нестабильности формы струи. Она представляет собой конус с вершиной у среза сопла, основание которого увеличивается
вниз по потоку. Кроме того, удельная мощность струи (ее кинетическая энергия) резко падает в направлении истечения в свободное затопленное пространство за счет аэрации струи и торможения, возрастающих при резке большой
толщины (более 100 мм), а также при резке пористых и ячеистых (сотовых)
материалов.
Для повышения стабильности силовых и геометрических параметров режущей струи воды в нее вводятся технологические добавки (0,2 % (мас.)) из
водорастворимых полимеров и ПАВ, например 6–7%-ный водный гелеобразный раствор полиакриламида. Благодаря этому снижаются трение и турбулентное сопротивление потоку жидкости, а также усиливается эффект вязкого
течения струи. Молекулы введенного полимера ориентационно вытягиваются
вдоль струи жидкости и тем самым усиливают продольную вязкость раствора
и частоту продольных пульсаций скорости потока, снижая частоту поперечных
колебаний. Упругие свойства струи повышаются, достигая значений, намного
превосходящих параметры истечения ньютоновской жидкости.
Листы металлов толщиной 3 мм режут со скоростью 0,38…0,51 м/мин.
Листы жестких ПКМ толщиной 5…6 мм (УП, СП) раскраивают со скоростью
1…4 м/мин. Причем механические характеристики материалов при резке не
ухудшаются и кромки реза не нуждаются в дополнительной обработке. Ширина реза 0,15…0,35 мм, дистанция реза 3…6 мм (иногда 30…40 мм), расход
воды до 10 л/мин.
Возможности применения гидроструйной резки опробованы на металлах
толщиной до 300 мм, на керамике (бетон) — до 350 мм и ПКМ до 65 мм.
Очевидны достоинства этого метода для резки тканей, нитей и других
полуфабрикатов и ПКМ в целом. Ресурс эксплуатируемых установок гидроструйной резки составляет 500 ч (по сохранности элементов гидроуплотнения
сопла).
168
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
При резке листовых и профильных заготовок можно использовать разнообразные методы, основанные на различных физико-химических принципах
удаления излишнего материала. Выбор метода связан с учетом разных факторов (технико-экономических, организационно-технологических и др.) и даже
с учетом традиций.
Перечень рассмотренных методов резки заготовок неполный. Из неупоминавшихся можно выделить абразивную резку, в частности алмазными кругами,
анодно-механическую, электронно-лучевую, а также электроэрозионную резку инструментом — проволокой. Из специфических методов отметим тепловую
резку термопластов нагретой проволокой или электроножом, а для хрупких
материалов (полимеров, керамик) — резку методом скрайбирования, т. е. излома материала по линии, образованной цепочкой предварительно просверленных отверстий. Пенопласты можно резать иглофрезами. Универсальным
способом резки является использование ручной ножовки и лобзика.
3.5. Особенности проектирования технологического процесса
и формообразования деталей из полимерных
композиционных материалов
3.5.1. Основы технологии формообразования деталей
из полимерных композиционных материалов
Прежде чем приступить к производству конструкции из ПКМ, необходимо
решить множество задач, включая учет технологических особенностей метода
намотки, конструктивных особенностей изделия и эксплуатационных характеристик материала. Многоплановость решения этих задач связана не только
с большим числом порой противоречиво проявляющихся факторов, но и с
поиском компромиссных вариантов, проведением итерационных расчетов,
экспериментальным исследованием получаемого материала, анализом результатов испытаний модельных и натурных образцов конструкции. И все это
приходится выполнять для каждой создаваемой конструкции и разных условий
ее эксплуатации, причем конструктивно-технологическая отработка изделия в
основном проводится на натурных образцах. При этом сроки разработки и ее
стоимость велики, а многие элементы начальной стадии проектирования и
производства выпадают из поля зрения.
Анализ накопленного научно-производственного опыта позволяет дифференцированно подойти к новым разработкам, представляя их как совокупность
последовательно решаемых задач, начиная с анализа технических требований
и кончая технологическим регламентом испытаний и аттестацией готовых
изделий. Если в сжатой и упрощенной форме попытаться представить последовательность действий инженера, которому предстоит создать конструкцию
намотанного изделия из ПКМ, удовлетворяющего заданным эксплуатационным
требованиям, то она может выглядеть так:
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
169
1) анализ технических требований к изделию;
2) выбор ПКМ и метода формования, рациональное конструирование наматываемой оболочки, уточнение свойств и структурных характеристик композиционного материала;
3) выбор метода и способа намотки, уточнение типов армирующего материала и связующего, расчет технологических параметров процесса;
4) выбор технологического оборудования, проектирование и изготовление
технологической оснастки;
5) составление технологического регламента и теоретическая оценка качества создаваемого изделия;
6) практическая отработка технологии;
7) испытание и аттестация готовых конструкций.
Как видно из приведенной последовательности, только два последних
этапа связаны с экспериментальной работой на натурных образцах; им должны предшествовать теоретические исследования, расчетные и проектные работы, а также эксперименты, проводимые на образцах и моделях.
При анализе технических требований к изделию определяют прежде всего
целесообразность применения конкретного ПКМ для конструкции. Композиционные материалы обладают физико-механическими, теплофизическими,
химическими, электрическими и другими свойствами, обусловливающими
рациональность их использования для многих разрабатываемых конструкций,
а также для замены ранее применявшихся металлов или модернизируемых
введением дополнительных слоев. Если минимальные паспортные значения
свойств армированного пластика удовлетворяют эксплуатационным требованиям к создаваемой конструкции, применение этого материала можно считать
выгодным.
Анализируя формы и геометрические размеры конструкции, выявляют
возможный метод ее изготовления. При этом учитывают технико-экономические
и технологические показатели метода изготовления, а также количественно
уточняют реализуемые композитом свойства при выбранном методе. Например,
прессование больше подходит для небольших толстостенных деталей, а намотка — для крупногабаритных тонкостенных оболочек. Метод напыления
экономически и технологически прост, но получаемый материал уступает,
например, по прочности прессованному, тем более намотанному.
Как показывают результаты подобного анализа, для изготовления конструкций, являющихся телами вращения или рассматриваемых как таковые благодаря различным технологическим приемам, можно считать наивыгоднейшей
намотку. Достижения наиболее высокого уровня из всего возможного диапазона свойств пластика следует ожидать для изделий в форме тел вращения
положительной гауссовой кривизны. Намотка изделий другой формы потребует усложнения оборудования и оснастки.
При анализе наматываемой конструкции уточняют возможности ее членения на части (в том числе послойное деление), предлагаемые решения закладных деталей и узлов стыка, намечают узлы герметизации, выбирают технологические оправки и оборудование с учетом имеющегося.
170
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
По завершении анализа определяют метод намотки (прямая тканевая, продольно-поперечная, спиральная) или комбинацию методов, а также способ
намотки («мокрая», «сухая»). Свойства пластика сопоставляют со свойствами,
необходимыми для изготовляемой конструкции. При этом конкретизируют
марки применяемого армирующего материала и полимерного связующего.
Для изготовления изделий относительно простой формы (например, конус,
цилиндр) можно использовать наполнители рулонного типа, а для изделий
более сложной формы, когда необходим определенный узор намотки, — нити,
ровинги, жгуты или ленты. Выбор типа наполнителя в значительной степени
зависит от прочностных свойств и деформируемости, которыми должен обладать материал стенки изделия. Композиты, армированные холстами, рассчитаны на уровень напряжения не более 30…50 МПа; ПКМ, армированные
тканями, пригодны для нагрузок до 200…300 МПа; высокопрочные же конструкции получают только намоткой нитями, ровингом, однонаправленной
лентой.
Если изделие будет эксплуатироваться в условиях значительных тепловых
нагрузок, в качестве связующих выбирают кремнийорганические или фенолоформальдегидные смолы; если предполагают силовые нагрузки и повышенную
герметичность, применяют связующие эпоксидного или полиэфирного типа.
Выбор связующего для ПКМ ограничен и методом его отверждения. При
больших размерах изделия должны быть использованы связующие, отверждающиеся при обычной температуре (холодное отверждение) и не нуждающиеся в специальном термическом оборудовании. От режима отверждения связующего зависит и некоторое изменение свойств получаемого материала.
Обычно пластики горячего отверждения обладают лучшими физико-механическими свойствами, но при использовании такого метода отверждения возникают вопросы о материалах для технологических оправок, герметизирующих
и других слоев конструкции.
Конкретизация применяемых армирующего материала и связующего,
в свою очередь, позволяет установить параметры технологического регламента
намотки. В соответствии с полем нагрузок, действующих в конструкции при
эксплуатации, и принятым методом намотки выбирают схему армирования
пластика, включая анизотропию свойств используемого материала, слоистость
стенки, усиление стенок в местах действия краевого эффекта, а также комбинирование слоев для сохранения целостности герметизирующей оболочки,
придания товарного вида изделию и др.
Определить напряжения в материале наполнителя и матрицы даже при
известной структуре стенки достаточно сложно, а порой и невозможно. Решить
обратную задачу — найти оптимальную структуру ПКМ по всему объему изделия — можно только для очень простых условий, например для продольнопоперечного или спирального армирования цилиндрических оболочек, работающих в условиях осесимметричного нагружения.
Однако расчет несущей способности арматуры приемлем скорее для сравнительной оценки разных схем армирования, чем для абсолютной оценки
прочности материала оболочки. Оптимальное проектирование по этому принципу может носить, как уже отмечалось, только ориентировочный характер.
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
171
Определение напряжений, возникающих в материале нагружаемой оболочки, с учетом концентраторов напряжений, циклического характера нагрузок,
временнîго фактора и коэффициента запаса прочности позволяет в итоге
удовлетворить требования к прочности и деформируемости материала оболочки. Тепловой, эрозионный и другие расчеты позволяют учесть соответствующие эксплуатационные требования к материалу конструкции.
По виду используемого армирующего материала устанавливают усилие
натяжения и закон его изменения в процессе намотки стенки по толщине
и направлению армирования. При этом учитывают возможности аппаратуры
для создания и регулирования натяжения, а также прочностные и жесткостные
свойства материала технологической оправки или материала, остающегося
в конструкции в виде внутренней оболочки (в том числе и герметизирующей).
Затем определяют необходимость полного или локального дополнительного
уплотнения пластика во время или после намотки.
В зависимости от применяемого связующего устанавливают вязкость, степень нанесения связующего на армирующий материал, скорость намотки,
температуру и давление формования материала на оправке. Принимая во внимание эти параметры, а также жизнеспособность связующего и конструктивнотехнологические особенности пропиточно-формирующего тракта станка, обеспечивают надежность пропитки арматуры связующим в соответствии
с технологическими режимами намотки: уровнем связующего в ванночке,
интенсивностью магнитного поля, наличием вакуума, вибраций. Для «сухого»
метода необходимо предусмотреть высокое качество получения препрега,
а также эффективность нагрева и натяжения при намотке на оправку. Применяемое связующее, точнее, температурный интервал его отверждения,
определяет выбор материала технологической оправки, герметизирующего
и других слоев. Таким образом, натяжение армирующего материала при намотке связано с необходимостью применения прочной и жесткой оправки,
а отверждение связующего — с сохранением стабильных свойств материала
оправки в температурном интервале отверждения. Кроме того, материал
и конструкция оправки должны отвечать экономическим и технологическим
требованиям производства (удаление технологической оправки, регенерация,
повторное использование материала оправок и др.).
Уже на этом этапе можно рассмотреть несколько вариантов конструктивного
оформления оправки, технологической оснастки намоточного станка, а также
комбинации наполнитель — связующее. Предпочтение должно быть отдано
более технологичным решениям. Критериями служат: для оборудования и оснастки — высокая производительность в условиях серийного или массового
производства, для получаемого пластика — минимум внутренних напряжений,
коробления и пористости.
При термохимическом отверждении намотанной конструкции важны особенности этого процесса. Температура и время отверждения зависят главным
образом от типа связующего. Однако следует учитывать и особенности конструкции в целом: дополнительную выдержку для лучшего прогрева деталей
большего объема, одновременность отверждения ПКМ и вулканизации герме-
172
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
тизирующего слоя и пр. Если давления формования стенки пластика от усилия
натяжения при намотке оказывается недостаточно, отверждение проводится
с дополнительным давлением, создаваемым, например, обмоткой викелевочным
волокном, укладкой троса или давлением через эластичную разделительную
диафрагму.
При радиационном отверждении технологическая отработка обусловлена
подбором интенсивности и дозы излучения.
Отвержденная намотанная композитная оболочка подвергается затем механической обработке, клепке, склеиванию и др.
Технологические параметры процесса намотки связаны также с комбинированием материалов в многослойной стенке конструкции. Цельнокомпозитный
корпус по массе оптимален, причем преимущество его возрастает с увеличением размеров изделия. Необходимость применения комбинированных оболочек связана с обеспечением герметичности, химической стойкости и т. п.
Такие оболочки оказываются менее совершенными по массе, особенно если
материал дополнительных слоев конструкции не несет силовой нагрузки.
Высокая техническая эффективность комбинированных конструкций (прежде всего с металлическим слоем) достигается при соответствующем перераспределении действующих нагрузок между внутренним слоем из металла
и наружной оплеткой из пластика. Как показывает анализ напряженно-деформированного состояния двухслойной стенки, для внутренних слоев наиболее
эффективно использование металлов с относительно небольшим удлинением
и пределом текучести, близким к разрушающему напряжению при растяжении.
Предварительное напряжение сжатия металлической оболочки в результате намотки пластикового слоя не оказывает существенного влияния на прочность комбинированного корпуса.
Эффективность комбинирования различных материалов может оцениваться по удельным прочности и жесткости, однако более строго — по коэффициентам Пуассона. Для сравнения достоинств разных материалов используют
параметр вида ρ(1− µ)/ E , где ρ — плотность материала; µ — коэффициент
Пуассона; Е — модуль упругости. Чем меньше значение параметра, тем эффективнее конструкционный материал. Успешность комбинирования материалов в многослойной стенке требует применения материалов с близкими
значениями этого параметра.
Эффективность комбинирования ρ(1− µ)/ E · 104, км–1, различных материалов приведена ниже:
СП ............................................................................................................
БП ............................................................................................................
ОП ............................................................................................................
УП ............................................................................................................
Алюминиевые сплавы ...........................................................................
Титановые сплавы .................................................................................
Термопласты ...........................................................................................
Эластомеры .............................................................................................
Композиция из стальной проволоки и эпоксидной смолы ..............
5,95
1,38
4,23
1,17
2,54
2,9
4,8…6,5
0,9…1,3
7,8
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
173
Из приведенных данных следует, что в комбинированных оболочках с металлами более эффективно применение БП и УП, чем применение СП и ОП.
При замене металлических оболочек металлокомпозитными отношение
толщин комбинированной и металлической оболочек может изменяться от 0,4
до 0,8, при этом масса оболочки уменьшается на 8…34 %.
Таким образом, на рассмотренном этапе разработки окончательно уточняют тип армирующего материала и связующего, метод и способ намотки, рассчитывают технологические параметры намотки с учетом конструктивнотехнологических особенностей оболочки и получаемых свойств материала.
Затем выбирают технологическое оборудование, обеспечивающее соблюдение намеченных параметров процесса, а также средства технологического
контроля и программирования важнейших параметров. На этом же этапе проектируют и изготовляют специальную технологическую оснастку.
После конкретизации применяемого оборудования и оснастки, а также
вычисления технологических параметров процесса изготовления переходят
к следующему этапу — составлению технологического регламента и проведению теоретической оценки качества создаваемого изделия.
Одним из критериев совершенства технологического процесса намотки
является степень сохранения исходной прочности армирующего материала.
В промышленности исходная техническая прочность стекловолокон обычно
реализуется лишь на 25…30 %, в некоторых серийных высокопрочных конструкциях — на 30…38 %, а в условиях опытной технологии — на 44…51 %.
Критерием конструктивной эффективности намотанных оболочек, нагруженных внутренним давлением, является коэффициент Kм.с массового совершенства. Он представляет собой отношение энергоемкости pV конструкции
к ее массе m:
Kм.с = pV/m,
где р — рабочее давление; V — объем оболочки.
Этот критерий пропорционален удельной прочности материала оболочки
и обратно пропорционален коэффициенту запаса прочности. Теоретические
значения Kм.с для конструкций из СП, обладающего удельной прочностью
(60…90)⋅104 м2/c2, при коэффициенте запаса прочности, равном 2, достигают (35…45)⋅10 4 м 2/c 2. Практически в намотанных оболочках K м.с =
= (3,5…15,0)⋅104 м2/c2, в отдельных случаях Kм.с = (28,0…32,5)⋅104 м2/c2.
Оптимальность формы наматываемых емкостей в зависимости от соотношения их размеров может быть оценена параметром А, представляющим
собой половину произведения рабочего давления на объем оболочки: A = pV/2.
На рис. 3.21 показана зависимость изменения этого параметра для основных
форм оболочек разных геометрических размеров.
Погрешности в структурных параметрах материала стенки изделия зависят
от трех групп факторов:
1) разброса свойств исходных материалов;
2) точности структурно-технологических расчетов;
3) точности изготовления технологической оснастки и работы намоточного
станка.
174
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.21. Зависимость конструктивного параметра А для намотанных оболочек разной формы
от параметра L/d (L, d — длина и диаметр оболочки соответственно):
1 — тор; 2 — цилиндр; 3 — кокон; 4 — сфера
Наибольшее влияние на разброс прочностных и деформационных свойств
материала композитных оболочек оказывает точность ориентации наполнителя.
Считается, что систематическая ошибка в укладке слоев на 1° равноценна изменению объемного содержания наполнителя в композиции на 3 %.
Завершающие этапы разработки технологии намотки конструкции из ПКМ
состоят в практической отработке намеченной технологии и испытании готовых изделий на соответствие качества заданным техническим требованиям.
Качество изготовленной конструкции проверяют путем контроля и испытаний.
Контролируют толщину стенки и другие геометрические размеры, а также
массу и объем изделия. Проводят испытания на прочность, в том числе длительную и циклическую, на герметичность, действие климатических и других
факторов среды эксплуатации. Фактический запас прочности, а также межслойную прочность измеряют в процессе контрольно-выборочных испытаний
до разрушения отдельных образцов, взятых из изготовленной партии. При
необходимости изделие подвергают и другим контрольным и испытательным
операциям.
Как показывает опыт, предварительный материаловедческий и технологический расчет в сочетании с необходимыми экспериментальными работами
(например, по определению технологических свойств компонентов, уточнению
взаимосвязи свойств и структуры материала) позволяют сократить время разработки технологического процесса и свести к минимуму число натурных
образцов на этапе практической отработки технологии. При конструктивном
совершенстве намотанные композитные изделия имеют минимальную массу.
Свойства ПКМ можно и дальше улучшать за счет повышения качества исходных компонентов (уже получены органические, стеклянные и углеродные
волокна с пределом прочности до 5…7 ГПа).
Поскольку в намотанной конструкции удается реализовать в лучшем случае лишь треть прочности используемого армирующего волокна, то особое
значение приобретают совершенствование процесса намотки и научно обоснованный подход к разработке технологии этого процесса. Важную роль при
этом играет конструкция применяемого оборудования и оснастки. Дальнейшая
автоматизация процесса намотки, увеличение числа контролируемых технологических параметров и их программное изменение, а также повышение
точности контроля способствуют не только увеличению производительности
труда и улучшению качества изделий, но и уменьшению числа операций,
снижению численности обслуживающего персонала, а также безотходности
и безвредности технологий для людей и окружающей среды.
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
175
Средства активного контроля и микропроцессорная техника позволяют
создать адаптивные системы, c помощью которых намоточное оборудование
приобретает способность учитывать изменяющиеся факторы работы станка
и оснастки, воздействия среды. Внедрение робототехнических систем и других
межоперационных средств, а также оснащение оборудования станками с ЧПУ
приводит к созданию гибких технологических комплексов, управляемых ЭВМ
и быстро перестраивающихся на выпуск любой продукции. Экономические
достоинства таких комплексов очевидны.
Проектирование рационального технологического процесса изготовления
намотанной конструкции в связи с многофакторностью такой задачи наиболее
эффективно с использованием САПР. Только таким способом может быть найден вариант проведения процесса, учитывающий противоречивые требования,
связанные с разнообразием применяемых материалов (компонентов фаз композиционных и других материалов конструкции и технологической оснастки),
а также технологических операций (изготовления оправок, намотки, отверждения и др.) и режимов их выполнения.
Подобное проектирование подразумевает оптимальное технологически
ориентированное конструирование наматываемого изделия, т. е. изделия, удовлетворяющего заданным требованиям производства и эксплуатации (в частности, узор намотки должен соответствовать направлению действующих нагрузок). Оптимизация конструкции наматываемого изделия также невозможна
без использования САПР. Усложнение форм наматываемых оболочек, профилирование их стенок, введение разнообразных закладных деталей и создание
комбинированных стенок еще больше усиливают тенденцию к применению
САПР.
Рассмотренные тенденции развития технологии намотки композитных
конструкций особенно существенны в производстве изделий ответственного
назначения, работающих в условиях интенсивных нагрузок. Намотанные оболочки зачастую должны выдерживать не только силовые нагрузки, но и тепловые, эрозионные, абляционные, низкотемпературные, радиационные, электромагнитные, климатические, микробиологические и другие воздействия. Иногда
необходимо, чтобы намотанные конструкции обладали свойствами, которые
обычно не присущи им, например, такими, как электропроводность, магнитная
проницаемость, эластичность.
Подобные специфические требования обусловливают значительное отличие
конструктивно-технологических характеристик изделий от соответствующих
характеристик изделий, работающих только в условиях интенсивных механических нагрузок.
Опыт намотки изделий конструкционного назначения может быть перенесен на изделия других назначений лишь после дополнительной экспериментальной проверки. Изменения в технологии намотки нового материала будут
тем глубже, чем значительнее проводимая модификация свойств пластика.
Примером подобной модификации является карбонизация связующего нагревом в среде инертного газа, в результате которой возникает новый материал
на основе любых волокон и частично-углеродной матрицы.
176
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
3.5.2. Основы производства теплозащитного покрытия
для камеры сгорания двигателя
В производстве теплозащитного покрытия (ТЗП) для РПДТ используют
технологии холодного и горячего отверждения. Основные стадии этих технологий таковы:
1) получение препрега (смешение компонентов и реализация физикохимических процессов взаимодействия между ними);
2) формовка;
3) вклейка заготовок в корпус двигателя.
Основные требования, предъявляемые к ТЗП:
• работа в широком температурном интервале (температура газовых потоков ≈ 2300 K);
• плотность 1250…1800 кг/м3;
• разрушающее напряжение при растяжении не менее 8 МПа;
• коэффициент теплопроводности 0,25…0,55 Вт/(м·K);
• теплоемкость 0,84…1,20 кДж/(кг·K);
• устойчивость к воздействию пластификаторов топлива;
• высокая адгезия к металлу корпуса двигателя и к защитно-крепящему
слою.
Кроме того, при хранении продукты газовыделения ТЗП (при их наличии)
не должны приводить к коррозии или изменению свойств металлических деталей двигателя и ТЗП должно сохранять работоспособность не менее 15 лет.
Для изготовления материала ТЗП холодного отверждения применяют
низкомолекулярный полимер с добавками антиокислительного порошкового
компонента, армированный кремнеземной многослойной тканью. Для отверждения низкомолекулярного полимера используют оловоорганические соединения.
Ниже приведены свойства кремнеземной многослойной ткани:
Содержание SiO2, %, не менее ........................................................
Поверхностная плотность, кг/м2 .....................................................
Количество нитей в наружном слое на длине 100 мм, шт.:
основа ............................................................................................
уток ................................................................................................
96
0,96
16
39
Для изготовления ТЗП горячего отверждения применяют связующее на
основе армированного кремнеземной многослойной тканью бутадиен-нитрильного полимера с добавками антиокислительного порошкового компонента.
Основные свойства антиокислительной добавки таковы:
Плотность r, г/см3 ...........................................................................
Твердость, ГПа .................................................................................
Предел прочности sв, МПа:
при изгибе ....................................................................................
при сжатии ..................................................................................
3,0…3,1
25…30
320…350
2300
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
Модуль упругости Е, ГПа ...............................................................
Коэффициент теплопроводности (при 100 °С)
l, Вт/(м⋅K) ...................................................................................
Температурный коэффициент линейного расширения
(при 20…1000 °С) a ⋅ 106, K–1 ....................................................
Размер частиц, мкм .........................................................................
177
380
140…160
3,5…4,0
5…7
Принципиальная технология изготовления и нанесения ТЗП. Технологии холодного и горячего отверждения имеют одни и те же технологические
фазы (рис. 3.22).
Приготовление связующего смешением низкомолекулярного или бутадиеннитрильного полимера с антиокислительной добавкой ведут в лопастном
смесителе вместимостью 30…50 л, мощностью 2,0…2,5 кВт и со скоростью
вращения лопастей 100…120 об/мин. Добавление отвердителя при холодном
отверждении происходит непосредственно перед нанесением на объемноармирующий наполнитель.
Раскрой кремнеземной ткани на заготовки осуществляют вручную с помощью ножа и металлической линейки по шаблону или карте раскроя. Затем
шпателем наносят связующее на тканый наполнитель, промазывая полотно по
всей ширине и длине.
При горячем отверждении препрег сушат в течение суток при температуре
25 °С. После сушки препрега выполняют выкладку набора необходимой толщины, после чего наносят клеевой слой для приклеивания ТЗП к корпусу
двигателя.
Для приклеивания ТЗП к корпусу двигателя и к защитно-крепящему слою
применяют специальные клеи. Структура ТЗП с защитно-крепящим слоем
представлена на рис. 3.23.
При использовании технологии холодного отверждения набор необходимой
толщины выкладывается слоями промазанного наполнителя на оснастке для
формования.
Следующая операция — формовка заготовок вакуумно-автоклавным способом. Для вакуумно-автоклавного формования используют автоклавное оборудование, обеспечивающее избыточное давление 1,2…1,5 МПа, разрежение
10 мм рт. ст., время отверждения 24 ч, температуру в камере до 150 °С.
Далее идет процесс холодного или горячего отверждения ТЗП при комнатной
температуре в течение суток или при температуре 150 °С в течение 3…5 ч
соответственно.
С применением общепромышленного станочного оборудования, такого как
токарные и отрезные станки, осуществляют механическую обработку заготовки и удаление облоя.
Использование некачественного сырья и нарушение регламента при производстве ТЗП приводят к получению некондиционных изделий, поэтому завершающей стадией производства является контроль качества ТЗП.
Контроль качества ТЗП заключается в определении коэффициента теплопроводности, температурного коэффициента линейного расширения, теплоемкости материалов и их физико-механических свойств.
178
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.22. Блок-схема изготовления ТЗП (фазы 1A–6A соответствуют
холодному отверждению, фазы 1B–6B — горячему)
3.5. Особенности формообразования деталей из ПКМ
179
Рис. 3.23. Структура нанесенного на корпус ТЗП:
I — защитно-крепящий слой; II — клеящий слой; III — теплозащитный материал; IV — корпус; 1 — связующее; 2 — кремнеземная
ткань; 3 — антиокислительная добавка
Определение коэффициента теплопроводности. Для измерения коэффициента теплопроводности l в температурном диапазоне 100…1000 °С используют известный стационарный метод пластины — вариант с симметричным
расположением двух одинаковых пластин (образцов) относительно плоского
малоинерционного нагревателя из тонкой (0,12…0,15 мм) коррозионно-стойкой
стали. Этот метод позволяет наиболее просто и точно определять плотность
проходящего через образец теплового потока — по электрической мощности
нагревателя:
q=
∆UI
, Вт/м2,
2bl
где DU — падение напряжения на «рабочем» участке нагревателя (между потенциальными отводами — проволочками, приваренными к боковой кромке
нагревателя); I — сила тока в цепи нагревателя; b — ширина отводов; l —
расстояние между потенциальными отводами.
Коэффициент теплопроводности образца-пластины вычисляют по формуле для стационарного теплового режима:
λ=
qδ
, Вт/(м·K),
∆T
где d — толщина пластины (расстояние между спаями термопар по нормали
к поверхности); DТ — перепад температур на толщине d образца-пластины.
Достоинства метода заключаются в простоте измерения теплового потока
и одновременном испытании двух образцов. Размеры образца: 80×80×(6…8) мм
(толщина меньше других габаритных размеров в 10 раз и более для обеспечения
одномерности теплового потока).
Определение температурного коэффициента линейного расширения.
Испытания для определения температурного коэффициента линейного расширения ТЗМ проводят на специализированном высокотемпературном дилатометре, предназначенном для измерений линейного расширения ТЗМ в диапазоне значений температуры 50…2700 °С.
180
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Испытания проводят на пяти образцах размером 10×10×100 мм одновременно.
Начальную длину образца измеряют микрометром, изменение длины
и температуру образца — на оптическом дилатометре с помощью микроскопакомпаратора и термопары соответственно.
Расчетная формула для вычисления среднего значения температурного
коэффициента линейного расширения:
α ср =
l − lн
,
lн (T − Tн )
где l — длина образца при температуре T ; lн — начальная длина образца
при начальной температуре Tн .
Погрешность определения коэффициента α ср зависит от погрешностей
температурных и линейных измерений.
Определение теплоемкости материалов. Теплоемкость материалов измеряют с помощью дифференциального сканирующего калориметра теплового потока.
Для получения значений теплоемкости ТЗМ применяют метод сравнения,
основанный на нагревании испытуемого образца в инертной среде с контролируемой скоростью и в заданном температурном диапазоне.
Конструкция калориметра позволяет создавать равномерный тепловой поток, максимальную чувствительность, высокую стабильность и воспроизводимость базовой линии. Измерения теплоемкости проводят в тиглях из сплава платина-родий, в инертной среде аргона при нагреве одновременно
с эталонным образцом для сравнения.
В качестве эталонного образца используется сапфир, поставляемый в комплекте с прибором (калориметром). Масса исследуемых образцов составляет
10…20 мг.
Определение физико-механических свойств. Физико-механические испытания проводят в соответствии с методикой, суть которой заключается
в приложении к образцам (рис. 3.24) и регистрации во времени постоянно
увеличивающихся нагрузок при постоянной скорости перемещения активного
захвата (опоры) до их разрушения с последующим вычислением прочности
и предельных деформаций при растяжении.
Рис. 3.24. Форма образцов для проведения физикомеханических испытаний на растяжение
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
3.6. Особенности вулканизации резиновых смесей...
181
3.6. Особенности вулканизации резиновых смесей,
применяемых для композитных корпусов
Для теплозащиты современных изделий с корпусами из ПКМ, работающих
при высоких значениях температуры, применяют резиновые смеси с различными наполнителями (см. 2.3). Вулканизация резиновых смесей проводится
в автоклаве на специальных металлических формах и (или) при термообработке корпусов из ПКМ после намотки на песчано-полимерную оправку.
Теплозащитные материалы, получаемые в результате вулканизации, должны обладать совокупностью заданных функциональных (физико-механических,
теплофизических, адгезионных и др.) характеристик. Значения этих характеристик зависят от параметров технологического режима вулканизации резиновых смесей (законов изменения во времени температуры и давления).
Большую роль играет оптимизация технологических режимов вулканизации.
Она позволяет обеспечить заданное качество ТЗП, сократить продолжительность термообработки изделий и снизить затраты энергии при проведении
технологического процесса.
За оптимальный уровень вулканизации резиновой смеси по выбранному
закону изменения во времени температуры и давления в автоклаве принята
степень вулканизации b, при которой достигается максимально возможный
уровень качества ТЗП.
К числу показателей качества изготовления ТЗП (после термообработки в автоклаве) относятся:
• физико-механические характеристики (относительное удлинение при
разрыве, условная прочность при растяжении) и теплофизические характеристики (плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности) ТЗМ;
• прочность при расслаивании ТЗП, прочность клеевых соединений
и глубина пробивки ТЗМ эластичной капроновой тканью*.
Все перечисленные показатели качества изготовления ТЗП должны соответствовать требованиям конструкторской документации. Кроме того, на
внутренней и наружной поверхностях ТЗП не должно быть дефектов (уступов,
вмятин, вздутий, трещин и т. п.).
Контроль качества ТЗП проводится по образцам-свидетелям, изготовленным
совместно с ТЗП, а также по образцам, вырезанным из ТЗП в соответствии с
конструкторской документацией на конкретное изделие.
Контрольные значения показателей качества — характеристик ТЗМ задаются в конструкторской документации с учетом влияния на них последующих этапов теплового нагружения ТЗП, таких как:
• изготовление корпуса совместно с силовой оболочкой;
• заполнение и полимеризация наполнителя;
• хранение, транспортировка и эксплуатация корпуса в составе изделия.
В связи с этим для определения контрольных значений показателей качества необходимо найти зависимость соответствующих характеристик от сте*
По сравнению с контрольными образцами внешнего вида внутренней поверхности
ТЗП.
182
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
пени вулканизации и температурных режимов всех перечисленных этапов
теплового нагружения.
При оптимизации режимов термообработки резиновой смеси в автоклаве
необходимо обеспечить степень ее вулканизации в конце термообработки не
менее степени вулканизации, получаемой при входном контроле. Практика
отработки целого ряда изделий показывает, что максимально возможный уровень качества ТЗМ достигается в результате термообработки резиновой смеси
при температуре 150 ºС в течение 50…60 мин (по режиму входного контроля).
К ограничениям, накладываемым на процесс оптимизации технологических режимов вулканизации, относятся:
а) максимально достижимая температура газовой среды в автоклаве, определяемая мощностью нагревателей и теплопередающей способностью его
ограждающих конструкций;
б) максимально достижимое давление в автоклаве, определяемое прочностью его оболочки;
в) максимально достижимая скорость подъема температуры газовой среды,
определяемая инерционностью системы нагрева, тепловой инерционностью
формы, интенсивностью теплообмена между потоком газовой среды и обогреваемой поверхностью формы с вулканизуемой резиновой смесью;
г) необходимость выдержки вулканизуемой резиновой смеси при температуре размягчения материала и максимальном давлении для обеспечения заданного распределения толщины ТЗП по поверхности корпуса в зоне соединения оболочки из ПКМ с металлическими фланцами, максимального уровня
прочности при расслоении и нормальной пробивки эластичной капроновой
тканью*;
д) необходимость обеспечения вакуума в полости между ТЗП и чехлом
в целях удаления летучих продуктов, образующихся при нагреве вулканизуемой резиновой смеси.
Внутреннее ТЗП цилиндрической части корпуса, включающее антидиффузионный (пластификаторостойкий) и защитно-крепящий слои, проходит вулканизацию только при термообработке СОК. В связи с этим при оптимизации
режимов термообработки (полимеризации) СОК необходимо обеспечить также заданный уровень качества теплозащиты цилиндрической части корпуса
(в частности, нормальную пробивку ТЗМ эластичной капроновой тканью).
Для решения рассматриваемой оптимизационной задачи используют методы математического моделирования, что позволяет сократить временные и
материальные затраты на разработку эффективного технологического процесса совместной вулканизации.
Для проведения этих расчетов применительно к условиям в автоклаве необходимо определить коэффициенты теплообмена между потоком газа и по*
Продолжительность выдержки вулканизуемой резиновой смеси при температуре размягчения материала определяется экспериментально с учетом пластоэластических
и вулканизационных свойств этой смеси. В процессе выдержки давление в автоклаве
должно быть максимальным, а скорость подъема давления до максимального уровня —
не меньше скорости подъема температуры.
3.6. Особенности вулканизации резиновых смесей...
183
верхностью формы, входящие в граничные условия к уравнению сохранения
энергии, а также теплофизические характеристики вулканизуемой резиновой
смеси и параметры кинетики вулканизации.
Для определения параметров конвективного теплообмена на обогреваемой
поверхности формы с вулканизуемой резиновой смесью (рис. 3.25), как правило, проводят предварительные специальные эксперименты с измерением
давления, скорости, температуры газа (в данном случае — воздуха) и температуры обогреваемой поверхности формы.
Рис. 3.25. Принципиальная схема работы автоклава:
1 — крышка; 2 — поток газа внутри свободного объема автоклава; 3 — зазор
между внешней и внутренней стенками для выхода нагретого газа; 4 — внутренняя
стенка; 5 — наружная стенка; 6 — радиатор системы водяного охлаждения газа;
7 — нагреватель; 8 — вентилятор; 9 — электродвигатель вентилятора; 10 — стальные формы с вулканизуемым ТЗМ
Например, в процессе экспериментальных исследований с помощью термоанемометра проводили прямые измерения характерной скорости v газового
потока в автоклаве и определили, что v = 7,3 м/с. Поскольку измерения проводили при атмосферном давлении, то для использования этого результата при
других значениях давления можно принять допущение о постоянстве скоростного напора, создаваемого вентилятором: ρv2 = const.
Продолжительность выдержки вулканизуемой резиновой смеси при температуре размягчения материала и заданном давлении, необходимая для надлежащего формования ТЗП, определяется по результатам дифференциального
массового анализа (ДМА) невулканизованных образцов резиновой смеси.
Кроме того, используются экспериментальные данные о прочности при расслоении и о степени пробивки резиновой смеси эластичной капроновой тканью,
полученные на соответствующих представительных образцах.
Согласно экспериментальным данным, для надлежащего формования типичной резиновой смеси при термообработке ТЗП в автоклаве в заданном
режиме вулканизации необходимо предусмотреть выдержку при температуре
110 °С и давлении 1,2 МПа в течение 2 ч.
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
184
Аналитически процесс вулканизации можно описать моделью Праута —
Томпкинса, математическое выражение которой имеет вид
−
E
dβ
= A exp −
RµT
dt
n
(1 − β ) βa ;
(3.2)
β = β0 при t = 0,
где b, b0 — степень вулканизации и ее начальное значение соответственно;
t — время; A, E — предэкспоненциальный множитель и энергия активации
процесса; Rm — универсальная газовая постоянная; Т — температура образца;
n, a — экспериментально полученные показатели степени.
Определенные экспериментально значения параметров кинетики вулканизации ТЗМ, входящих в модель (3.2), приведены ниже:
E/Rm, K–1 ..................................................................................
lg A ...........................................................................................
n ...............................................................................................
а ...............................................................................................
10 700 ± 200
7,9 ± 0,2
1,39 ± 0,05
0,26 ± 0,02
Экспериментальные значения коэффициента теплопроводности l, теплоемкости cm и плотности r ТЗМ в зависимости от степени вулканизации b
приведены в табл. 3.29, из которой следует, что теплофизические характеристики ТЗМ в процессе вулканизации изменяются незначительно.
Таблица 3.29
Теплофизические характеристики типичных ТЗМ
при различной степени вулканизации b
b, %
Плотность
r, г/м3
Теплоемкость
cm, кДж/(кг⋅K)
Коэффициент
теплопроводности
l, Вт/(м⋅K)
Температуропроводность
a, мм2/с
60
1,000 ± 0,005
1,70 ± 0,02
0,26 ± 0,04
0,141 ± 0,005
88
1,099 ± 0,002
1,72 ± 0,10
0,25 ± 0,02
0,135 ± 0,003
94
1,097 ± 0,003
1,80 ± 0,08
0,28 ± 0,02
0,140 ± 0,003
97
1,101 ± 0,002
1,90 ± 0,10
0,29 ± 0,03
0,141 ± 0,005
Для изменения во времени давления p азота при термообработке резиновой
смеси в автоклаве рекомендуются следующие режимы (рис. 3.26):
а) подъем давления с постоянной скоростью 0,2 МПа/мин до уровня
1,2 МПа;
б) выдержка давления на уровне 1,2 МПа до момента начала снижения
температуры T в автоклаве;
в) снижение давления с постоянной скоростью 0,04 МПа/мин до уровня
0,1 МПа;
3.6. Особенности вулканизации резиновых смесей...
185
Рис. 3.26. Зависимость от времени расчетных параметров термообработки
резиновой смеси в автоклаве на участке формы, для которого характерна максимальная тепловая инерционность:
1 — давление в автоклаве; 2 — температура рабочей среды в автоклаве; 3 —
температура обогреваемой поверхности формы с вулканизуемым ТЗП; 4 — температура под слоем вулканизуемого ТЗП; 5, 6 — степень вулканизации на наружной и внутренней поверхности ТЗП соответственно
г) замедленная скорость нагрева вулканизуемой резиновой смеси при температуре размягчения материала и давлении 1,2 МПа в течение 2 ч (продолжительность выдержки);
д) обеспечение вакуума (разрежение не менее 0,07 МПа) до начала нагрева и на протяжении всего режима вулканизации ТЗП в полости между ТЗП
и вакуумным мешком.
Качество изготовления ТЗП оценивают по следующим показателям, установленным конструкторской и технологической документацией:
• толщине ТЗП;
• внешнему виду ТЗП;
• физико-механическим и теплофизическим характеристикам материала
ТЗП;
• прочности соединений резина — ткань на расслоение;
• прочности клеевых соединений фланец — резина на отрыв.
Следует отметить, что при использовании оптимизированного температурного режима для термообработки ТЗП в автоклаве продолжительность термообработки сокращается не менее чем на 50 % при обеспечении заданного
качества изготовления ТЗП.
186
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций
методом «мокрой» программированной намотки
Для изготовления несущих корпусных композитных конструкций применяют метод «мокрой» жгутовой намотки на многокоординатных намоточных
станках с ЧПУ. Этот метод обеспечивает высокую степень механизации
и производительность технологического процесса.
Принципиальная технологическая схема намотки композитного корпуса
сетчатой конструкции (рис. 3.27) включает: намоточный станок 1 спиральнокольцевой намотки с кареткой 6 продольного перемещения и основным суп-
Рис. 3.27. Принципиальная технологическая схема намотки сетчатой
оболочки:
1 — намоточный станок; 2 — устройство для намотки шпангоутов (вертлюг);
3 — каретка совместной намотки; 4 — нитепроводящий тракт каретки совместной
намотки; 5 — оправка с заготовкой оболочки; 6 — каретка продольного перемещения;
7 — основной суппорт спирально-кольцевой намотки сетчатого каркаса; 8 — нитепроводящий тракт основного суппорта; 9 — блок автоматизированного управления
процессом намотки и контроля технологических параметров
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций...
187
портом 7; нитепроводящий тракт 8 основного суппорта, обеспечивающий
подачу и пропитку материала сетчатой структуры; каретку 3 совместной намотки с нитепроводящим трактом 4 для пропитки материала шпангоутов;
устройство 2 для намотки шпангоутов (вертлюг); блок 9 автоматизированного
управления процессом намотки и автоматизированного контроля технологических параметров; оправку 5 с формообразующими эластичными матрицами
для образования ребристой структуры оболочки.
Представленная технологическая схема является типовой и может иметь
иную компоновку в зависимости от типа изделия, его конструктивных особенностей и габаритных размеров.
Для изготовления сетчатых оболочек из композиционных материалов применяют намоточные станки, позволяющие наматывать изделия с максимальным
диаметром до 4 м и длиной до 12 м.
Для реализации конструкции композитного торцевого шпангоута оболочки
разработаны специальные устройства, которые обеспечивают формирование
комплексной ленты, состоящей из нитей продольного и кольцевого направлений. Благодаря этому шпангоут способен воспринимать значительные осевые
усилия растяжения-сжатия.
Технология изготовления сетчатой оболочки (рис. 3.28) представляет собой
многоступенчатый последовательно-параллельный процесс выполнения операций. Каждая операция логически связана со смежными и включает определенные переходы, позволяющие отслеживать завершенность работ на данном
этапе и качество их выполнения.
Входной контроль материалов заключается в проверке сопроводительной
документации на используемые при изготовлении (намотке) материалы.
При подготовке оправки к намотке выполняются следующие операции:
• контроль рабочей поверхности оправки, нанесение антиадгезионной
смазки;
• установка технологических колец со штифтами на торцевые части
оправки;
• намотка по длине оправки разделительной фторопластовой пленки;
• установка на оправку комплекта формообразующих подложек и закрепление их с помощью крепежных элементов;
• совмещение положения спиральных пазов в подложках и штифтов на
технологических кольцах;
• намотка слоев препрега в зонах формирования шпангоутов.
Общие требования к операции намотки заключаются в следующем.
1. Общая продолжительность процесса намотки определяется схемой
армирования (количеством спиральных и кольцевых слоев структуры) и геометрическими параметрами оболочки. Нерегламентированное превышение
продолжительности этого процесса отрицательно влияет на состояние («живучесть») полимерного связующего и проведение последующих операций.
2. Обязательный контроль технологических параметров намотки: натяжения
ленты, содержания связующего в ленте, температуры связующего.
Рис. 3.28. Укрупненная блок-схема технологического процесса изготовления сетчатой оболочки
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций...
189
Типовые технологические параметры намотки оболочки:
Натяжение ленты, H:
из N углеродных нитей (N = 10…20) .....................................
комплексной ...............................................................................
Содержание связующего в ленте, % ..........................................
Температура связующего, ºС .......................................................
20N ± 5
100 ± 5
40 ± 2
50 ± 5
Операция намотки сетчатой оболочки — это высокопроизводительный
технологический процесс с высокой степенью механизации, что гарантирует
достаточную стабильность эксплуатационных характеристик изделия.
Необходимо отметить, что при «мокрой» намотке оболочек вращения
вследствие контактного давления со стороны спирально-кольцевых лент происходит миграция связующего из нижележащих слоев к наружной поверхности заготовки. Для удаления избытка связующего проводится намотка
дренажных слоев или установка салфеток из стеклоровинга. После выдержки
и пропитки излишками связующего дренажные слои можно удалить.
Для создания активного управляемого контактного давления и уплотнения
слоистого композитного полуфабриката применяют намотку технологической
«рубашки» из нитей, обладающих свойством термоусадки, которое реализуется при последующей термообработке.
Кроме воздействия на ребра сетчатой структуры в радиальном направлении
со стороны «рубашки», происходит уплотнение ребер в боковом направлении
при упругом деформировании фрагментов эластичной подложки.
При создании энергосберегающей высокопроизводительной технологии
изготовления корпусных композитных конструкций с заданными прочностными, жесткостными и теплофизическими характеристиками важную роль играет оптимизация режимов термообработки намотанных заготовок изделий.
Оптимизацию технологических режимов термообработки отверждаемых
изделий из ПКМ проводят для обеспечения заданного качества изготовления
изделий, сокращения продолжительности процесса их термообработки и снижения затрат энергии при проведении конкретного технологического процесса. Оптимизация выполняется на основе результатов математического и компьютерного моделирования термохимических и теплофизических свойств
материала, а также процессов теплопереноса в изделии, сопровождающихся
соответствующими физико-химическими превращениями.
За оптимальный уровень полимеризации связующего в процессе термообработки изделия по выбранному закону изменения во времени температуры
принята степень полимеризации g, при которой достигается максимально возможный уровень качества ПКМ.
К числу основных показателей качества изготовления изделия относятся физико-механические характеристики ПКМ (плотность, разрушающие
напряжения при растяжении и при сжатии в направлении волокон, модуль
упругости), которые должны соответствовать требованиям конструкторской
документации.
190
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Контроль качества ПКМ проводится по образцам, изготовленным по выбранному режиму термообработки при отверждении однонаправленных заготовок.
К основным ограничениям, накладываемым на процесс термообработки отверждаемого изделия, относятся:
а) максимально достижимая температура рабочей среды (как правило, воздуха) в термокамере, определяемая мощностью нагревателей и теплопередающей способностью ограждающих конструкций термокамеры;
б) максимально достижимая скорость подъема температуры в отверждаемом
изделии, которая определяется инерционностью системы нагрева воздуха, интенсивностью теплообмена между потоком воздуха и обогреваемой поверхностью оправки, а также тепловой инерционностью оправки с отверждаемым
изделием;
в) наличие участков замедленной скорости нагрева (выдержки) на кривой
«температура — время» в отверждаемом корпусе, обусловленных необходимостью:
• термодренажа и подсушки связующего* (в технологии «мокрой» намотки корпусов из ПКМ);
• выдержки при температуре размягчения резиноподобных теплозащитных
материалов в целях формования внутреннего ТЗП корпуса**;
г) ограничение скорости повышения температуры в отверждаемом изделии,
что, в свою очередь, связано с необходимостью снижения интенсивности
тепловыделения в объеме полимеризующегося связующего***;
д) ограничение скорости снижения температуры в слое отверждаемого
ПКМ, что вызвано необходимостью уменьшения до допустимого уровня внутренних напряжений в термообрабатываемой конструкции****.
Рассмотрим оптимизацию технологических режимов термообработки намотанных заготовок изделий на примере наиболее распространенных цилиндрических корпусных конструкций анизогридной сетчатой структуры из УП
*
На начальной стадии процесса отверждения эпоксидных связующих происходит
переход связующего из вязко-текучего состояния в состояние микрогеля. Кроме того,
к причинам миграции связующего по толщине стенки относят: на стадии намотки — натяжение армирующего материала, на начальной стадии термообработки — еще и взаимодействие заготовки с расширяющейся оправкой, а также снижение вязкости связующего вследствие нагрева, пока не произошла его желатинизация. В связи с этим на данной
стадии отверждения намотанного корпуса происходит перераспределение связующего по
толщине оболочки.
**
Ограничение имеет место при наличии в составе корпуса слоев из резиноподобных
материалов, вулканизуемых совместно с термообрабатываемой силовой оболочкой.
***
Ограничение вводится с целью не допустить перегрев слоя отверждаемого ПКМ. Оно
наиболее важно для толстостенных конструкций.
****
Внутренние технологические напряжения определяются при решении задачи о напряженно-деформированном состоянии оправки с отверждаемым изделием в процессе
термообработки.
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций...
191
и ОП на основе эпоксидного связующего ЭХД-МД, отверждаемых в типовой
термокамере (рис. 3.29).
Наружные габаритные размеры термокамеры — 9,6×3,3×2,9 м. Ее рабочая
зона имеет следующие размеры: длина 9,2 м, ширина и высота по 2,5 м.
Рис. 3.29. Конструктивная схема типовой термокамеры с термообрабатываемой
заготовкой изделия из ПКМ:
1 — опора; 2, 3 — элементы днища оправки; 4 — цилиндрическая часть стальной оправки;
5 — термообрабатываемая заготовка изделия из ПКМ; 6 — вал, несущий оправку; 7 —
отверстия в днищах для прохода нагретого воздуха внутрь оправки; 8 — поток воздуха внутри
свободного объема термокамеры; 9 — нагреватели воздуха, поступающего в термокамеру
192
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Каркас термокамеры выполнен из стального швеллерного профиля с шириной полки 0,18 м. Внутренние и наружные поверхности термокамеры обшиты стальным листом толщиной 0,004 м, а внутренние полости всех ограждающих поверхностей заполнены минеральным войлоком. Такую же
конструкцию имеют две съемные крышки термокамеры (загрузка изделия
в термокамеру проводится сверху).
Общая масса термокамеры составляет 19 700 кг, а объемный расход воздуха, подаваемого в термокамеру, — 14 650 м3/ч.
К основному оборудованию, используемому при термообработке изделия,
относятся две опоры и оправка, состоящая из двух цапф, двух входных частей
и обечайки.
Все перечисленные элементы выполнены из стали.
Теплофизические характеристики материалов ограждающих конструкций
представлены ниже:
а) для материала теплоизолирующего слоя — плотность 80 кг/м3, теплоемкость 840 Дж/(кг⋅K), коэффициент теплопроводности 0,065 Вт/(м⋅K);
б) для стали — плотность 7800 кг/м3, теплоемкость 500 Дж/(кг⋅K), коэффициент теплопроводности 40 Вт/(м⋅K).
На рис. 3.30–3.33 представлены результаты расчетов температурного режима полимеризации рассматриваемых ПКМ в термокамере, схема которой
приведена на рис. 3.29.
Рис. 3.30. Зависимость от времени температуры воздуха внутри оправки
и ее основных элементов:
1 — отверстия в днищах для прохода нагретого воздуха внутрь оправки; 2 — цилиндрическая
часть оправки; 3, 6 — элементы днища оправки (см. рис. 3.29, элементы 3 и 2 соответственно);
4 — вал, несущий оправку; 5 — опора
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций...
193
Рис. 3.31. Зависимость от времени температуры термообрабатываемой заготовки
изделия из ПКМ сетчатой структуры при различной угловой координате, отсчитываемой от нижней точки контура поперечного сечения оправки (1 — 7,5°; 2 — 30°;
3 — 90°; 4 — 150°; 5 — 172,5°), и температуры штатного датчика системы регулирования температуры воздуха (6) в термокамере
Рис. 3.32. Зависимость от времени температуры (1)
и степени полимеризации типичного эпоксидного связующего (2) в слое отверждаемого УП на основе углеродной
нити для зоны оправки с минимальной интенсивностью
теплообмена (угловая координата ~30°)
194
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Рис. 3.33. Зависимость от времени интенсивности тепловыделения в слое отверждаемого УП на основе типичного
эпоксидного связующего и углеродной нити для зоны
оправки с минимальной интенсивностью теплообмена
Графики изменения во времени температуры воздуха внутри оправки, ее
основных элементов и температуры в различных точках расчетной области
(сечения оправки с термообрабатываемой заготовкой изделия) представлены
на рис. 3.30 и 3.31. Имеющиеся осцилляции на графиках температуры отражают работу системы регулирования температуры воздуха в термокамере, что
обеспечивается периодическими включениями и выключениями электрических
нагревателей. Как следует из анализа этих графиков, тепловая инерционность
массивных элементов оправки, с одной стороны, приводит к значительной
неравномерности температурного поля в рассматриваемой системе, а с другой — способствует выравниванию температурного поля в слое отверждаемого ПКМ (при значительной неравномерности обогрева поверхности оправки).
Графики, приведенные на рис. 3.32, отражают характер изменения во времени температуры и степени полимеризации типичного эпоксидного связующего в слое отверждаемого УП на основе углеродной нити для характерной
зоны обогреваемой поверхности оправки с минимальной интенсивностью
теплообмена. На рис. 3.33 представлена расчетная зависимость изменения по
времени интенсивности тепловыделения в слое отверждаемого УП в указанной
зоне.
Из анализа полученных расчетных данных следует, что во всех случаях
процесс полимеризации связующего практически полностью завершается
в конце термообработки отверждаемой заготовки изделия. Интенсивность
тепловыделения максимальна в слое ПКМ, расположенном в зоне с максимальной интенсивностью конвективного теплообмена (угловая координата
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций...
195
60°). Однако опасность саморазогрева слоя отверждаемого УП и в этом случае
отсутствует.
Таким образом, двухступенчатый режим термообработки изготовляемых
сетчатых конструкций в типовой термокамере обеспечивает полную полимеризацию связующего рассматриваемых ПКМ. По сравнению с трехступенчатым
температурным режимом при использовании двухступенчатого режима продолжительность термообработки сокращается почти в 2 раза. При этом обеспечивается заданное качество изделий, о чем свидетельствуют результаты
физико-механических испытаний представительных образцов ПКМ (табл. 3.30).
Таблица 3.30
Результаты испытаний однонаправленно армированных образцов УП и ОП
на основе типичного эпоксидного связующего, изготовленных
при использовании оптимального режима отверждения
Определяемая характеристика материала
Разрушающее напряжение, МПа:
при растяжении в направлении волокон
при сжатии в направлении волокон
Модуль упругости при растяжении в направлении
волокон Е, ГПа
Плотность r, г/см3
Коэффициент армирования, % (мас.)
Значение характеристики
УП
ОП
2010 (4,8)
714 (4,2)
169,4 (3,6)
1696 (4,5)
343 (1,44)
92,7 (3,4)
1,590 (0,56)
73,6
1,373 (0,65)
76,2
Примечания: 1. В скобках указаны значения коэффициента вариации (в %).
2. Для определения разрушающего напряжения при растяжении, модуля упругости и плотности
в качестве образца использовали полоски размером 180×15×(2,6…3,0) мм (ГОСТ 25.601–80) и
кольца размером D146×152×10 мм (ГОСТ 25.603–82), а для определения разрушающего напряжения при сжатии — полоски размером 55×15×(2,7…3,0) мм.
В типовой термокамере (см. рис. 3.29) была проведена термообработка
полномасштабных опытных образцов анизогридной сетчатой структуры из УП
и ОП. Фактический режим их термообработки был близок к режиму, разработанному на основании результатов проведенных экспериментальных и теоретических исследований.
Разрушающие прочностные испытания макетных образцов показали, что
их несущая способность соответствует предъявляемым требованиям.
Таким образом, применение оптимизированного температурного режима
для термообработки опытных образцов типовых корпусных конструкций из
ПКМ в типовой термокамере обеспечивает не только заданное качество изготовления изделий, но и сокращение продолжительности термообработки до
50 % по сравнению с ее продолжительностью при ранее применявшемся режиме.
196
3. Технологии формообразования элементов конструкции РПДТ
Контрольные вопросы
1. Каковы основные технологии формообразования элементов конструкции
РПДТ?
2. На каких стадиях технологии производства РПДТ используется: а) литье;
б) пластическое деформирование; в) механическая обработка?
3. Какое современное оборудование применяется при механической обработке РПДТ?
4. Как связаны физико-механические характеристики обрабатываемых
конструкционных материалов с режимами их механической обработки?
5. Как физико-механические характеристики обрабатываемых конструкционных материалов влияют на выбор режущего инструмента и технологического оборудования для механической обработки?
6. Каким образом осуществляются раскрой и резка заготовок для производства РПДТ?
7. В чем заключаются особенности проектирования технологического процесса и формообразования деталей из ПКМ для РПДТ?
8. Каким образом разрабатывается технологический процесс производства
теплозащитных покрытий для камер сгорания РПДТ?
9. Из каких основных этапов состоит технологический процесс вулканизации резиновых смесей для теплозащитных покрытий камеры РПДТ?
10. Какие характеристики технологического процесса вулканизации резиновых смесей для теплозащитных покрытий камеры РПДТ используются при
их производстве?
11. Как рассчитываются основные характеристики процесса вулканизации
резиновых смесей для теплозащитных покрытий камеры РПДТ?
12. По каким показателям можно оценить качество теплозащитных покрытий камеры РПДТ?
13. В чем заключаются основные особенности технологического процесса
изготовления корпусных композитных конструкций методом «мокрой» намотки из ПКМ?
14. Какое технологическое оборудование применяется при намотке цилиндрической оболочки камеры РПДТ из ПКМ?
15. Какие технологические операции включены в блок-схему технологического процесса изготовления оболочки камеры РПДТ из ПКМ?
16. В чем заключаются основные требования к операции намотки оболочки камеры РПДТ?
17. Каковы основные характеристики технологического процесса изготовления оболочки камеры РПДТ из ПКМ?
4. Высокотехнологичные методы формообразования
элементов конструкции ракетно-прямоточных двигателей
на твердом топливе
В отличие от классических методов формообразования деталей (механическая обработка лезвийными и физико-химическими методами, пластическое
деформирование полуфабрикатов в твердом состоянии и кристаллизация расплава материала в технологической форме) высокотехнологичные методы ориентированы на получение сборочных единиц и деталей сложных форм, иначе
потребовалось бы применение технологических операций сборки. Кроме того,
высокотехнологичные методы связаны с применением полуфабрикатов особой
структуры и свойств (порошки, гранулы, дискретные и непрерывные волокна
и производные от них — ленты, ткани, сетки, вязаные каркасы, объемные
структуры, войлоки, а также полимерные растворы, гели, суспензии и газы,
содержащие технологический реагент).
Именно высокотехнологичные методы открыли новые пути конструкторскотехнологического усовершенствования создаваемых изделий.
4.1. Порошковая металлургия
4.1.1. Порошковые компоненты
Термин «металлургия», с которым обычно связано получение заготовок из
расплавов металлов, здесь применен условно, поскольку процесс идет при
твердом состоянии материала и температуре, не превышающей температуру
плавления самого легкоплавкого компонента. Дисперсное (порошковое) состояние полуфабриката способно кардинальным образом изменить свойства
материала получаемой заготовки.
Во-первых, поверхностный слой любого материала отличается по структуре и свойствам от глубинных масс. На примере порошков это проявляется
отчетливо и тем заметнее, чем меньше размер зерен наполнителя и устойчивее
термодинамическое состояние материала в условиях избыточной концентрации
точечных и линейных дефектов на поверхности частиц.
Во-вторых, технологией получения порошков можно управлять (чистотой,
грануляцией, топографией и морфологией поверхности). Следовательно, можно управлять формированием структуры и свойств компактного материала без
признаков ликвационного распада на составные части.
198 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
В-третьих, удельные поверхности порошков и материала в блочном состоянии несоизмеримы. В этих условиях наблюдается высокая физико-химическая активность процессов взаимодействия частиц между собой, приводящая
к получению композиционных материалов с особыми свойствами.
В-четвертых, разнообразие получаемых композиций материалов охватывает области металлургической несовместимости (несплавляемости, нерастворимости, разноплотности) и запредельной взаиморастворимости компонентов
из порошков керамик, металлов и полимерных материалов.
В-пятых, порошковая металлургия — это малооперационная и безотходная
(Kи.м ≤ 0,95) технология получения готовой детали, полуфабриката под последующую термохимическую обработку (пропитку) или деформацию ковкой,
прокаткой либо волочением прутков, листов, труб и др. Этот метод формообразования обеспечивает точность размеров заготовок по диаметру IТ 7–9,
а по высоте IТ 10, 11 при шероховатости поверхности Ra = 1,25…0,16 мкм.
Недостатки порошковой технологии:
• остаточная пористость, пониженные плотность и герметичность стенки
материала;
• ограничение размеров и форм изделий мощностями оборудования для
прессования и спекания;
• высокая стоимость порошков и сложность их получения;
• сложность механической обработки, деформирования и сборки.
Основной задачей порошковой металлургии является получение следующих материалов:
• инструментальных керметов (твердых сплавов);
• углеродной и графитовой керамики;
• кварцевой керамики;
• керамических композиционных материалов;
• керметов с особыми свойствами;
• минералокерамики (МК);
• псевдосплавов металлов (металлические композиционные материалы).
Порошковую металлургию используют при производстве ферросплавов
для металлургии сталей, биметаллов для вакуумной плавки чистых сплавов,
а также при производстве расходуемых электродов из порошков активных
металлов. Эту технологию применяют при получении материалов с регулируемой пористостью (10…60 %) и сообщающимися каналами, а также материалов мелкозернистой структуры для технологии сверхпластического деформирования металлов.
Порошки. Порошковая металлургия чаще всего в качестве полуфабриката
использует порошки, которые характеризуются отношением длины к диаметру,
примерно равным единице. По своей природе порошки могут быть из керамических, металлических и полимерных материалов. По дисперсности порошки классифицируют следующим образом:
1) нанодисперсные (диаметр частиц d < 100 нм);
2) ультрадисперсные (d < 0,5 мкм);
3) весьма тонкие (d = 0,5…10,0 мкм);
4.1. Порошковая металлургия
199
4) тонкие (d = 10…40 мкм);
5) средние (d = 40…150 мкм);
6) грубые (d = 150…500 мкм).
Форма частиц порошков изменяется от округлой (для большинства материалов) до сферической и дендритообразной плоской или объемной (для части
материалов). Количественно зернистость частиц оценивается по их среднему
диаметру, насыпной плотности (г/см3), удельной поверхности Sуд (м2/г) и гранулометрическому составу (процентное содержание порошков определенной
дисперсности) во фракциях порошковой композиции.
Кроме того, возможны структурные различия порошков: плотные —
пористые, кристаллические — аморфные.
Способы получения порошков: механические, химические и физикохимические.
Механические способы широко представлены методами помола хрупких
материалов в шаровых, вибрационных, молотковых, вихревых, струйных мельницах и методами дробления в интеграторах, криогенных дробилках и электрогидравлических установках. Получают порошки диаметром 7…400 мкм. При
использовании механических способов материал инструмента загрязняет порошок, кроме того, происходит наклеп. Коэффициент полезного действия
установок низок. Измельчение материала связано с увеличением несовершенства
структуры: оно тем больше, чем выше степень дисперсности порошка. Особенно сильно это проявляется в поверхностном слое частицы; для частиц
с высокой удельной поверхностью изменение структуры может носить аномальный характер. Искажение кристаллической решетки, наклеп, аморфизация
материала изменяют энергетическое состояние поверхностного слоя. Повторный
помол крупных частиц приводит к получению порошка уже другого качества.
В ответственных случаях их смешение недопустимо, так как ухудшаются технологические условия (смешиваемость и прессуемость).
Диспергирование расплавов металлов струей жидкости (вода) или газа (азот,
аргон) через форсуночное устройство или путем центрифугирования из вращающегося гарнисажного тигля либо вращающегося диска — производительный и дешевый полупромышленный метод получения сферических порошков
многих металлов с диаметром частиц 40…500 мкм. Металл плавится электрической дугой при давлении струи 0,2…0,6 МПа. Загрязнение порошков невелико, так как время контакта частиц с воздухом составляет около 0,1 с.
Плазменно-дуговой нагрев вращающегося (15 000 об/мин) электрода создает условия для плавления металла электрода и образования его паров,
а конденсация приводит к получению чистых порошков из частиц диаметром
20…300 мкм.
Холодноструйное измельчение позволяет получать из порошков диаметром
2 мм чистые порошки диаметром до 0,2…20,0 мкм. Сверхзвуковая струя газа
под давлением 7…8 МПа увлекает крупный порошок, и он измельчается при
ударе о неподвижную мишень.
Химические способы основаны на процессах восстановления металлов из
оксидов и водных растворов различных солей. Восстановителями могут быть
200 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
металлы (натрий, кальций). Промышленным методом производства тонких
(диаметром 2…3 мкм) порошков активных металлов является их восстановление из галоидных (фториды, хлориды) соединений. Чистые порошки дендритной формы диаметром 0,5…40,0 мкм получают из титана, меди, никеля,
кобальта, вольфрама, молибдена. Химическими способами изготовляют оксиды, карбиды, нитриды, бориды, силициды ряда металлов. Порошок коррозионно-стойкой стали получают методом межкристаллитной коррозии при кипячении в растворе серной кислоты с сернокислой медью.
Физико-химические способы представлены электролизом, термодиссоциацией соединений и плазменно-химическим синтезом порошков. Электролизом
водных растворов и расплавов солей получают гамму порошков высокой чистоты и мелкой дисперсности от легко- до тугоплавких. Метод характеризуется низкой производительностью и высокой энергоемкостью, применяют его
при производстве дорогостоящих порошков. Термодиссоциация карбонилов
является промышленным методом получения чистых высокодисперсных порошков диаметром 1…20 мкм из многих жаропрочных и жаростойких металлов. Процесс ведется в реакторах при температуре 300…500 °С и давлении
20…30 МПа. Примеси из порошков удаляют отжигом при температуре
550…600 °С. Плазменно-химическим синтезом получают порошки чистых
металлов (вольфрам) и керамик (карбиды титана и др.), графитовую и кварцевую пудру диаметром 0,01…0,10 мкм. Метод используют и для придания
сферической формы порошкам активных металлов, ранее полученным другими методами.
Ультрадисперсные порошки готовят в основном электровзрывным методом.
Многие порошки затем модифицируют в целях улучшения их физико-механических и технологических свойств. Активные металлы (тугоплавкие)
пассивируют смесью аргона и оксида углерода с последующим рафинирующим
отжигом (5…20 мин) до содержания кислорода 0,2…0,5 %. Порошки карбидов
легируют путем плакирования их поверхности слоем никеля или кобальта, это
равномернее распределяет матричный материал в объеме металлокомпозита
и регулирует адгезионные свойства порошков к металлу-матрице. Для микрокапсулирования порошка на его поверхности создают тонкую оболочку из
пленкообразующего материала, например хрома и никеля из раствора их хлоридов. Пластификация порошков твердыми и жидкими добавками улучшает
их сыпучесть, прессуемость и спекаемость. Такими добавками могут служить
порошки циркония и никеля, карбоксильные кислоты, стеараты и др.
При малой насыпной плотности и большой технологической усадке возникает потребность укрупнить мелкие фракции порошков, например, с 0,004
до 0,1 мм путем смешения порошка с 5%-ным водным раствором ПАВ до
тестообразного состояния и протирки полученной массы через сито с более
крупной ячеей. Для этого следует разложить протертую массу слоем 10 мм на
противень и просушить при температуре (150 ± 5) °С в течение 7…10 ч, после
чего порошок просеивают через сито с ячеей требуемого размера.
Качественные порошки трудно не только получить, но и хранить. Большая
удельная поверхность порошков (табл. 4.1) придает им высокую адсорбцион-
4.1. Порошковая металлургия
201
ную способность, близкую к адсорбционной способности порошков специальных сорбентов. Защищают от влаги и хранят порошки в герметичной
таре, заполненной защитным газом. Сушку металлических и керамических
порошков проводят в сушильном шкафу на противне (высота слоя порошка
30…50 мм) при температуре до 250 °С в течение 3 ч, а порошков полимерных
материалов — при температуре 40…60 °С в течение 2 ч.
Таблица 4.1
Адсорбционные характеристики порошков
Порошок
Керамический:
мелкий
крупный
Пудра
Металлический
Полимерный
Углеродный
Микросферы
Гранулы
Нанопорошок
Диаметр частицы, мкм
Удельная поверхность, м2/г
1…15
200…500
0,03…0,10
2,5…200
0,2…0,4
0,05
150
20
1…100 нм
0,2…1,5
0,2…1,0
15…30
0,03…1,0
2…10
5…30
0,1…1,0
0,5…0,7
Более 15
Порошки просеивают на сетчатых ситах соответствующего номера для
разделения на фракции по среднему диаметру частиц. Перемешивание порошков в композиции проводят в лопастном смесителе в течение 3 ч. При работе
соблюдают меры предосторожности: все порошки взрывоопасны, некоторые
(цирконий, гафний, титан, бериллий) пирофорны. Содержание их в воздухе
помещения ограничено нормами ПДК. Для керамических и металлических
порошков нормой является концентрация 0,01…1,0 мг/м3, а для полимерных — 6…10 мг/м3. Технологическую культуру работ с порошками поддерживают также из-за высокой их стоимости.
Гранулы. Вторым полуфабрикатом являются гранулы металлов, резко отличающиеся от порошков по структуре и свойствам.
С 1970-х годов применялись все 63 металла Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, хотя для нужд ракетно-космической техники используются все элементы таблицы. Металлами являются:
1) простые вещества, извлекаемые из земных пород;
2) твердые прочные вещества, способные сохранять форму под действием
внешних нагрузок;
3) пластичные вещества, хорошо деформирующиеся в твердом состоянии
(холодном или горячем) или обладающие текучестью расплава;
4) тепло- и электропроводные вещества;
5) электромагнитные материалы (отражающие или поглощающие энергию
спектра электромагнитных волн и корпускулярных излучений);
202 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
6) вещества кристаллической структуры, характеризующиеся наиболее
плотной упаковкой и правильным расположением атомов (ионов) при повторяемости в трех измерениях кристаллической решетки на протяжении
сотен и тысяч периодов, т. е. при соблюдении так называемого дальнего
порядка своей структуры.
Основными типами кристаллических решеток металлов являются кубическая (простая, объемно- или гранецентрированная) и гексагональная, характеризующиеся в этом ряду ростом плотности упаковки структуры.
Свойства металла связаны также с направлением кристаллографических
осей симметрии кристалла и различаются в зависимости от продольного и поперечного направлений. В этом проявляется анизотропия свойств материала.
В обычном состоянии кристаллы в металле имеют разные размеры и располагаются в объеме произвольно, занимая область поликристаллического
изотропного существования с различной степенью упорядоченности структуры в зависимости от предшествовавшей термической, пластической и другой
обработки, а также от введения в расплав металла легирующих добавок (при
получении сплава), отдельные атомы (ионы) которых внедряются и замещают
отдельные атомы (ионы) в решетке основного металла. Кроме того, несовершенство технологии приводит к искажению решеток отдельных кристаллов
(появлению дислокаций и вакансий) (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Возможная структура металла в твердом состоянии
Процесс кристаллизации жидких металлических расплавов оказывает решающее влияние на возникновение дефектов структуры слитка. Растущие
кристаллы взаимовлияют на свои размеры и расположение в слитке и образуют зерна — отдельные кристаллики, которым не удалось принять правильную
форму. Чем больше времени длится кристаллизация, тем крупнее зерно, толще межзеренные прослойки и хуже прочностные свойства металла.
Таким образом, поликристаллическая структура металла является мет а ст абильным (ограниченно стабильным) состоянием и характеризуется существованием множества термодинамически неравновесных процессов
в материале, в результате которых получается тот или иной комплекс свойств.
Предельным случаем области существования металла в твердом состоянии
является форма одноосного монокристалла — идеального кристалла правильной формы с бездефектной решеткой. Это состояние — термодинамически
4.1. Порошковая металлургия
203
равнове сно е и характеризуется минимумом внутренней энергии. Свойства
монокристалла близки к теоретическим значениям и отличаются аномальной
анизотропией по направлениям кристаллографических осей.
Во второй половине XX в. разработана технология выращивания крупных
монокристаллов из расплавов* не только металлов, но и керамик для нужд
новых отраслей приборо- и машиностроения (для создания полупроводников,
лазеров, ядерной техники, ответственных деталей авиационной и ракетнокосмической техники). Получены также нитевидные монокристаллы (усы)
многих металлов и их соединений, но современная технология оказалась неспособной реализовать все уникальные их свойства.
Другим предельным случаем области существования металла в твердом
состоянии (см. рис. 4.1) является его аморфная структура (некристаллическая).
Это термодинамически нестабильное (мет аст абильно е) состояние твердого
металла может быть достигнуто специальным разупорядочением структуры,
в которой будет отсутствовать дальний порядок, т. е. кристаллическая решетка, но сохранится ближний порядок — согласованность в расположении соседних частиц (атомов, ионов) на расстоянии, сравнимом с размерами частиц,
но не большем 0,5…1,0 нм.
В природе твердое аморфное состояние веществ встречается редко (стекло,
янтарь и др.), но оно характерно для жидкостей, в том числе и для жидких
металлов, которые при температуре плавления находятся в термодинамическом
равновесии и проявляют изотропные свойства.
Обычно металлы не находятся в термодинамическом равновесии, отвечающем минимуму свободной энергии и характерном для идеальной монокристаллической структуры (см. рис. 4.1). Именно возможность получения металлов в метастабильном поликристаллическом состоянии является одним из
эффективных средств направленного воздействия на изменение их физикомеханических свойств. Для этого в технологии используют термическую обработку, пластическое деформирование и их комбинацию — термомеханическую обработку (ТМО).
Скорость кристаллизации расплавов обычно велика (около 0,01…1,0 град/с),
и твердеющие частицы порошков успевают кристаллизоваться. При увеличении скорости охлаждения расплава процесс кристаллизации затрудняется, при
скоростях охлаждения 106 град/с в металле может быть зафиксирована аморфная
структура, характерная для жидкого металла, т. е. получена структура «замороженной жидкости». Достичь такой структуры в настоящее время оказалось возможным в частицах размером 50…100 мкм из алюминия, стали, кобальта и никеля при использовании схем криогенного быстрого охлаждения (рис. 4.2).
Технологически задача получения твердого аморфного металла сводится к фиксированию в нем структуры жидкого металла, т. е. «замораживанию
жидкости». По этой причине аморфное состояние вещества часто называют
стеклообразным, а переход из жидкого состояния в твердое — стеклованием.
В обычных условиях этот переход происходит при охлаждении расплава ниже
*
Кристаллизация возможна также из пересыщенного газа (паров) вещества.
204 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Рис. 4.2. Схемы получения гранул из расплава:
а — разбрызгивание диском; б — выдавливание компрессией; в — выплескивание захватом; 1 — быстро вращающийся массивный охлаждающий
диск; 2 — резервуар с расплавом металла; 3 — сбор получаемых полуфабрикатов аморфных металлов
температуры плавления и связан с процессом кристаллизации структуры вещества. Такой переход получил название фазового перехода 1-го рода.
Таким образом, строго определенная температура плавления кристаллов
(точка плавления) является термодинамической характеристикой равновесия
структуры кристаллических тел. У аморфных веществ, в отличие от кристаллических тел, при изменяющейся вязкости расплава температура плавления
варьирует в некотором интервале значений.
Скорость роста кристаллов при отвердевании расплава прямо пропорциональна градиенту действующих температур. Обычная кристаллизация металла отливок в промышленности происходит в условиях их охлаждения со
скоростью 0,01...4,0 град/с. При получении обычных порошков металлов
в процессе разбрызгивания их расплавов наблюдается кристаллическая структура частиц, хотя скорость охлаждения расплава составляет 100 град/с.
Для получения аморфных металлов необходимо сверхбыстрое охлаждение
расплава (переохлаждение), чтобы процессы зарождения и роста кристаллических зародышей в нем не успели развиться. Скорость охлаждения, необходимую для подавления кристаллизации, называют критической. Она высока
и труднодостижима, для ее снижения в сплав вводят специальные добавки
(аморфизаторы и стабилизаторы аморфной структуры): кремний, германий,
бор, фосфор, углерод. Доля таких добавок в сплаве достигает 10...30 % (мас.).
Снижение критической скорости охлаждения сплава регулируется также
рациональными добавками легирующих элементов (меди, цинка, бериллия,
олова, ванадия, гадолиния и др.), вводимых для получения требуемых физикомеханических и других свойств сплава. Применяемые сейчас скорости охлаждения составляют 103…104 град/с (для сплавов алюминия, марганца, палладия)
и 104…106 град/с (для сплавов никеля, кобальта, сталей). Актуальны еще более
высокие скорости — 107…108 град/с — для высокотемпературных сплавов
и химически активных металлов (титана, циркония, гафния, ниобия, тантала,
молибдена, вольфрама).
При достигнутых скоростях объемы охлаждаемого металла весьма незначительны. Полуфабрикаты получают в виде тонких лент, чешуек и волокон
4.1. Порошковая металлургия
205
толщиной 10...30 мкм, шириной до 5 мкм или диаметром до 50...100 мкм
и в виде порошков диаметром 0,1…300,0 мкм.
Полуфабрикаты таких форм являются как бы микрослитками металла и
называются гранулами. Их получением занято новое направление в металловедении и металлургии — высокоскоростная кристаллизация металлов (ВКМ).
В гранулах аморфных металлов зерна зарождающихся кристаллов чрезвычайно малы, а межзеренные прослойки ничтожно тонки, что сообщает металлу
изотропную структуру аморфного тела, весьма благоприятную для придания
уникальных физико-механических и других свойств по сравнению со структурой поликристаллических сплавов того же химического состава.
Интерес к аморфным металлам возник в экономически развитых странах
в 1960 – 1 9 70-х годах в связи с их особыми свойствами. К достоинствам
аморфных металлов относятся:
1) технологически чистый химический состав и однородная структура
во всем объеме сплава с высоким постоянством свойств в расширенном на
40...65 °С диапазоне значений температур термодинамической стабильности;
2) разнообразие фазовых составов сплавов, легируемых добавками как
металлов, так и керамики, причем в количестве сверх предельной ограниченной нормы растворимости в жидком металле основы поликристаллического
сплава;
3) высокая пластичность как при нагреве, так и при охлаждении, причем
пластические деформации достигают 0,1...0,5 %, а разрывные — 1,5...2,0 %,
что характеризует аморфные металлы как пластичные стекла;
4) повышенные физико-механические свойства (статическая прочность, жесткость и твердость — на 20...30 %; длительная и усталостная прочность —
на 30 %; жаропрочность — на 50 %; плотность — на 5 %);
5) высокая вязкость разрушения и стойкость к трещинообразованию, отсутствие деформационного упрочнения (наклепа);
6) высокие и разнообразные магнитные свойства (аморфные сплавы могут
быть магнитомягкими материалами, парамагнетиками, диамагнетиками), превышающие свойства поликристаллических сплавов в 2–5 раз;
7) повышенные химические свойства (коррозионная стойкость, кислотостойкость и стойкость к другим агрессивным средам);
8) хорошие технологические свойства (холодное и горячее деформирование,
механическая обработка), сниженная температурная граница начала области
сверхпластического деформирования и диффузионного сращивания, повышенный в 2–2,5 раза коэффициент Kи.м использования материалов;
9) экономичное расходование дорогих и дефицитных материалов (никеля,
кобальта, вольфрама, ниобия, хрома);
10) сложность формы, точность размеров и бездефектность получаемых
заготовок, обеспечиваемые методом горячего изостатического прессования
(ГИП) — принципиально новым технологическим процессом компактирования
(консолидации) гранул в монолитные заготовки машиностроительных деталей.
Основной способ промышленного (10…40 кг/ч) получения гранул — метод
вращающегося электрода (20 тыс. об/мин) с плавлением материала электричес-
206 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
кой дугой, струей плазмы или электронным лучом (рис. 4.3) и центробежным
распылением. Разлетающиеся капли металла охлаждаются в криогенной камере с нейтральным газом. Размер получаемых гранул регулируется скоростью
вращения электрода.
Рис. 4.3. Центробежное распыление расплава
в плазмотроне:
1 — плазмотрон; 2 — электроды; 3 — контейнер
для гранул; 4 — камера распыления
Другой способ — газовое распыление аргоном струи жидкого алюминия
в воду (рис. 4.4). Размер получаемых гранул регулируется давлением газа
в форсунке.
Способ вращения тигля с расплавом металла предусматривает разбрызгивание через отверстия в его стенке. Возможно литье струи металла на вращающийся медный охлаждаемый диск (3…8 тыс. об/мин) для центробежного
разбрызгивания в воду (см. рис. 4.2, а). Дроблению струи способствуют ультразвуковые колебания. Получаемые гранулы близки по форме к сферическим
частицам. Гранулы в форме чешуек можно получать из расплава алюминия
методом экстрагирования (захвата) жидкости канавкой на периферии вращающегося диска (см. рис. 4.2, в).
Гранулы по своей структуре и фазовому составу резко отличаются от порошка металла того же химического состава, но закристаллизованного при
обычных скоростях охлаждения. К преимуществам гранул перед порошками
относятся:
1) повышенная техническая чистота металла в связи с контролем технологической среды (инертные газы, вакуум);
2) более высокая однородность материала;
4.1. Порошковая металлургия
207
Рис. 4.4. Распыление расплава форсункой
в вакуумной камере:
1 — вакуумная индукционная печь; 2 — контейнер для гранул; 3 — камера распыления
3) возможность превышения пределов
легирования сплава, связанная с избыточным количеством компонентов сверх предельных значений взаимного растворения за счет подавления межкристаллитной
диффузии, метастабильной аномально
пересыщенной структуры твердого раствора без выпадения в осадок первичных фаз;
4) минимальная шероховатость поверхности, которая практически бездефектна и не имеет остаточных внутренних
напряжений, при этом ее удельная поверхность высока; отсюда увеличенная подвижность (сыпучесть) и технологические
возможности компактирования сложных и точных конструкций (тонких длинных ребер без концентраторов напряжений);
5) незначительное выделение газов из жидкого металла при высоких скоростях охлаждения, т. е. газы остаются в гранулах, чему способствует наличие
гидратной оксидной пленки на их поверхности; для уменьшения содержания
газов проводится дегазация гранул, а потом и заготовки, полученной из них;
для улучшения адгезионных свойств гранулы могут быть подвергнуты активационной обработке, например ионной бомбардировке в вакууме;
6) более высокие значения важных характеристик, таких как плотность,
жесткость, жаропрочность, криопластичность, длительная и циклическая прочность.
Температура плавления гранул на 40…85 °С выше температуры плавления
порошков, что позволяет применить соответствующую термообработку и расширить диапазон значений температуры эксплуатации. Начало режима сверхпластичности для гранульных материалов на 150…270 °С ниже, чем для
обычных сплавов. Гранульный псевдосплав ЭП741П пластичен, гранульный
алюминиевый сплав прочен (800 МПа), в то время как его поликристаллический
аналог имеет предел прочности 600…650 МПа.
Гранульная металлургия — молодая отрасль, но уже отработаны промышленные установки для получения гранул, опробовано более 100 аморфных
сплавов на основе алюминия, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния,
ниобия, тантала, молибдена, бериллия. Выявленные структурно-чувствительные характеристики материалов (прочность, пластичность, ударная вязкость)
востребованы в машиностроительной отрасли. Обобщенную характеристику
предельных возможностей аморфных сплавов можно выразить через предел
прочности 0,8…5,0 ГПа, модуль упругости 100…200 ГПа и твердость по Вик-
208 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
керсу 5…15 ГПа. Благодаря высоким электромагнитным и антикоррозионным
свойствам аморфные сплавы перспективны для применения в приборостроении.
Упругая и пластическая деформации этих сплавов малы (1,5…2,0 и 0,1…0,5 %
соответственно), что характеризует их как «пластичные стекла», вязкие и
устойчивые к трещинообразованию, но их термостабильность относительно
невелика. Стоимость гранульных псевдосплавов в несколько раз выше стоимости обычных материалов. Интерес к ним уже обозначился в авиационной
и ракетно-космической отрасли. Аморфный алюминиевый сплав может заменить
собой титановый в закладных деталях органопластикового корпуса РПДТ.
Нанопорошки. Нанопорошками могут быть названы любые структурные
элементы, длина которых соответствует нанометру (нм), т. е. 10–9 м, а по
сути, — размерам атомов и молекул неорганических веществ. Соответствие
наполнителей для композиционных материалов критическим размерам (диаметр, длина) фундаментальных частиц мироздания создает аномальные условия, в которых резко изменяются термодинамические параметры на границе
раздела фаз композиционного материала и по границам зерен (вторичных
структур) компонентов в каждой фазе. Наночастицы в виде атомных кластеров
и супермолекулярных структур занимают промежуточное положение по размерам между изолированными атомами и твердым телом. Если размеры зерна
(частицы) меньше некоторого критического размера, проявляются свойства,
характерные для нанокристалла, если больше — свойства, характерные для
массивного поликристаллического вещества, т. е. количество переходит в качество. Средний размер такой нанокристаллической частицы составляет
40 нм. Опыт использования аэрозолей и коллоидов в качестве катализаторов
и присадок с размерами частиц 10…100 нм указывает на существенное
различие получаемых свойств. Удельная поверхность нанопорошков очень
высока, поверхностный слой частицы занимает практически весь ее объем,
а свойства частицы соответствуют свойствам этого поверхностного слоя, причем поверхностная энергия наибольшая. Как следствие, принципиально изменяется поведение частиц нанопорошков в композиции и эффекты на границе фаз становятся доминирующими:
1) ускоряется диффузия, включая взаимодиффузию и сращивание;
2) повышается пластичность, вплоть до сверхпластичности;
3) увеличивается сорбция, вплоть до хемосорбции;
4) возрастает скорость спекания композиции из-за уменьшения требуемого для спекания времени и снижения давления;
5) степень уплотнения материала экспоненциально зависит от давления
прессования в интервале 0,3…7,7 ГПа.
Технологически приемлемая плотность материала достигается уже при давлении 0,7…1,0 ГПа, дальнейшее повышение давления бесполезно. Вместе с тем
для подавления роста зерен нанопорошков под действием температуры спекания
необходимо возможно большее давление в первый период спекания. По этой
причине температурно-силовой график спекания (рис. 4.5) должен иметь две
ступени.
Параметры геометрической структуры дисперсных наполнителей определили путь эволюции (порошки — гранулы — наночастицы) технологического
4.1. Порошковая металлургия
209
процесса компактирования композиционных материалов из них с особенностями аппаратурного
оформления и достигаемыми свойствами материала («размерный эффект» в технологии порошковой металлургии).
Механическим измельчением получить нанопорошки невозможно, однако его можно использовать в качестве предварительной операции
перед применением таких способов получения
порошков, как:
1) механохимический синтез оксидов метал- Рис. 4.5. Теоретическая схема
лов в виде блоков (диаметром 30…70 нм) частиц управления параметрами спекания наноструктур
диаметром 1…3 нм;
2) испарение металлов в вакууме в потоке
низкотемпературной плазмы;
3) газодисперсный синтез оксидов и нитридов металлов;
4) плазмохимический метод высокотемпературной обработки металлов
и керамики для получения частиц размером 10…100 нм.
Одним из методов получения нанопорошков является детонационный синтез,
заключающийся в подрыве смеси бризантного ВВ с исходным материалом. Этим
динамическим методом (10–6 с) из более крупного (80…100 мкм) материала
получают порошок диаметром менее 4 мкм. Опробованы две схемы этого
процесса:
1) порошок вещества вводят в заряд с массовой долей порошка 20…50 %;
2) шликер (вязкую массу порошка) наносят на поверхность заряда.
Из других методов отметим диспергирование частиц в суспензиях и эмульсиях, а также молекул и ионов.
Самые популярные сегодня наноматериалы — нановолокна и нанотрубки — вытянутые цилиндрические образования из атомов углерода. Другой
аллотропической формой существования углерода являются фуллерены — полые сферические ионы, обнаруженные в минерале шунгит. Исследуют наночастицы природной глины Na+ — монтмориллонит (ММТ).
Наблюдают и измеряют наночастицы с помощью сканирующих зондовых
микроскопов, а свойства изучают с помощью рентгеноструктурного и спектрального анализа, электронной микроскопии, калориметрии, газовой хроматографии и других методов.
Приоритет открытия и использования веществ, находящихся в ультрадисперсном состоянии (по современной терминологии — в наносостоянии),
принадлежит советским ученым. В СССР исследования таких веществ начались
уже в 1950-х годах, а первая публикация, касающаяся свойств наноструктур,
появилась в 1976 г. Тремя годами позже в связи с важностью данной тематики Ученый совет АН СССР создал секцию «Ультрадисперсные системы»,
которая должна была координировать фундаментальные и прикладные исследования по наноматериалам и нанотехнологиям, проводимые в учебных
и научно-исследовательских институтах. Однако удержать лидерство в этой
210 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
области СССР не удалось. Сейчас первенство (однако не во всем) принадлежит
США. Это главным образом определяется тем, что США первыми оценили
государственное значение нанотехнологий.
4.1.2. Этапы технологического процесса формообразования
Технологический процесс формообразования по механизму порошковой
металлургии содержит следующие этапы:
1) формование (свободная засыпка, шликерное литье);
2) прессование (механическое, гидравлическое);
3) термическая обработка (спекание, обжиг);
4) отделочные операции (прокатка, чеканка, допрессовка с отжигом, калибровка в пресс-форме, хромирование, азотирование, цементация, закалка,
пропитка, размерная обработка) и контроль.
Рассмотрим некоторые из них более подробно.
Формование заготовок из порошковых композиций проводится в технологической оснастке, внутренняя полость которой отводится под заполнение порошком (свободная засыпка) или шликером (заливка суспензией). Эту полость
стремятся сделать такой, чтобы она возможно более точно воспроизводила
форму детали с учетом малой насыпной плотности порошка, вязкости и пористости шликера, механической усадки при холодном прессовании, термической
усадки при спекании (свободное спекание, обжиг) или усадки под давлением
(горячее прессование). Качество процесса формования зависит от сложности
технологической формы и от характеристик сыпучести порошка, измеряемой
временем истечения его из воронки с соплом диаметром 1,5…4,0 мм, или текучести шликера, определяемой вязкостью 5…7 Па⋅с.
Сыпучесть порошка снижается с уменьшением размера частиц вследствие
возрастания сил аутогезионного взаимодействия, связанного с ростом удельной
поверхности и усложнением формы. Сферические порошки диаметром более
20 мкм при свободной засыпке текут легко, дендритные — труднее. Повышенная влажность порошка снижает текучесть. Текучесть шликера определяется природой и вязкостью введенной технологической связки (водный раствор
карбоксилметилцеллюлозы, раствор каучука в бензине, воскопарафиновая смесь
и др.). Для формования шликером используют суспензионное литье в гипсовые
формы, термопластичное литье, шприцевание и др.
При формовании заготовки стремятся равномерно распределить порошок
в объеме формы, особенно по высоте заготовки, поскольку размер формы
в направлении последующего прессования должен быть для многих порошков
в 3–3,5 раза больше высоты получаемой заготовки. Для ответственных заготовок с соотношением высоты и диаметра больше единицы требование равноплотности получаемой структуры материала исключает применение ультразвукового метода формования из-за расслоения тяжелых и легких компонентов
смеси. В таком случае процесс формования ведут вручную. Отформованные
заготовки проходят этап прессования.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
4.1. Порошковая металлургия
211
Прессование порошковых заготовок выполняют с целью создать механическую связь между частицами за счет сил адгезионного сцепления и диффузионного сваривания. Прессуемость порошков зависит от пластичности материала
частиц, их размеров и формы. Чем выше пластичность и проще форма частиц,
тем лучше прессуемость порошка. Использование легирующих добавок и ПАВ
повышает прессуемость.
Давление прессования составляет 5…90 МПа при работе с порошками
легких и пластичных металлов, 0,8…1,2 ГПа (иногда до 3 ГПа) при работе
с твердыми порошками тугоплавких и хрупких материалов, 150…600 МПа
для большинства материалов. Длительность прессования составляет от
1…3 мин до десятков часов. Значение необходимого давления может быть
снижено использованием нагрева, вибраций, подпрессовок, вакуума и др.
Холодное прессование технологично и реализуется разными методами.
Степень деформирования материала невелика (50…85 %), прочность мала,
а остаточная пористость значительна (40…80 %). При двустороннем последовательном прессовании требуется давление на 30…40 % меньшее, чем при
одностороннем, а структура заготовки получается более равномерной по плотности. Холодное прессование сопряжено с эффектом упругого последействия:
при извлечении заготовки из формы увеличение размеров достигает 0,3…0,6 %
по высоте и 0,1…0,3 % по диаметру, что необходимо учитывать. Может произойти разрушение заготовки под действием накопившихся остаточных напряжений.
Горячее прессование способствует получению более плотной (остаточная
пористость не более 10 %) и прочной структуры материала. Горячее прессование
целесообразно использовать для создания тонкостенных и сложных оболочек.
Для него требуется более низкое (на 10…20 %) давление, благодаря чему можно
уменьшить усадку и коробление при последующем спекании или вообще совместить эти операции. Горячее прессование и последующее спекание заготовки
позволяют получить более качественный материал, чем холодное прессование
и последующее свободное спекание. Плотность материала достигает 90 % ее
теоретического значения. Горячее прессование лучше для порошков сферической
формы, а холодное — для мелких фракций порошков дендритно-осколочной
формы.
После горячего прессования свободное спекание возможно на упрощенном
режиме: требуемая температура снижена на 100 °С, а цикл короче в 10 раз при
высоких качественных показателях. Вместе с тем спекание лучше совмещать
с горячим прессованием, т. е. проводить спекание под давлением, что дает
наилучшие результаты при получении керметов и минералокерамики. Наиболее высококачественные материалы образуются при использовании технологии ГИП порошковых композиций путем всестороннего объемного сжатия
заготовок, заключенных в пластичный контейнер, при одновременном действии
высокого давления (~200 МПа) и высокой температуры (~2000 °С). Оборудованием служит газостат, в нем получают практически беспористые заготовки.
К сложным технологиям прибегают в особых случаях.
212 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Горячее прессование сложнее холодного: необходима защита материалов
от окисления на воздухе, требуются специальные материалы для пресс-форм,
химически инертные к порошкам, и специальное нагревательное оборудование.
После высокотемпературной обработки, как правило, выполняют отжиг заготовок.
Заготовки чаще прессуют в подогретых матрицах при температуре 50…70 °С
(до 400…750 °С) под давлением 20…30 МПа (до 500…800 МПа), создаваемым
автоклавами и гидроклавами через эластичную диафрагму, или прессами (гидравлическим, механическим). Свободное спекание заготовок проводят в универсальных печах без дополнительного давления.
Кроме статических методов прессования различной длительности используют динамический режим при ковке, прокатке, пултрузии (протяжки)
с интенсивными сдвиговыми деформациями и подпрессовками, а также прессование взрывом. До спекания целесообразно проводить предварительную
черновую механическую обработку заготовки: это облегчает чистовую обработку и повышает коэффициент Kи.м дорогостоящего порошка за счет повторного использования отходов механической обработки.
Спекание как завершающая стадия формообразования предназначено для
образования межмолекулярной связи между отдельными зернами порошка.
Этот объемный и поверхностный процесс идет при температуре рекристаллизации, равной 0,4Тпл для чистых металлов (для железа 450 °С), для сплавов
она выше (в сталях 600 °С). Для ускорения спекания нужна более высокая температура Тсп = (0,66…0,75)Тпл, а для многокомпонентных смесей порошков
Тсп ≤ Тпл самого легкоплавкого компонента или меньше Тпл эвтектики. Таким
образом, спекание порошков протекает в твердой фазе как пластическое течение
в приграничной зоне, вязкое диффузионное течение в общем объеме (взаимное
скольжение частиц и подстройка их по форме друг к другу) и вязкое течение при
стягивании порошковых частиц при наличии между ними жидкой прослойки.
Спекаемость — это склонность свободно насыпанного или уплотненного
порошкового материала к диффузионной ползучести под действием сил поверхностного натяжения, создающих условия всестороннего сжатия, и к образованию при нагреве поликристаллического тела. Спекаемость зависит от
многих факторов и определяется усадкой. Основное влияние на процесс
оказывает избыточная поверхностная энергия порошка, определяемая размером
его частиц, формой, физико-химической природой, технологией получения
порошка и его дисперсностью.
Искусственно развитая искривленная поверхность порошковых частиц термодинамически стремится к минимуму избыточной энергии. По закону Лапласа
капиллярное давление вблизи изогнутых поверхностей выше, чем действующее
на плоскую поверхность. Это давление обратно пропорционально размеру пор
и среднему размеру частиц, а при их значении, равном 10 мкм, достигает
0,3…0,5 МПа и вызывает деформацию вязкого диффузионного течения твердого тела. Однако при нагреве материал размягчается, вязкость его уменьшается и он пластически течет под действием давления, заполняя поры,
уменьшая свободную поверхность порошка и понижая поверхностную энергию
4.1. Порошковая металлургия
213
спекаемого материала. При этом происходит сфероидизация отдельных пор,
а также их слияние; часть наполненных газом пор исключается из процесса
спекания. Остаточная пористость заготовок при свободном спекании высока
(10…20 %), а при спекании под давлением снижается до 5…7 % для труднопрессующихся и плохоспекающихся порошков. Технологией ГИП остаточную
пористость можно уменьшить до 1 % и даже полностью исключить.
Когда температура спекания превышает температуру плавления матричного материала, происходит жидкофазное спекание, скорость протекания которого зависит от количества жидкой фазы, смачиваемости и растворимости
твердой фазы в жидкой, соотношений поверхностных энергий твердого тела
и жидкости, а также от размера частиц порошка и пористости заготовки.
Жидкости в составе композиции обладают повышенным энергетическим потенциалом, имеют более высокую подвижность молекул, атомов и ионов
и более высокий коэффициент диффузии, чем у порошков. От присутствия
жидкости при спекании возникает сила стягивания порошка (эффект «мокрого песка») и уменьшается его пористость. То, что без жидкости осуществляет
диффузионная подвижность, теперь выполняет механизм жидкостной усадки,
скорость которой велика и эффект от которой аномально значителен. Эта своеобразная «сверхпластичность» пористых сред действует до тех пор, пока на
поверхности порошка остается жидкая прослойка. Такое спекание снижает
уровень остаточной пористости до 1 % и нарушает условия термодинамического равновесия между металлургически несовместимыми матрицей и наполнителем, которое как раз и обеспечивает порошковая металлургия.
Положительный эффект жидкофазного спекания может быть достигнут
при введении в порошковую композицию технологической жидкости (испаряющейся, выгорающей), но это повышает пористость и создает некоторые неудобства (образование паров олеиновой кислоты, мочевины и др.). Роль жидкой фазы могут играть небольшие (2…3 %) добавки твердых частиц металлов
и керамики. Например, спекаемость порошковых вольфрама и молибдена
резко улучшается от присутствия в них минимальных доз (0,7…2,0 %) никеля
и циркония соответственно. Жидкая прослойка действует эффективно, если
ее толщина составляет 10–15 атомных слоев. Этот эффект реализован при
создании эрозионно-стойких псевдосплавов типа ВНДС для деталей проточного тракта РПДТ.
В качестве твердых добавок металлов используют палладий, платину,
цирконий и др. Подобную роль в порошковой керамике играют добавки оксидов, например оксида алюминия и магния. Композиция порошка карбида
вольфрама с порошком кобальта, используемая при создании твердых сплавов,
образует при спекании относительно легкоплавкую эвтектику, которая создает
частично жидкую фазу.
От присутствия таких добавок активизируется процесс твердофазного
спекания без плавления матричного материала композиции. Добавки улучшают также предшествующие спеканию процессы формования и прессования.
Благодаря добавкам спекание идет полнее, частицы порошка укрупняются,
округляются и материал становится пластичнее. Режимы спекания керметов
приведены в табл. 4.2.
214 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Таблица 4.2
Режимы спекания керметов
Кермет
САП, САС
Никель, кобальт,
железо
Вольфрам, молибден
Бериллий
Твердый сплав
(инструментальный)
Температура, °С Давление, МПа
Продолжительность, ч
Среда
450…600
1000…1250
Атмосферное
250
2
0,5…2,0
Воздух
Вакуум
1400…1600
1000…1200
1400…1500
120…130
700
5…100
1…5
1…20
1…2
Водород
Вакуум
Водород
или вакуум
Требования к материалу технологической добавки следующие. Он
должен быть значительно менее тугоплавким, чем материал основного порошка, а также хорошо смачивать поверхность материала порошка. Кроме
того, в нем должен хорошо растворяться материал порошка, но не наоборот.
В композиции ВНДС никель в вольфраме практически нерастворим,
а вольфрам в никеле растворим существенно (0,3 %), никель легко смачивает
поверхность вольфрама, вольфрам легко диффундирует в твердый раствор
«вольфрам — никель» с концентрацией последнего в растворе 0,7 %. Температура спекания материала 1300 °С — это для вольфрама низкая температура,
а для твердого раствора «вольфрам — никель» почти предплавильная.
Условия улучшенной спекаемости порошковых композиций создают:
1) порошки, полученные химическими методами, а не механическим помолом и распылом;
2) порошки из чистых металлов, а не из сплавов;
3) порошки из более пластичных и отожженных металлов, а также полученные при более низких значениях температуры;
4) порошки керамик из более простых и менее прочных соединений, а не
из соединений с ковалентной связью;
5) порошки аморфных, а не кристаллических керамик;
6) порошки с легирующими добавками в виде твердых металлов и керамик;
7) порошки с технологическими добавками в виде испаряющихся или выгорающих веществ (вода, галоиды, олеиновая кислота, поливиниловый спирт,
парафин и др.);
8) повышенная температура спекания и равномерность прогрева заготовки;
9) двухступенчатый режим нагрева в отличие от одноступенчатого;
10) импульсный и высокоэнергетический нагрев против обычного;
11) работа под давлением для получения материалов с пониженной пористостью и с повышенной прочностью, из плохоспекающихся порошков и
в сложных тонкостенных конструкциях;
12) действие подпрессовок, ударных и колебательных воздействий.
После спекания порошковая заготовка приобретает искомые свойства компактного материала, характерные для композиции и принятой технологии
4.1. Порошковая металлургия
215
формообразования. Последующей механической обработкой достигают чертежных размеров детали. Получаемые заготовки обычно высокопрочны, поэтому
механически труднообрабатываемы. Решить эту проблему можно минимизацией припусков, оставляемых под механическую обработку, и предварительной
черновой обработкой спрессованной заготовки до спекания.
4.1.3. Особенности конструкций из композиционных материалов
на основе углерода
Углерод — важнейшая составная часть всех органических веществ и биологических тканей в природе. Его роль в современной технике трудно переоценить. Он незаменим в ядерной, ракетно-космической, авиационной, автомобильной, электротехнической, электронной отраслях, специальной металлургии
и др. В медицине используется высокая биологическая совместимость углеродных материалов (УМ) с живыми тканями человека.
Применение углерода (рис. 4.6) связано как с его основными аллотропическими формами (аморфный углерод, кристаллический графит, алмаз, сажа,
кокс, стеклоуглерод), так и с производными (карбиды, пек, карбонизованные
материалы, пироуглерод, пирографит) или полуфабрикатами (волокна, ленты,
ткани, ровинги, жгуты, вата, войлок, объемные вязаные структуры, каркасы,
силицированный графит, графитопласты, пористый графит, УУКМ и др.).
По количественному содержанию углерода и структурной форме УМ подразделяют на следующие:
1) карбонизированные частично, содержащие 20…50 % углерода аморфной
структуры и исходный полимер, или карбонизированные во всем объеме полимера и частично содержащие кристаллический графит;
2) углеродистые, содержащие 80…85 % углерода преимущественно
в аморфной форме;
3) графитизированные, содержащие 85…95 % углерода, причем доля кристаллического углерода достигает 50 %;
4) графитизированные, содержащие более 95 % углерода преимущественно в кристаллической форме.
Рис. 4.6. Области существования углерода в виде
алмаза (A), технического углерода (B), жидкости (C)
и газа (D):
I — тройная точка равновесия (графит — жидкость —
газ) с p = 10 МПа и Т = 3700 K; II — тройная точка
равновесия (алмаз — графит — жидкость) с p = 12,5 ГПа
и Т = 4100 K; III — точка существования металлического углерода с p = 125 ГПа и Т = 77 K
216 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Углеродные материалы обладают широким спектром характеристик, основные из которых приведены ниже. Температура длительной работы УМ на воздухе до 350…500 °C, а кратковременной — до 1300 °С. В вакууме кратковременная работа возможна при 3000 °С и ограничена ускоренной сублимацией
материала. С защитным керамическим покрытием — карбидом кремния — материал работает кратковременно на воздухе при температуре 1700…2200 °С.
Физико-механические свойства УМ удачно сочетают низкую плотность
(1,5…2,1 г/см3), высокие жесткость (10…120 ГПа), твердость (8…14 ГПа) и
прочность (пределы прочности при растяжении 15…210 МПа, сжатии 30…500
и изгибе 70…170 МПа). Здесь проявляется одна из специфических черт УМ:
предел прочности при растяжении меньше пределов прочности при изгибе
и сжатии и составляет отношения σи/σр = 1,5…2,5, σсж/σр = 3…5.
Другая особенность УМ — увеличение прочности с повышением температуры. Так, при 2800 °С прочность в 1,5–2,5 раза выше, чем прочность при
нормальной температуре. Это объясняется релаксацией внутренних остаточных
напряжений, уменьшением пористости материала и «залечиванием» макродефектов структуры. При нагреве до температуры 1500…2000 °С материал
проявляет хрупкость (εр < 0,4 % и εсж < 2 %), а при температуре свыше 2000 °С
у него развивается пластичность (εр > 2 % и εсж > 10 %).
Для УМ характерна значительная анизотропия свойств в зависимости от
степени кристаллизации, термических и силовых факторов технологического
процесса изготовления (направление прессования, осаждения), от материала
и уровня напряженности (знак и значение остаточных напряжений), а также
от уровня дефектности макроструктуры (расслоение, микротрещины, поры,
сажистые образования). В связи с этим заготовки из УМ отличаются большим
разбросом свойств в одной технологической партии. Коэффициент вариации
физико-механических и теплофизических характеристик составляет 10…20 %.
Для повышения надежности эксплуатации деталей из УМ применяют увеличенные коэффициенты безопасности при проектировании ответственных конструкций.
Основным способом получения блочных заготовок технического углерода
является порошковая металлургия (рис. 4.7). Исходными компонентами фаз для
этого материала служат нефтяной пиролизный кокс марки КНПС и каменноугольный электродный пек. При выборе этих компонентов учитывалась способность содержащегося в них углерода образовывать прочный каркас
и плотно упакованную регулярную мелкозернистую структуру, склонную к
кристаллизации. В кристалле графита ковалентные связи действуют вдоль
основной оси, а ван-дер-ваальсовы связи — в ортогональном направлении,
создавая тем самым анизотропию теоретической жесткости кристалла: 1000 и
35 ГПа соответственно. Расстояние между плоскостями в кристалле составляет 0,3354 нм, а в реальных образцах пирографита — только 0,339…0,341 нм,
т. е. создание теоретически рассчитанного кристалла графита невозможно.
Компоненты проходят входной контроль на соответствие паспортным показателям. Контроль включает внешний осмотр и лабораторный анализ. Кокс
дробят и прокаливают, затем осуществляют помол, рассев по фракциям
4.1. Порошковая металлургия
217
Рис. 4.7. Принципиальная технологическая схема производства
технического углерода и графита
и тонкий помол требуемой фракции. Из пека и кокса готовят подогретую
массу необходимой вязкости под определенную технологию формования. Приготовленной массой заполняют технологическую форму, имеющую обычно
вид брусков и блоков прямоугольного сечения 150×350 мм и длиной около
2 м. Последующее горячее прессование при температуре 1000 °С в течение
30…40 мин под давлением 30 МПа в среде аргона приводит к получению
аморфного углеродистого материала, прошедшего карбонизацию во всем объеме заготовки. Вместо горячего может быть использовано холодное прессование, а термической операцией станет свободное спекание заготовки в печи
или под давлением. Из полученной заготовки методами механической обработки изготовляют детали разного назначения. Этот технический углерод
имеет предел прочности около 20 МПа.
Для получения более прочной композиции процесс должен быть продолжен.
Вводится один или несколько циклов пропитка — обжиг, и предел прочности
получаемого материала возрастает до 40 МПа. Материал становится более
плотным и эрозионно-стойким (унос до 0,2 мм/с), улучшаются и многие другие характеристики.
218 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Если процесс спекания проходит при температуре 1500…2000 °С в течение
10 ч, то в углеродной структуре материала формируется некоторый объем
кристаллического графита, оптимальная температурная область формирования
которого соответствует 3000 °С.
Остаточная пористость технического углерода (на практике его называют
техническим графитом, хотя доля кристаллического графита в нем мала) составляет 15…40 %. Для того чтобы повысить эрозионную стойкость деталей
соплового блока РПДТ, пористость уменьшают путем термодиффузионной
обработки ранее механически обработанного вкладыша из технического
графита и пропитки жидким металлическим кремнием. Образующийся при
этом материал называют силицированным графитом.
Силицированный графит получают в деталях из технического углерода
с пористостью более 25 % (об.), которые помещают в графитовые тигли с засыпкой из кусочков кристаллического кремния. Тигель устанавливают в рабочей зоне электрической печи с проточной атмосферой азота или аргона
(рис. 4.8). Процесс силицирования ведут по графику (рис. 4.9), обеспечивающему равномерный прогрев материалов, оптимальные условия пропитки
и постоянство структуры и свойств в объеме заготовки. В процессе силицирования заготовка увеличивает свои наружные размеры на 0,3…0,5 %, внутренние на 1,0…1,2 % и уменьшает высоту на 0,5…1,0 %.
Рис. 4.8. Схема печи для силицирования графита:
1 — магистраль газовой продувки азотом рабочего объема графитовой трубы;
2 — теплоизоляция трубы; 3 — графитовая труба печи, нагреваемая прямым
пропусканием электрического тока; 4 — электроподводы от источника через
медные шины; 5 — рабочий объем печи; 6 — водоохлаждаемая часть печи
Количественно процесс силицирования оценивают коэффициентом пропитки, представляющим собой отношение массы пропитанной заготовки
к массе исходной. Значения этого коэффициента изменяются в диапазоне
4.1. Порошковая металлургия
219
Рис. 4.9. Диаграмма процесса силицирования:
1 — при защите аргоном; 2 — при охлаждении
с печью; Т — температура; t — время
1,3…2,5. Качественно результат силицирования оценивают визуально, сравнивая поверхности с эталонными образцами в контрольном планшете.
По объему силицированный графит состоит из 64 % углерода, 10 % свободного кремния, заполнившего часть пор, и 26 % карбида кремния, образовавшегося во время процесса силицирования. При этом карбид кремния объемно
структурирован в форме жесткого каркаса.
В заготовках с начальной пористостью менее 25 % процесс силицирования
затруднен, коэффициент пропитки мал и сплошной каркас карбида кремния
не образуется.
В результате силицирования пористость материала снижается до 10 %,
плотность увеличивается до 2,5…2,7 г/см3, а эрозионный унос массы снижается до 0,1 мм/с.
У силицированных графитов отодвинут порог начала окисления (1000 °С)
и интенсивного окисления (1600 °С) на воздухе, повышена твердость (32 ГПа),
жесткость, прочность и другие характеристики. Однако снизилась ударная
вязкость, материал стал подвержен сильному растрескиванию в процессе эксплуатации.
Модификацию силицированных графитов осуществляют дополнительным
легированием бором (боросилициды) или диборидом циркония и созданием
поверхностного покрытия из карбидов кремния и циркония, оксидов циркония
и алюминия, дисилицида молибдена либо тонкослойного покрытия из пирографита или пировольфрама.
Вместе с тем существует фундаментальный способ совершенствования
структуры аморфного технического углерода, который заключается в переводе
в кристаллическую структуру графита, обладающего свойствами, близкими
к теоретическим значениям. Этот способ используется при получении высококачественных мелкозернистых графитов в виде компактных крупноразмерных
заготовок.
Промышленная графитизация ранее полученных заготовок из аморфного
технического углерода, который самостоятельно применяют в технике, проводится как дополнительный технологический процесс для получения чистого
220 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
поликристаллического графита с более высоким уровнем физико-механических
и теплофизических свойств. Температурная область оптимума кристаллизации
находится около 3000 °С, при более высокой температуре графит начинает
ускоренно сублимировать.
Графитизацию проводят в малоинерционных печах, стенки которых охлаждают циркулирующим по их каналам воздухом. Комплект заготовок УМ
(стержни, блоки) собирают на поде печи в трех- или четырехслойный керн
сечением 1,7×1,4 м и длиной до 2,5 м. Промежутки между заготовками заполняют графитовой стружкой, оборотной шихтой, коксовой мелочью, а весь
керн закрывают слоем ТЗМ толщиной 0,5 м. Масса керна достигает 15…50 т.
Нагрев керна осуществляют прямым пропусканием электрического тока
через углеродные заготовки. Одновременно заготовки очищают дутьем хлора
и фторсодержащих газов. Для большинства конструкционных графитов режим
графитизации следующий:
1) начальная мощность нагрева 500 кВт;
2) увеличение мощности по 50 кВт/ч в течение 10 ч до 1000 кВт;
3) выдержка в течение 10 ч;
4) увеличение мощности по 50 кВт/ч в течение 15 ч до температуры 1750 °С
(это рубеж контрольной температуры);
5) увеличение мощности до максимума и отключение печи через 10 ч после достижения контрольной температуры 1750 °С. В таком режиме материал
проходит оптимум графитизации при температуре 2500…2900 °С.
Процесс графитизации длится обычно около 45 ч; для производства графитов ультрадисперсной структуры длительность увеличивается до 72 ч.
Графитизация — энергоемкий процесс с расходом энергии 3,5…8,0 кВт⋅ч
на 1 кг получаемого графита и почасовым съемом продукции 0,9…2,0 т при
уровне брака 5…10 %. С помощью механической обработки заготовок изготовляют графитовые детали для ответственных конструкций, в том числе эрозионно-стойких. Скорость уноса графита около 0,05 мм/с, но она зависит от направления прессования заготовки, особенно при отношении ее высоты к диаметру
более 1,5…2,0. Унос массы обратно пропорционален плотности графита, которая связана с методом его изготовления: чем выше плотность, тем труднее ее
получать при приемлемом уровне брака. Графит с плотностью более 2 г/см3
промышленно не производят.
Технология получения УМ специфична и сложна. Отработка графитовых
материалов для проточного тракта РПДТ занимает несколько лет. В силу
нестабильности характеристик графита затруднительно обеспечить гарантийный срок хранения конструкций из него более 20 лет.
Форма и размеры детали типа соплового вкладыша определяются ее спецификой — прогрев за первые секунды работы неоднороден: от внутренних
слоев к периферийным, от критического сечения к торцам, от левого торца
к правому, от тонкостенных частей к толстостенным. В такой детали наблюдаются зоны разных по значению и характеру внутренних напряжений, по
развитию вызванных ими трещин, особенно в графитах, которые предрасположены к дефектообразованию в процессе производства и имеют большой
разброс свойств в объеме заготовки.
4.1. Порошковая металлургия
221
В почти изотропном аморфном техническом углероде, полученном по порошковой технологии, наблюдаются продоль ные трещины от растягивающих окружных
нагрузок, в основном по торцу. В анизотропном кристаллическом графите (газофазная технология) и графитизированном
техническом углероде (порошковая технология), наоборот, наблюдаются окружные
трещины от растягивающих осевых нагрузок. Большая анизотропия графита по теплопроводности и термическому расширеРис. 4.10. Схема составного
нию является причиной растрескивания
вкладыша:
этого хрупкого материала при деформациях 1 — воротник; 2 — подкрепляющая
0,3…0,4 % и большом градиенте темпера- обойма; 3 — предкритическая вставка;
4 — вставка критического сечения;
туры.
5 — закритическая (сублимационная)
Снизить уровень внутренних напряже- вставка; 6 — корпус; a = 15°; a = 30°;
1
2
ний и даже изменить их знак на противопоb = 15…25°; g = 15…20°
ложный можно путем секционирования конструкции вкладыша (рис. 4.10), сделав ее
составной, например, из двух-трех частей. При этом толщина каждой части
должна быть либо равна, либо меньше диаметра прессованной заготовки, т. е.
соответствовать условию равноплотности материала в направлении прессования. Трещинообразование в таком вкладыше будет затруднено. Этому же
способствует защемление графитовой вставки критического сечения снаружи
и с торцов специальной обоймой из металла или ПКМ с небольшим уровнем
остаточных напряжений при сборке с натягом или склеивании. Благодаря
такой конструкции и расположению вставки вкладыша по потоку газа под
углом до 30° снижается эрозионный унос массы.
Двухконусная входная часть вкладыша (рис. 4.11) способствует ускорению
потока газов и падению давления за ступенькой, что уменьшает эрозионное
воздействие конденсированной фазы (к-фазы) на графит. Предкритическая
вставка может быть выполнена из эрозионно-стойких керамик типа карбидов
и боридов тугоплавких металлов, и это повысит эрозионную стойкость графитового
вкладыша, с которым она плавно сопрягается. Ступенька, допущенная в сопряжении профиля проточного тракта расширяющейся части сопла, может в несколько раз
увеличить коэффициент тепломассообмена
и усилить эрозионный унос массы графитового вкладыша.
Составной вкладыш позволяет реализовать комбинацию вставок из материалов Рис. 4.11. Схема вкладыша с двумя
конусами входа
с абляционным и сублимационным меха-
222 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
низмами разрушения. Эрозионная стойкость графитового вкладыша от этого
возрастает. Сублимирующим полимером (фторопласт, полиамид) можно наполнить графит либо выполнить закритическую вставку из композиционного
материала с этими полимерами. Потеющие вкладыши из силицированного
графита охлаждаются испаряющимся кремнием, а вкладыши из псевдосплавов
вольфрама — испаряющейся медью. Сублимация же графита в деталях соплового тракта РПДТ затруднена, поскольку отсутствуют условия ее эффективной реализации: вакуум и температура 4000 K. В области вкладыша
и воротника такие температуры существуют, но там высокое давление (более
1 МПа) препятствует сублимации. В области раструба давление мало (менее
0,1 МПа), температуры умеренные (менее 3000 K) и сублимация тоже затруднена.
Унос массы графитовых деталей определяется термомеханическим абразивным воздействием высокоскоростной и высокотемпературной газоконденсатной струи. В самом материале минимум уноса массы наблюдается при
большей плотности в плоскостях прессования, осаждения, армирования,
а максимум уноса — в ортогональных им плоскостях. Именно в этих направлениях проявляется анизотропия свойств УМ (табл. 4.3), связанная с технологией изготовления. Выбор конкретного материала может быть осуществлен
как по критерию прочности, так и по критерию деформативности.
Таблица 4.3
Анизотропия свойств УМ
Материал
Графит
Пирографит
УУКМ
s, МПа
13,5/12,5
32/3
170/115
e, %
0,33/0,30
0,15/0,01
0,25/0,26
tсдв, МПа
19
10
95
Угол ориентирования
материала, град
Критерий s
Критерий e
1
30
10
1
3
1
Примечание. В числителе указаны значения параметров в плоскостях прессования, осаждения, армирования, в знаменателе — в ортогональных им плоскостях.
Массу деталей проточного тракта сопла двигателя можно уменьшить за счет
применения более легких материалов. Однако возможности такого уменьшения
ограничены, поэтому разгар критического сечения сопла и, следовательно, дополнительные потери удельного импульса тяги двигателя неизбежны. Массу
комплекта этих деталей можно оптимизировать при конструировании только
путем дифференциации требований к эрозионной стойкости, прочности, уровню
дефектности материалов, стабильности контролируемых характеристик и надежности диагностирования опасных при эксплуатации структурных отклонений
в композиционных материалах, прежде всего в графите.
В современном производстве деталей из УМ их дефектность определяют
методами неразрушающего контроля (рентгенографией, ультразвуковой дефектоскопией, акустическим методом и методом контроля электропроводности).
4.1. Порошковая металлургия
223
Однако для таких структурно чувствительных и недостаточно изученных материалов, как керамика и керамоматричные композиты, этого недостаточно. Необходимы методы рентгеновской вычислительной томографии и другой, более
точный, инструментарий для выявления дефектов субмикронных размеров.
В соответствии с теоретическим распределением оптимальной плотности
углеродных эрозионно-стойких материалов в проточном тракте РПДТ вкладыш
желательно изготовлять из кристаллического графита и пирографита плотностью 2 г/см3, воротник — из аморфного технического углерода или графитизированного материала плотностью 1,6 г/см3, а на раструбе — из облегченного
технического углерода плотностью 1,3 г/см3 либо из комбинированной тонкой
стенки плотного материала (УП и УУКМ) с расположенными под ней слоями
теплозащитных и теплоизоляционных материалов плотностью 0,5…1,0 г/см3.
При таком распределении материалов в проточном тракте соотношение масс
воротника, вкладыша и раструба составляет 20, 40 и 40 % соответственно.
В целом масса соплового блока составляет до 70 % массы органопластикового
корпуса типа кокона.
Из других материалов возможно применение АП и УУКМ в воротниках,
карбонизированного СП и молибденовой облицовки в раструбах, псевдосплавов
вольфрама и молибдена, а также пировольфрама и УУКМ во вкладышах.
Процессы проектирования материала и конструкции деталей соплового
тракта тесно взаимосвязаны, поэтому только при комплексном подходе можно
проводить выбор рациональных материалов и технологии производства деталей и сборочной единицы в целом. Виртуальная конечно-элементная модель
зоны критического сечения сопла, полученная на основе численного моделирования условий надежной работы разных вкладышей, приведена на рис. 4.12.
Условия эрозионного уноса массы в РПДТ таковы, что сохранить исходный
профиль вкладыша из любых материалов практически невозможно. Критическим считается разгар вкладыша по площади не более 5 %, в противном
случае ухудшается коэффициент массового совершенства двигателя. Скорости
Рис. 4.12. Схема расположения материалов в зоне критического
сечения сопла:
1 — ТЗМ типа СП; 2 — клеевой слой; 3 — вкладыш из УУКМ; 4 — герметик; 5 — силовая титановая стенка
224 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
уноса массы пирографита и пировольфрама наименьшие. Вольфрам при температуре 2800 K и содержании к-фазы в продуктах сгорания смесевого твердого топлива более 25 % образует с оксидом алюминия жидкую легкоплавкую
эвтектику, под действием которой усиливается эрозия. В таких условиях разгар углеродных материалов в 1,5 раза меньше, чем у вольфрама, а масса
уменьшается в 10 раз, поэтому предпочтение отдается углероду.
Углеродные детали соплового тракта перспективны в РПДТ на режимах
работы: температура 4000 K, давление 15 МПа, время работы 90 с и более
в условиях малой агрессивности продуктов сгорания (окислительный потенциал 0,011–0,450, содержание к-фазы до 40 %).
Карбонизацией называется процесс накопления углерода в составе полимера под действием теплоты, излучений всех видов, электрического разряда,
агрессивных сред и микроорганизмов. Особенно широко используется термическая карбонизация (обугливание), нелетучие продукты которой называют
коксом. Карбонизация полимерного материала изделия осуществляется путем
его термообработки (частичного поверхностного пиролиза) в инертной среде
(обычно в аргоне) при температуре 550…900 °С в течение 30…40 мин. Скорость
нагрева регулируется с шагом от одного градуса до десятков градусов в час.
Карбонизация ускоряется при давлении среды до 10 МПа.
В процессе карбонизации в материале происходят некоторые изменения:
• завершается глубокое структурирование (полимеризация);
• удаляются летучие и свободные (непрореагировавшие) компоненты
(отвердители, пластификаторы и др.);
• осуществляется окончательная усадка;
• снимаются внутренние напряжения;
• накапливается углерод и формируется коксовый каркас.
Карбонизации подвергают в основном СП, ОП и УП. Карбонизированные
структуры отличаются высокой термостабильностью форм и размеров и повышенной температурой эксплуатации (до 1000 ºС). Материал демонстрирует
увеличенные в 2 раза значения пределов прочности при сдвиге, сжатии, растяжении и их постоянство в широком температурном диапазоне. У карбонизированного ПКМ мала упругая деформация и меньше коэффициент термической
деформации. Термодинамическую устойчивость частично карбонизированной структуры можно повысить, если нанести на ее поверхность покрытие из
пирографита.
Глубокая объемная карбонизация фенольного УП проводится в электрических печах, куда помещают графитовую реторту с деталями в засыпке из
прокаленного кокса и угольно-графитовой крошки, в среде аргона и азота.
Процесс объемной карбонизации — основной при производстве конструкций из УУКМ жидкофазным методом — осуществляется в два этапа. Сначала
калибруют форму и размеры конструкции, полученной намоткой УП, путем
ступенчатого нагрева до 300 °С в течение 7 сут (рис. 4.13) (в это время происходит миграция полимерного связующего, удаление летучих составляющих,
усадка и образование пор). Затем осуществляется карбонизация (пиролиз)
ступенчатым нагревом до 1500 °С, причем нагрев до 450 °С ведется со ско-
4.1. Порошковая металлургия
225
Рис. 4.13. Технологическая схема производства
УУКМ методом намотки
ростью 5 град/мин и выдержкой 4 ч, далее со скоростью 1 град/мин и выдержкой на температуре 815, 1000, 1300 и 1500 °С по 3…4 ч под давлением
среды 35…55 МПа. Именно в интервале температур 900…1700 °С интенсивно образуется углерод (пироуглерод). После такого цикла проводят пропитку
заготовки фурфуриловым спиртом под давлением 0,6…1,0 МПа в течение 2 ч
и сушку в течение 8 ч при температуре 150 °С. Далее процесс повторяют еще
2 раза, общее время карбонизации может достигать 300 ч (три пропитки
и четыре пиролиза).
Полученный карбонизированный УУКМ с аморфной структурой пироуглерода имеет предел прочности около 120 МПа и пористость 30 %. Уплотнить структуру можно методом ГИП в газостате (предварительной выдержкой
под давлением 0,40…0,65 МПа на температуре 120 и 160 °С в течение 1 и 2 ч
соответственно), далее ступенчатым нагревом со скоростями 20…200 град/ч
до температуры 1000 °С и выдержкой на температуре 250, 400 и 600 °С по
2…4 ч. После охлаждения вместе с газостатом деталь проходит механическую
обработку, а также рентгеновский и ультразвуковой контроль.
Карбонизированная структура УУКМ термодинамически малоустойчива,
поэтому для повышения устойчивости на ее поверхность часто наносят покрытия из карбида кремния или пирографита. Как уже было указано, кардинальным путем перевода аморфной углеродной структуры в кристаллическую
226 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
графитизированную считается высокотемпературная термообработка (графитизация). В шахтной электропечи с деталью из карбонизированного УУКМ,
помещенной в графитовую реторту в засыпке из графитовой крошки и легирующих добавок циркония, кремния и бора, при плавном нагреве от 900 до
3000 °С происходит структурирование кристаллов графита, переориентация
их в анизотропную композицию и уплотнение матричного графита. Процесс
идет в среде аргона сначала под давлением 0,1…0,2 МПа, а затем под давлением 10…105 МПа при скорости нагрева 3 град/мин. При температуре более
2000 °С пироуглерод переходит в пирографит за 10…14 ч, пористость его
уменьшается до 5 %, физико-механические свойства улучшаются. Графитизация углерода никогда полностью не завершается, так как при температуре
3000 °С начинается интенсивная сублимация графита. По этой причине
в графитизированном УУКМ при последующей эксплуатации возможны изменения структуры, но степень графитизации останется постоянной.
На поверхность графитизированного УУКМ могут быть нанесены защитные эрозионно-стойкие покрытия пирографита или другой керамики (карбид
кремния 60 %, кремний 30 %, оксид алюминия 10 %). Керамику наносят
методом термодиффузионной обработки детали в порошковой засыпке и последующего обжига в инертной среде при температуре 1650 °С в течение 8 ч.
Для атмосферной защиты поверхность керамики покрывают раствором тетраэтилортосиликата (ТЭОС) и сушат при температуре 315 °С в течение 24 ч.
Получение искусственных (синтетических) алмазов базируется на принципах порошковой металлургии. Композиция порошкового графита с порошками-катализаторами (железо, никель, кобальт, платина, палладий, рений) подвергается мощному термомеханическому воздействию в среде водорода. В этих
условиях гексагональная структура кристалла графита перестраивается в кубическую структуру кристалла алмаза. Так получают высшую аллотропическую
форму углерода с непревзойденной твердостью, уникальными теплофизическими свойствами (высокой теплопроводностью, низкой теплоемкостью и малым
термическим расширением), высокой химической стойкостью и т. п.
Физической основой синтеза алмазов является графитизация — образование кристаллов графита в карбидообразующих металлах (главным образом
в сталях), зародыши которых формируются и растут в металлической основе
сплава. Графитизация ускоряется под действием температуры, деформации,
облучения, отдельных легирующих элементов сплава. Диффузионные процессы, которые протекают на границе раздела карбида и металла, приводят к
охрупчиванию последнего и нарушению условий надежной эксплуатации
конструкции. При синтезе алмазов эти явления играют положительную роль.
Технически и технологически кристаллизация алмаза трудна, поскольку должны быть освоены температурный диапазон 1000…3300 °С, область давлений
5…30 ГПа и возможно больший интервал времени их действия.
При статическом режиме (табл. 4.4) длительность прессования измеряется
минутами при нагрузках у нижней границы диапазона. Динамический
режим, при котором используется энергия взрыва, длится миллисекунды, но
создает высокий уровень давления. Рост кристаллов алмаза идет со скоростью
4.1. Порошковая металлургия
227
60…200 мкм/мин. Получают поликристаллические образования диаметром
0,1…0,2 и 3…5 мм. В настоящее время производство синтетических алмазов
более чем в 2 раза превысило добычу природных.
Так же синтезируют кристаллический нитрид бора кубической структуры из природного гексагональной структуры (его называют белым графитом).
Алмаз и нитрид бора образуют группу сверхтвердых материалов (СТМ),
используемых для изготовления инструментов и др. Основные свойства СТМ
приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.4
Технологии получения СТМ
Получаемый
материал
Алмаз
Шихта
Статический режим
(десятки минут)
Т, K
Импульсный режим
(доли секунд)
р, ГПа
Т, K
р, ГПа
Выход
годного
продукта, %
C + Ni + Fe + 1670…2770 5…8 1170…2000 12…30
+ Mn + Cu
30…50
Нитрид бора BN + MgN + 1770…2270 5…9 1170…2000 12…18
+ MgB
До 90
Таблица 4.5
Свойства СТМ
Материал
Плотность
r, г/см3
Предел прочности,
ГПа
при
изгибе
sи
Рабочая
Модуль
Твердость
Ударная
темпераупругости по Виккерсу
вязкость
при
тура
2
Е, ГПа
HV, ГПа
сжатии KС, МДж/м
Тр, °С
sсж
Алмаз
3,5…3,6
1,1
3,2
3
3,3…3,4
1,0
3,5
10
Нитрид
бора
Минерало- 3,9…4,6 0,6…0,9 1…25 0,03…0,12
керамика
900
720
98
90…95
800
1300
400
20…33
1500
В 2000 г. в США создан новый СТМ (сплав алюминия, магния и бора с
введенными частицами карбида кремния) с твердостью 46 ГПа, уступающий
только алмазу и нитриду бора (твердость 100 и 80 ГПа соответственно).
Стоимость его оценивают в 700 долл. США за фунт, в то время как стоимость
технического алмаза 2000 долл. США.
4.1.4. Особенности конструкций из порошковых композиционных материалов
Минералокерамикой (МК) называют порошковые керамические композиционные материалы (ККМ), используемые как инструментальные при механической обработке резанием. Они дешевле и заменяют собой ТС при
228 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
работе на больших скоростях, малых подачах и толщине резания, но без ударов, поскольку хрупкость МК выше.
Минералокерамика представляет собой спеченный ККМ, в котором частицы порошка наполнителя связаны между собой диффузионной сваркой либо
непосредственно, либо через незначительное количество более пластичного
керамического материала. Основным керамическим наполнителем МК является корунд (кристаллическая модификация α-Al2О3), который среди оксидов
обладает самыми высокими твердостью и стойкостью к изнашиванию, высокой
стойкостью к окислению (красностойкостью) на воздухе при нагреве до температуры 1900 °С. Составы основных марок МК следующие:
ТСМ-300 — оксид алюминия 99,7 %, оксид магния 0,3 %;
ЦМ-332 — оксид алюминия 60 %, оксиды магния, циркония и бериллия
40 %;
В-3 и ВОК-60 — оксид алюминия 60 % и карбид вольфрама 40 %.
Пластинки из МК получают прессованием и спеканием при температуре
1700…1800 °С. Твердость МК 20…33 ГПа, рабочая температура 1100…1200 °С.
Основные свойства МК приведены в табл. 4.5. При температуре 1200 °С предел
прочности при изгибе составляет 130 МПа.
Порошковая металлургия тугоплавких (вольфрам, молибден) и активных
(титан, цирконий) металлов представляет собой логическое продолжение промышленного метода гидрометаллургии, конечным продуктом которого является губчатый металл. Губка хорошо мелется в порошок — стартовый полуфабрикат порошковой металлургии. С тугоплавкими металлами, прежде всего
с вольфрамом и молибденом, связано создание конструкций эрозионно-стойкого и жаропрочного назначения — псевдосплавы вольфрама и молибдена для
деталей проточного тракта РПДТ.
Вольфрамоникелевый дисперсионный сплав (ВНДС) получают из шихты, содержащей вольфрамовый порошок ПВТ (98 %) и порошок никеля ПНЭ
(1…2 %). Порошок никеля служит технологической добавкой, улучшающей
процессы смешения, прессования и спекания. После просеивания порошок
вольфрама (10 кг) смешивают с порошком никеля (20 г) в шаровой мельнице
с шарами диаметром 10…30 мм.
Формование вкладыша диаметром 350 мм выполняют в специальной форме
(рис. 4.14), в которой полость образована стенкой резинового чехла и разборной стальной матрицей, воспроизводящей внутреннюю поверхность вкладыша.
Рис. 4.14. Схема формования вкладыша
из порошкового вольфрама:
1 — крышка корпуса с элементами крепления; 2 —
верхняя часть матрицы; 3 — соединительный стержень;
4 — стальной и резиновый диски; 5 — резиновый чехол;
6 — корпус приспособления для обжатия материала;
7 — нижняя часть матрицы; 8 — полость, заполняемая
водой из гидростата
4.1. Порошковая металлургия
229
Набивку порошком полости формы ведут вручную последовательно для
нижней и верхней частей чехла. Качество набивки контролируют по массе
навесок порошка, отмеренных для нижней и верхней половин формы, и по
наружному диаметру чехла. После окончания набивки верхний торец формы
закрывают резиновым диском, а затем стальным диском, с помощью которого
герметизируют верхний край чехла обжатием болтами по кольцевому стыку
между двумя опорными кольцами.
Форму с набивкой помещают в рабочую камеру гидростата УГСП-800, заливают полость гидростата водой, удалив из нее воздух, и закрывают отверстие
заглушкой.
Прессуют заготовку давлением 100…120 МПа в течение 10…30 с при нормальной температуре. Далее извлеченную отпрессованную заготовку свободно
спекают в печи УВСП-3 (возможен индукционный нагрев) при температуре
1500…1550 °С в течение 2…5 ч. Процесс проводят в герметичной камере
(рис. 4.15) с охлаждаемыми водой стенками и рабочим объемом, продуваемым
Рис. 4.15. Схема спекания вкладыша по порошковой
технологии:
1 — верхняя плита; 2 — водоохлаждаемая крышка; 3 — патрубок для подачи защитных газов (азота и водорода); 4 — шиберная
заслонка; 5 — асбестовая футеровка; 6 — кольцевой индуктор;
7 — кварцевая труба рабочей зоны; 8 — стяжка разборного
приспособления; 9 — нижняя водоохлаждаемая плита; 10 —
патрубок для отвода газов; 11 — опора из шамотного кирпича;
12 — молибденовый поддон; 13 — молибденовый штабик;
14 — обжигаемое изделие; 15 — молибденовый шаблон; 16 —
молибденовый экран; 17 — подложка из оксида алюминия
230 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
сначала азотом, а затем водородом. Нагрев заготовки ведут по заданному режиму (рис. 4.16).
Эффективность обеспечивается также радиационным нагревом заготовки от молибденового поддона, экрана, штабика и шаблона.
Охлаждают заготовку вкладыша одновременно с печью при продувке азотом, по
окончании охлаждения ее извлекают из печи.
Затем проводят предварительную механическую обработку заготовки (по корке).
Рис. 4.16. Диаграмма спекания
После спекания материал уплотняется до
заготовки вкладыша из ВНДС
76…88 % теоретического значения, однако
сохраняется остаточная пористость 18…24 %.
Для повышения эрозионной стойкости материала проводят термодиффузионную обработку заготовки — пропитку медью марок МоМ или МоА для
заполнения части пор. Заготовки помещают в графитовый тигель в засыпке
навески электродной меди (рис. 4.17). Процесс проводят при температуре
Рис. 4.17. Схема пропитки медью вкладыша из ВНДС:
1 — графитовая опора; 2 — медная шихта; 3 — асбестовая теплоизоляция;
4 — графитовый тигель; 5 — графитовый конус; 6 — вкладыш из ВНДС;
7 — графитовая подставка; 8 — шамотная опора; 9 — кольцевой индуктор; 10 — кварцевая труба рабочей зоны
4.1. Порошковая металлургия
231
1250…1400 °С в среде водорода в течение 1,5…2,5 ч. Камера пропитки изолирована асботканым материалом, стенки охлаждаются водой.
Полученный металлический композиционный материал (МКМ) имеет предел
прочности 400…530 МПа и удлинение 1…2 %, жаропрочность при температуре
1800 °С составляет 55…70 МПа при удлинении до 5,5 %. Содержание меди
в композиции достигает 10 %, коэффициент пропитки более 80 %, но 2…5 % пор
остаются не заполненными медью.
Присутствие меди в материале вкладыша изменяет механизм отвода теплоты в работающем изделии: медь плавится и протекает по каналам вольфрамового каркаса, затем испаряется, отводя теплоту путем транспирационного
охлаждения и тепломассообмена. По окончании запасов меди срабатывает
иной механизм отвода теплоты от детали: радиационное излучение вольфрамового каркаса и поглощение теплоты вольфрамом при дальнейшем нагреве
с 1080 °С (температура плавления меди) до 3400 °С (температура плавления
вольфрама). В РПДТ этого не происходит, и вольфрам обеспечивает надежную
работу вкладыша практически без уноса массы в высокоскоростном и высокотемпературном потоке газов, содержащем частицы к-фазы.
По аналогичной технологии выполнен вкладыш из содержащего цирконий
псевдосплава дисперсионного молибдена. Циркония в нем содержится 2 %,
и его функции такие же, как и у никеля в ВНДС. Прессование можно проводить без нагрева под давлением 100…120 МПа в течение 5…20 мин и с нагревом при температуре 2300 °С под давлением 20…25 МПа в течение 5…7 с.
Спекание — свободное, в водородной печи с подъемом температуры до
950…1000 °С за 6 ч и выдержкой 1 ч и с подъемом температуры до 1500 °С
за 6 ч и выдержкой 2 ч. Далее температура снижается до 150 °С за 6 ч, после
чего деталь извлекают из печи и охлаждают обдувом азотом.
Вкладыш из другого вольфрамового псевдосплава — АВМГ — выполнен
по шликерной технологии. Для этого в смесь вольфрамового порошка ПВТ
с медным порошком ПМС-1 (14 % (об.)) вводят технологическую жидкость
(7 % этилового спирта) и шликер и в течение 6…8 ч перемешивают в смесителе лопастного типа при скорости вращения лопастей 30…50 об/мин. Затем
шликером вручную набивают технологическую форму для получения детали
«Облицовка» диаметром 500 мм; уплотнение массы в форме — вибрационное.
Горячее прессование, совмещенное со спеканием, осуществляют в вакууме
на гидропрессе постепенно по стадиям нагрева: 1100 °С с выдержкой 30 мин
при усилии пресса 60 кН, затем 1700 °С с выдержкой 1 ч при усилии 1 МН и,
наконец, 2300 °С в течение 6…7 с при нагрузке 1,5 МН. После отключения
нагрева форму охлаждают до температуры 1400 °С, давление снимают и продолжают охлаждение до полного остывания. Весь цикл получения заготовки
занимает около 8 ч. Остаточная пористость материала составляет не более
20 %.
Далее следует операция предварительной механической обработки заготовки для удаления корки материала. Для снятия внутренних напряжений
проводят индукционный отжиг при температуре 950 °С в течение 2…3 ч
в атмосфере водорода или аргона. Скорость нагрева и охлаждения вместе
232 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
с индуктором составляет 200 град/ч. Затем проводят окончательную механическую обработку в соответствии с заданными размерами детали. Предел прочности материала АВМГ составляет 300 МПа, а жаропрочность при 1200 °С —
60 МПа. Люминесцентным контролем поверхностных дефектов выявляют недопустимые трещины с шириной раскрытия более 0,01 мм, а ультразвуковым
контролем внутренних дефектов — недопустимые скопления пор при остаточной пористости до 20 %. Поверхность готовой детали покрывают лаком.
Твердые сплавы (ТС) представляют собой композиционные материалы,
которые состоят из порошков высокотвердой керамики, связанных между собой
пластичным металлом в процессе проведения операций порошковой металлургии. Подобный псевдосплав получил название металлокерамика, или кермет.
В инструментальных керметах используют керамические наполнители из
карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, ванадия, молибдена, ниобия
и кремния, карбонитридов титана и ниобия, оксида алюминия, т. е. жаропрочные, жаростойкие, высокотвердые и износостойкие материалы. Связкой для
них служат кобальт, никель, молибден, тантал, рений — вязкие и жаропрочные
металлы, снижающие хрупкость этих металлокомпозитов и повышающие их
прочностные свойства. Содержание связки в составе ТС в 2…30 % создает
толщину прослойки между частицами наполнителя как минимум 1 мкм. Для
структурирования композиции ТС, повышения износостойкости и улучшения
технологических свойств вводят легирующие присадки, например нитриды
титана, бориды циркония и титана, дисилицид молибдена. Объемная доля одного из мелкозернистых ТС марки ВК6-М приведена ниже: частицы диаметром
0,5 мкм составляют в композиции 30…52 %, 1 мкм — 53…32, 2 мкм — 11…29
и 3 мкм — 9…1 %. Основные свойства ТС, используемых в качестве инструментальных материалов для механической обработки, приведены в табл. 3.7.
Режущие свойства этих материалов в значительной степени зависят от
структурных особенностей псевдосплава. Мелкозернистые ТС, в которых
удельная поверхность керамических частиц велика, а толщина металла-связки
мала, обладают высокой износостойкостью, большой размерной стабильностью
и стойкостью к пластическому деформированию материала инструмента. Такие
ТС более всего подходят для инструментов чистовой или получистовой механической обработки для получения точных размеров и малой высоты микронеровностей поверхности, тем более что прочность их с уменьшением размера зерна снижается, а чистовая и получистовая обработки осуществляются
в условиях нагрузок уменьшенной интенсивности. Инструмент из мелкозернистого ТС может иметь более сложную форму и меньший инструментальный
радиус. К р у п н о з е р н и с т ы е ТС более прочны и лучше сопротивляются
ударам, вибрационным и циклическим нагрузкам, что случается при механической обработке в условиях большого биения при наличии раковин, трещин,
окалины, а также на интенсивных режимах черновой обработки.
С увеличением размеров зерна у ТС несколько снижается температура их
красностойкости, что компенсируют регулировкой температуры резания, изменением режимов обработки и применением СОЖ. Особо чувствительными
к влиянию зернистости оказываются ТС группы ВК, поскольку хрупкость
4.1. Порошковая металлургия
233
карбидов вольфрама превышает хрупкость других керамик, используемых
в ТС. Кроме того, свойства ТС этой группы полностью зависят только от
характера взаимосвязи карбида вольфрама и кобальта. Твердые сплавы группы
ТТК значительно меньше распространены, чем сплавы групп ВК и ТК. Их
чаще используют для получения крупноразмерного инструмента, в частности,
для токарной и фрезерной обработки разных материалов.
Содержание матричного материала, например кобальта, в ТС составляет
2…30 %, причем с его увеличением повышаются прочность и износостойкость.
При содержании кобальта 18…20 % максимум прочности наблюдается у ТС
с зернами любых размеров, при 13…15 % максимум прочности присущ только среднезернистым керметам, а при содержании кобальта свыше 20 % —
мелкозернистым. Для черновой обработки лучше применять ТС с повышенным
содержанием матричного материала.
Современные ТС заняли второе место по объему использования в механической обработке. Керметы обладают хорошей сопротивляемостью пластическому деформированию, наростообразованию обрабатываемого материала
и высокой размерной стабильностью. Они предназначены для всех видов
лезвийных инструментов, как монолитных, так и сборных из пластинок режущего материала, установленных на хвостовиках из обычной конструкционной стали методом пайки, склеивания или механического монтажа.
Основными марками ТС при токарной обработке являются ВК6, ВК6-М,
ВК6-ОМ, ВК8, ВК10-ОМ, Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТТ8К6, ТТ10К8Б, реже
ВК3-М, Т30К4, при фрезеровании — ВК6, ТТ7К12, ТТ20К9, реже ВК15-М.
Совершенствование ТС помимо изменения составов и структуры идет по
пути структурирования поверхности. Целью являются повышение твердости,
прочности, уменьшение изнашивания и снижение коэффициента трения. На
поверхность ТС наносят покрытия толщиной 5…15 мкм: однослойные (TiN,
TiC, SiC, ZrN, BC, BN, TiB2), многослойные (TiN — TiC, TiC — TiCN, TiC —
Al2O3) и сложные (TiCr)N, (AlTi)N, (TiAlCr)N, (TiZr)N.
При использовании покрытия твердость повышается на 20…30 %, время
стойкости работы увеличивается в 2–3 раза, коэффициент трения снижается
на 15…20 %, а сила трения — в 1,4 раза. Скорость изнашивания инструментов
из ТС с покрытием и без него составляет 0,05…4,0 и 12…310 мкм/мин соответственно. Свойства инструментов из ТС с керамическим покрытием становятся сходными со свойствами инструментов из СТМ.
Конструкционные керметы упрочняют керамическими добавками (оксиды,
карбиды, бориды и нитриды ряда металлов) в количестве 2…3 %. Если
в литых сплавах легирование осуществляют введением порошка керамики
в расплав непосредственно перед разливом металла, то в порошковых псевдосплавах шихту керамики смешивают с порошком металла-основы еще до
формования заготовки. Налицо металлургические достоинства промышленного метода получения жаропрочных и эрозионно-стойких конструкционных
керметов в условиях, когда жидкофазное легирование и окончательная термообработка сплавов исчерпали свои возможности. Порошковые керметы обладают и другими преимуществами перед литыми сплавами: у них выше
234 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
характеристики жаростойкости, длительной и циклической прочности, твердости. Температурный диапазон применения составляет 750…900 °С для сталей
и никелевых сплавов и 1000…1200 °С для сплавов тугоплавких металлов.
Матричными материалами керметов могут служить также кобальт, хром,
титан, цирконий, а наполнителями — порошки оксидов (циркония, тория,
гафния, хрома, иттрия, алюминия), карбидов (титана, кремния, тантала, ниобия,
бора, хрома, вольфрама, молибдена) и нитридов (циркония, гафния, титана)
с диаметром частиц 0,01…0,05 мм. Наиболее термодинамически стабильными
упрочнителями являются оксиды, среди них оксиды тория и гафния как универсальные наполнители многих керметов.
Исходные материалы обеих фаз металлокерамики должны удовлетворять
требованиям:
1) химической стабильности, при которой между фазами не происходит
химического взаимодействия с образованием нового соединения или полного
взаимного растворения; матричные металлы для определенного класса керамического наполнителя могут быть лишь в ограниченном сродстве и обладать
минимальной растворимостью;
2) близости значений температурного коэффициента линейного расширения,
различающихся у фазовых материалов не более чем на 10 %;
3) адгезионной совместимости на границе фаз, выражаемой через предел
прочности на отрыв не менее 1 МПа;
4) равномерного распределения частиц наполнителя в объеме матричного
материала при оптимуме расстояния между ними 0,1…0,5 мкм;
5) объемного содержания частиц наполнителя не более 5…10 %;
6) сохранения эффекта упрочнения вплоть до температуры плавления;
7) малой склонности частиц наполнителя к коалесценции (объединению)
при высоких значениях температуры.
Методы получения керметов разнообразны:
• холодное прессование и спекание;
• горячее прессование;
• прокатка, волочение, экструзия, ротационная ковка;
• горячее изостатическое прессование (ГИП);
• шликерное литье;
• наплавка.
Одни из первых конструкционных керметов созданы на основе матричного
порошка алюминия (САП) и алюминиевого сплава (САС). В обоих случаях
керамический упрочнитель — оксид алюминия (объемная доля 6…22 %) —
образуется из порошка алюминия при спекании заготовки в форме на воздухе
при температуре 450…600 °С в течение 1…2 мин. При этом фаза наполнителя
располагается на поверхности частиц алюминия диаметром 0,1…4,0 мкм слоем толщиной 1…10 нм. Образованию этого слоя способствует введение в состав
порошковой массы выгорающей добавки стеарина в количестве 0,35…0,85 %.
В кермете САС кроме алюминиевого порошка присутствуют модификаторы: порошки кремния (25…30 %), никеля (5…10 %), железа (0,7 %). Оксид
алюминия разделяет частицы алюминия и не дает им срастаться в крупные
4.1. Порошковая металлургия
235
зерна при нагреве, что препятствует развитию ползучести и мало влияет на
изменение прочности во времени.
Предел прочности САП составляет 400…450 МПа, а при 500 °С —
100…130 МПа. Предел длительной прочности при 500 °С равен 50 МПа. Рабочая температура псевдосплава 500 °С, т. е. выше, чем у литых алюминиевых
сплавов.
Керметы никеля, кобальта и хрома, упрочненные оксидами гафния и тория,
широко используют в жаропрочных и жаростойких конструкциях. Рабочая
температура таких керметов достигает 1200 °С, в то время как литейные сплавы никеля разупрочняются при температуре 1000 °С.
Керметы вольфрама и других тугоплавких металлов, упрочненных теми
же оксидами, а также карбидами вольфрама, ниобия и тантала, используют
как эрозионно-стойкие материалы. Температура хрупкости этих керметов существенно ниже, чем у литых материалов.
Пластичность порошковых композиций возрастает с нагревом пропорционально содержанию металла-связки. Керметы никеля с порошками боридов
тугоплавких металлов и оксидов редкоземельных элементов образуют класс
пластичной керамики. Исследованы многовариантные композиции дисперсноупрочненных МКМ, но низкая ударная вязкость остается основным их недостатком.
Технология порошковой металлургии керметов представлена режимами
спекания (см. табл. 4.2).
Оксид кремния SiO2 (кремнезем) — один из самых распространенных
оксидов после оксида алюминия Al2O3 (глинозема), вместе с которым они составляют основу стекол и входят в ККМ разнообразного назначения. Это
прочные, жесткие, эрозионно-стойкие, высокотемпературные конструкционные
материалы для аэродинамических обтекателей летательных аппаратов на скоростях полета, соответствующих М = 12.
Кварц лучше других керамик держит термоудар (перепад температуры
в 2300 °С), структура его стабильна при нагреве до 1200 °С (нет фазовых переходов), на воздухе может работать длительно (150 ч), однако при дальнейшем
нагреве продолжительность работы сокращается: при 1250 °С — до 50 ч,
при 1300 °С и начинающемся размягчении — до 20 ч, при переходе через температуру плавления (1710 °С) и до температуры кипения (2200…2500 °С) —
несколько секунд без нарушения целостности. Отсутствующая у кварца
при нормальной температуре пластичность при 1400 °С достигает 10 %,
а при 1700 °С — 16 %.
Кроме аморфного состояния (в расплаве) у кварца существуют две кристаллические аллотропические формы: кристобалит (с областью температур существования 1470…1710 °С) и тридимит (870…1470 °С). Повышение концентрации кристобалита до 2,5 % приводит к охрупчиванию и к увеличению
прочности кварца на изгиб в 2,5 раза. Такой кварц становится непрозрачным
для прохождения радиоволн, хотя в аморфном состоянии он является материалом с превосходными диэлектрическими свойствами. Кварцевые радиопрозрачные обтекатели изготовляют из порошка аморфного кварца, очищенного
236 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
от загрязнителей, которые играют роль зародышей кристаллизации в процессе
производства и эксплуатации.
Технологический процесс производства кварцевой керамики состоит
из следующих этапов:
1) подготовка кварцевого порошка (травление маршалита в кислотах
и промывка до минимального содержания примесей — зародышеобразователей
кристаллов, приготовление шликера из порошка и кремнийсодержащего гелеобразного соединения и заполнение шликером полости в технологической
форме);
2) горячее прессование и спекание при разложении технологической кремнийорганической жидкости с получением тонкодисперсного аморфного кремнезема при минимальных значениях температуры и давления, ограничивающих
развитие кристаллизации.
Спекание проводят в силитовых печах на воздухе при температуре 1250 °С
в течение 2 ч; температура отжига не превышает 1100 °С. Скорость протекания
этих процессов должна быть высокой (200…500 град/ч), поскольку испаряемость
кварца в вакууме велика и при 1400 °С составляет (1…3)⋅10–8 г/(см2⋅с).
Особо чистый порошок синтетического аморфного кремнезема получают
двумя способами: гидролизом этилового эфира ортокремниевой кислоты (зерна диаметром 2…5 мм) и электролизом растворимого калиевого стекла при
температуре 1150…1200 °С (пластины длиной 3…6 мм и толщиной 1 мм).
Плотность аморфного кварца (НИАСИТ, ТСМ) не превышает 1,7…2,1 г/см3,
предел прочности при изгибе достигает 100 МПа, при сжатии — 600 МПа при
модуле упругости до 80 ГПа и пористости 8…20 %. Обтекатель из такого материала нуждается в поверхностной герметизации. Для этого проводят либо
остекловывание при температуре 1600 °С в течение 10…15 мин в среде водорода или вакууме, либо оплавление струей плазмы, либо гидрофобизацию
фторопластовым покрытием или органосиликатным пропитывающим раствором.
Формообразование крупных деталей из аморфного кварца можно провести
также методом шликерного литья с использованием порошковых суспензий
с водой, кремнийорганической смолой или воскопарафиновой массой.
В конструкциях, эксплуатация которых не связана с радиопрозрачностью,
используется кристаллосодержащий кварц, модифицируемый рядом легирующих керамик (оксидов алюминия, магния, лития со своими кристаллическими
фазами в виде β-кварца, рутила, кордиерита, сподумена и эвкриптита). Такой
ККМ называют ситаллом. Он имеет повышенные пределы прочности при растяжении (85…120 МПа), изгибе (100…260 МПа) и сжатии (до 20 ГПа), модуль
упругости (до 130 ГПа) и высокую технологичность, позволяющую получать
изделия методами литья при температуре 1600 °С (стекольная технология) и
порошковой металлургии со спеканием при температуре 1700…1900 °С в среде аргона под давлением 20…30 МПа или в вакууме при температуре 1700 °С
под давлением 200 МПа. Ситалл отличается хорошими теплофизическими
свойствами и низкой скоростью эрозионного уноса массы (0,12…0,25 мм/с).
Класс ККМ разнообразен и зависит от выбора керамик для фаз матричного материала и наполнителей. В выборе матриц участвуют:
4.1. Порошковая металлургия
237
• карбиды (гафния, тантала, ниобия, циркония, кремния);
• нитриды (ниобия, кремния, бора, алюминия);
• оксиды (гафния, циркония, алюминия, кремния, бериллия);
• бориды (ниобия, тантала, циркония, титана);
• фториды (лития);
• силициды (молибдена, алюминия);
• алюминиды (никеля, титана);
• бериллиды (тантала, ниобия, циркония);
• углеграфиты.
Из них часто составляют порошковые смеси сложных матриц, например
карбидографиты ниобия, тантала, циркония или гафния либо алюминиды
с оксидами.
В качестве керамических наполнителей используют порошки оксидов
(гафния, циркония, титана), карбидов (титана, бора, кремния, молибдена)
и нитридов (тантала, циркония, бора, титана). Лигатурой к композициям выступают оксиды иттрия, магния, германия и тория, а в качестве ускорителей
спекания — железо, никель, алюминий, бор, литий.
Керамические порошки матрицы и наполнителя обладают высокой прочностью и жесткостью и чрезвычайно низкой пластичностью, что затрудняет
создание ККМ с приемлемой вязкостью разрушения для работы в высоконагруженных конструкциях. Эффект упрочнения ККМ от вводимых порошковнаполнителей незначителен или отсутствует. Практически коэффициент
наполнения по объему составляет 0,5…10 %, иногда и 15 %. Введение порошков-наполнителей способствует снижению хрупкости композиции
с порошком более мягкой керамической матрицы. Для повышения жаропрочности и эрозионной стойкости такие материалы весьма перспективны. Достигнутые значения пределов прочности при растяжении, изгибе и сжатии (1,1; 2,9
и 3,5 ГПа соответственно), модуля упругости при изгибе (до 970 ГПа) и скорости эрозионного уноса массы (0,12…0,25 мм/с при температуре 1600 °С) характеризуют современные возможности ККМ. Структура некоторых ККМ представлена ниже:
BN — Mg3N2 — MgB2;
Si3N4 — Al2O3 — ZrO2 — BN;
NbN — SiC — Si3N4;
ZrB2 — SiC.
Заготовки из этих порошковых композиций получают методом ГИП в газостате при температуре 1700…1750 °С в течение 10…30 мин под давлением
15…100 ГПа в среде аргона с отпрессованным полуфабрикатом, помещенным
в стеклянную капсулу. Для увеличения пластичности керамики применяют
порошки с возможно меньшим размером частиц (0,5…1,0 мкм и менее).
В ККМ, в которых матрица и наполнитель химически активны в процессе термообработки, используют порошки с размером частиц не менее 15 мкм, оптимальный размер 0,1…0,5 мм.
Шликерная технология изготовления ККМ предусматривает получение
массы порошка (≈ 75 %) в смеси с воскопарафиновой связкой (≈ 25 %) и тех-
238 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
нологической добавкой олеиновой кислоты. Шликер готовится перемешиванием в пропеллерной мешалке в течение 30 мин при температуре массы
90 °С. Затем из шликера отливается модель создаваемой заготовки ККМ
и помещается в технологическую форму, где в засыпке керамикой в среде
аргона будет проводиться выжигание парафина и замещение его компонентами керамики. Удаление парафина идет в три этапа: при 50 °С в течение 4 ч,
при 150 °С в течение 2 ч и при 200 °С в течение 2 ч. При этом скорость нагрева увеличивается по этапам с 5 до 10 град/ч. Окончательное уплотнение
структуры заготовки проходит в газостате при температуре до 2000 °С под
давлением до 200 ГПа в течение не более 5 ч в соответствии с направленностью химического процесса реструктуризации ККМ.
4.1.5. Гранульная и нанометаллургия
Гранульная металлургия. В конце XX в. порошковая металлургия интенсивно развивалась в направлении использования малоразмерных частиц —
гранул, технология изготовления которых основана на эффекте сверхбыстрого
охлаждения из расплава. Получение гранул является необходимым, но не достаточным условием функционирования гранульной металлургии. В отличие
от порошковой металлургии, в которой формообразование деталей многовариантно (холодное и горячее прессование, спекание и др.), для производства
гранул используют специальный процесс ГИП, изобретенный в США в конце
1950-х годов. Этот процесс проводят в газостате — высокоинтенсивном оборудовании, в объеме которого создают атмосферу аргона, азота или иного газа,
температуру до 2000 °С и давление до 300 МПа при длительности их воздействия до 24 ч. Газостат представляет относительно сложную техническую
систему, состоящую из высокопрочного корпуса (рабочего цилиндра — трубы
с комбинированной стенкой под внутреннее давление), станины в виде стального обруча, удерживающего донья трубы, что позволяет выдерживать осевые
нагрузки до 400 МН (40 тыс. т).
Станина выполнена из стальной поковки, прошедшей механическую и
термическую обработку. Труба корпуса составлена из трех цилиндров, которые
запрессованы один в другой с натягом, обеспечиваемым охлаждением наружного цилиндра после его надевания на предварительно охлажденный внутренний цилиндр. Снаружи труба упрочнена обмоткой из высокопрочной стальной
ленты с натягом 1570 кН, что создает в срединном сечении стенки трубы
напряжения сжатия в 700 МПа. После достижения в рабочем цилиндре давления 200 МПа в срединном сечении стенки еще действуют напряжения сжатия в 50 МПа, т. е. стенка газостата на растяжение не работает. Это делает
газостат безопасной установкой с точки зрения разрушения при эксплуатации.
Газостаты оснащают системами компрессоров, нагревателей, емкостей
с рабочими газами, блоками управления и контроля. Стоимость крупного газостата составляет 7 млн долл. США. Мировой лидер в производстве газостатов — шведская фирма ASEA. В начале XXI в. в мире работало 310 газостатов,
из них в США — 180, в России — 12.
4.1. Порошковая металлургия
239
Большинство газостатов имеют рабочую камеру диаметром 500…700 мм
и длиной до 1,5 м, а отдельные газостаты — диаметром 1300 мм и длиной
2,5 м. Объем рабочих камер ограничивает предельные размеры получаемых заготовок, формование которых осуществляется в капсулах, имеющих форму заготовки, с емкостями, заполняемыми гранулами и вакуумируемыми. Материалом
для капсул служат стали (сталь 20 и 12Х18Н9Т) и керамика (стекло, графит).
После формования капсулы разрушаются и из них извлекают заготовку.
Гранульная металлургия является твердофазным процессом, проходящим
в материале без расплавления компонентов: температура спекания на 20…40 %
ниже начальной температуры плавления сплава.
Маршрутный технологический процесс получения заготовок методом
гранульной металлургии следующий.
1. Предварительная обработка гранул, включающая очистку от посторонних
частиц в барабанах и магнитных сепараторах, сортировку по размерам и активацию поверхности одним из методов (механически в вихревой мельнице,
ионной бомбардировкой хромом, поверхностным окислением в среде чистого
аргона с примесью кислорода не более 0,00005 % или горячей вакуумной
дегазацией). Высокая удельная поверхность гранул делает необходимой очистку их поверхности даже от весьма малого количества адсорбированных газов
и неметаллических соединений, чтобы улучшить условия компактирования
заготовки и повысить качество получаемого материала.
2. Приготовление композиции гранул смешением и вакуумная дегазация
аргона.
3. Подготовка к компактированию заготовки. Гранулы засыпают в специальную технологическую форму-капсулу, изготовленную из листового металла,
чаще всего из стали и алюминиевого сплава. Форма и размеры капсулы могут
быть весьма приближены к форме и размерам будущей заготовки. Гранулы
легко заполняют капсулу даже сложной конфигурации, затекая в нее подобно
жидкости. После загрузки капсулы гранулами в ней остается около 30 % пустот,
которые заполнены нейтральным газом (аргоном). Затем капсулу вакуумируют
и герметично заваривают. В таком виде ее можно хранить и транспортировать
без каких-либо ограничений.
4. Установка капсулы в рабочей зоне газостата, заполнение камеры аргоном
под давлением 30…50 МПа.
5. Горячее изостатическое прессование, включающее нагрев аргона до заданной температуры и выдержку в течение 3…24 ч. Нагрев осуществляется
молибденовыми электрическими нагревателями. Давление аргона 30…50 МПа
создается компрессорами, дальнейшее его повышение зависит от нагрева аргона в газостате. При температуре 1200 °С давление аргона возрастает до
200 МПа. На капсулу в газостате действует равномерное всестороннее сжатие.
Пластичный металл стенок капсулы является передающей средой, посредством
которой под действием избыточного давления в газостате изменяются размеры и форма компактируемой заготовки. В результате ГИП гранулы в капсуле
спекаются в монолитный беспористый материал заготовки (усадка при этом
равна 30 % объема капсулы). Взаимодиффузия гранул при их консолидации
240 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
настолько интенсивна, что в готовом материале границы между ними неразличимы даже под микроскопом при сильном увеличении.
Такие температурно-силовые условия всестороннего сжатия при компактировании (консолидации) гранул приводят к получению плотной и бездефектной структуры материала заготовки. В достигнутых условиях хорошо проходит
не только деформирование, но и диффузионное сращивание (сварка) деталей.
Процесс сверхпластического деформирования и диффузионного сращивания
позволил усовершенствовать конструкцию и повысить надежность эксплуатации изделия типа крыльчатки насосов, а гранульная металлургия открыла
возможности для получения керамических дисков турбин. Горячее изостатическое прессование желательно также проводить как самостоятельную конечную операцию калибровки заготовки после ее получения традиционными
методами литья или пластического деформирования, при которых порозность
структуры составляет до 4 % объема. Это приводит к залечиванию пор
и других дефектов и получению плотности материала, близкой к теоретическому значению.
6. Извлечение капсулы из газостата, а заготовки из капсулы (разрезка металла, скалывание керамики), очистка поверхности заготовки травлением.
7. Контроль качества ультразвуком.
8. Термообработка (отпуск для снятия внутренних напряжений).
9. Механическая обработка заготовки до чертежных размеров детали.
10. Окончательный контроль и испытание детали.
Гранульные металлы нашли применение в изделиях ракетно-космической
техники, появление таких металлов стимулировало активное развитие новых
научно-технических решений и инновационных технологий во многих отраслях приборо- и машиностроения.
Аморфные металлы сейчас дороже поликристаллических, но во многих
случаях реализуемые ими свойства оказываются уникальными и вполне адекватными стоимости. Металлургами созданы сотни таких композиций, решающих важные задачи новейшей техники и технологии.
Нанометаллургия. Возникла нанометаллургия в результате очевидного
интереса к материалам, созданным на основе наноструктурных образований,
для использования в таких областях, как электроника, медицина и т. п. Нанотехнологии представляют интерес для оборонной промышленности, поскольку наночастицы с их большой поверхностной энергией обладают гигантской
химической активностью, которую однако трудно реализовать.
При компактировании материалов из нанопорошков сложно также сохранить
форму наночастиц (трубки, конусы, спирали, сферические оболочки, точки, нити,
решетки, островковые пленки) и присущие этим структурам аномальные
свойства.
Известны четыре способа компактирования нанопорошков:
1) прессование и спекание, как в порошковой металлургии. Получаемый
материал имеет плотность 70…99 % теоретической плотности и зернистость
структуры 50…500 нм;
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции...
241
2) осаждение пленок металлов и керамик из паров, плазмы, коллоидных
растворов на поверхность подложки. Таким способом получают полупроводниковые пленки толщиной 10…30 нм;
3) быстрый отжиг аморфных гранул при температуре до 30 % температуры плавления для создания многочисленных центров кристаллизации, быстрого прохождения области поверхностной диффузии и подавления скорости
роста кристаллов быстрым охлаждением. Зернистость структуры достигает
приблизительно 1 нм;
4) интенсивная пластическая деформация сдвига металлов (кручением,
угловым прессованием, прокаткой, ковкой) со структурной зернистостью
100 нм и остаточными признаками рекристаллизованного состояния.
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции
ракетных и реактивных двигателей
Стандарт ASTM F2792.1549323-1 Американского общества специалистов
по испытаниям и материалам (American Society for Testing and Materials)
определяет аддитивные технологии как процесс объединения материалов
в целях создания объекта из 3D-моделей, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» (subtractive) производственных технологий, под которыми подразумеваются различные виды механической обработки, сопровождающиеся удалением материала — стружки. Однако не любые технологии
соединения материала могут быть отнесены к аддитивным, а только такие,
которые создают объект на основе компьютерной 3D-модели при послойной
организации процесса формообразования.
В соответствии с правилами науки о классификации — таксономии —
классификацию аддитивных технологий можно проводить по одному из следующих естественных (генетических или причинных) признаков:
• методу формирования слоя (табл. 4.6);
• методу фиксации слоя (табл. 4.7);
• типу используемого расходного (модельного) материала (табл. 4.8);
• методу подвода энергии для фиксации слоя построения (с использованием узконаправленного когерентного излучения лазера в ультрафиолетовом или
видимом спектральном диапазоне, с применением связующего состава и т. п.).
Несмотря на разнообразие методов формирования слоев и методов фиксации слоя (принципов агрегации исходного материала), известные аддитивные
технологии имеют общий характерный признак. Он заключается в программно реализуемом процессе получения материальных объектов (как технических,
так и биологических) из виртуальных моделей, который можно представить
в виде последовательности отдельных этапов (рис. 4.18).
Начало производства изделия с помощью аддитивных технологий ничем
не отличается от начала производства с использованием традиционных методов механической обработки, поскольку на первом этапе необходимо разработать конструкторскую документацию и представить ее в виде цифровых
242 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
моделей, например 2D-чертежей отдельных деталей или 3D-сборок. Для
этого используют различные средства автоматизированного проектирования — CAD-программы, например такие, как КОМПАС, CATIA, AutoCAD,
SolidWorks и др.
Таблица 4.6
Классификация аддитивных технологий по методу формирования слоя
Метод формирования слоя
Bed Deposition (формирование модели
на платформе)
Direct Deposition (прямое
формирование модели)
Компания-производитель
установки
Используемый принцип
агрегации
3D Systems
EOS
Envisiontec
SLM Solutions
Realizer
Renishaw
Concept Laser
Optomec
POM Group
Trumpf
Objet
Stratasys
3D Systems
SLS, SLA
DMLS
DLP
SLM
SLM
SLM
Laser CUSING
LENS
DMD
DLF
Poly-Jet
FDM
MJM
Примечание: SLS (Selective Laser Sintering) — выборочное лазерное спекание; SLA
(Stereo Lithography Apparatus) — стереолитография; DMLS (Direct Metal Laser Sintering) —
прямое лазерное спекание металла; DLP (Direct Laser Polymerization) — прямая лазерная
полимеризация; SLM (Selective Laser Melting), Laser CUSING — селективное лазерное
сплавление; LENS — лазерное наплавление на поверхность; DMD (Digital Micromirror
Device) — цифровое устройство микрозеркала; DLF (Direct Laser Fusing) — прямое лазерное
сплавление; Poly-Jet — метод послойного отверждения жидкого фотополимерного материала под воздействием ультрафиолетового излучения; FDM (Fused Deposition Modeling) — построение модели методом наплавления; MJM (Multi Jet Modeling) — метод многоструйного
моделирования.
Таблица 4.7
Классификация аддитивных технологий по методу фиксации слоя
Метод фиксации слоя
Компания-производитель установки
Используемый принцип
агрегации
Фотополимеризация
светом
3D Systems
Objet
Envisiontec
SLS
Poly-Jet
DLP
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции...
243
Окончание табл. 4.7
Метод фиксации слоя
Сплавление
Склеивание
Компания-производитель установки
Используемый принцип
агрегации
Optomec
POM Group
Trumpf
EOS
Stratasys
3D Systems
SLM Solutions
Arcam
ExOne
3D Systems
Voxeljet
DMD
DMD
DMD
DMLS
FDM
SLM
SLM
EBM
Ink-Jet
Ink-Jet
Ink-Jet
Примечание: SLS (Selective Laser Sintering) — выборочное лазерное спекание; PolyJet — метод послойного отверждения жидкого фотополимерного материала под воздействием ультрафиолетового излучения; DLP (Direct Laser Polymerization) — прямая лазерная
полимеризация; DMD (Digital Micromirror Device) — цифровое устройство микрозеркала;
DMLS (Direct Metal Laser Sintering) — прямое лазерное спекание металла; FDM (Fused
Deposition Modeling) — построение модели методом наплавления; SLM (Selective Laser
Melting) — селективное лазерное сплавление; EBM (Electron Beam Melting) — электроннолучевое сплавление; Ink-Jet — послойное нанесение связующего состава.
Таблица 4.8
Классификация аддитивных технологий по типу используемых
расходных материалов
Тип материалов
Жидкие
Форма и состав материалов
Фотополимеры: акриловые (эпоксидные)
Полимеры: полиамид, полистирол, ПMMA (полиметилметакрилат)
Сыпучие
Пески: кварцевые, циркониевые
Металлические порошки: Al, Cu, Ti-Al, Ti, Ag, Au, Co-Cr,
Cr-Ni, Ni-Fe; стали
Нитевидные, прутковые
Листовые, пленочные
Полимеры: ABS- и PU-подобные
Металлы в виде прутка или проволоки
Полимеры: ПВХ-пленки
Металлы: фольга, листовой прокат
244 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Для того чтобы 3D-принтер мог распознать объект проектирования, рабочую конструкторскую документацию в виде цифровой модели следует экспортировать в файл со специальным stl-форматом.
В зависимости от требуемых точности изготовления
детали и класса чистоты ее поверхности можно выбрать различную степень разбиения цифровой модели на конечные элементы.
На следующем этапе сгенерированный для конкретной детали файл stl-формата обрабатывается
программой-слайсером (slicer). Эта программа транслирует трехмерную модель в виде stl-файла в понятный принтеру набор команд, называемый G-кодом,
для задания последовательности нанесения формообразующего материала в процессе 3D-печати. Наиболее известными программами-слайсерами являются
KISSlicer, Cura, Skeinforge, Slic3r.
После выполнения перечисленных этапов цифровая модель считается подготовленной для практиРис. 4.18. Этапы создания ческой реализации одного из методов формирования
изделия с помощью адди- слоя (см. табл. 4.6).
Название технологии Bed Deposition свидетельтивных технологий
ствует о наличии платформы для последовательного
формирования слоев конструкционного материала,
который после этого с заданной цикличностью селективно «отверждают».
Рассмотрим основные этапы технологии Bed Deposition (рис. 4.19).
Первоначально рабочая платформа заполняется необходимым количеством
порошкообразного материала (ПМ), который с помощью специального приспособления разравнивается для получения равномерного слоя заданной толщины. Затем выполняется селективное сплавление или склеивание отдельных
частиц ПМ в зоне локального теплового воздействия, например в луче лазера,
направляемого системой управления в заданную точку. После формирования
одного слоя рабочая платформа перемещается и осуществляется подача новой
порции ПМ. Такой цикл повторяется до окончания формообразования детали.
Процесс формирования слоя по технологии Bed Deposition при изготовлении нескольких деталей поточным методом представлен на рис. 4.20.
Среди большого числа компаний, которые выпускают установки, использующие технологию Bed Deposition, следует отметить EOS (Германия). Это
одна из наиболее известных и успешных компаний на рынке аддитивных
технологий, она реализует на потребительском рынке более 100 установок
каждые два года. Так, американская компания Morris Technology (дочерняя
компания GE Aviation) имеет в своем парке 20 установок от EOS, примерное
расположение которых в производственном помещении представлено на
рис. 4.21.
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции...
Рис. 4.19. Схема формирования слоя по технологии Bed Deposition:
1 — лазер; 2 — линзы; 3 — система управляемых зеркал; 4 — лазерный
луч; 5 — плоскость формообразования; 6 — платформа построения детали;
7 — платформа подачи материала; 8 — ролик
Рис. 4.20. Пример формирования слоя
с помощью технологии Bed Deposition
при использовании поточного метода
изготовления деталей
245
246 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Рис. 4.21. Расположение установок фирмы EOS
в производственном помещении
Технология Direct Deposition (рис. 4.22) заключается в непосредственной
подаче ПМ с подведением сконцентрированной энергии, например, в виде
луча лазера в точку пространства в зоне построения фрагмента детали, где
в заданный момент времени частицы ПМ расплавляются и образуется макроэлемент изготовляемой детали. Одной из главных задач является регулируемая
Рис. 4.22. Схема формирования слоя с коаксиальной подачей ПМ по технологии
Direct Deposition (а) и процесс ее реализации (б):
1 — лазер; 2 — система управляемых зеркал; 3 — лазерный луч; 4 — фокусирующая линза; 5 — зона формообразования; 6 — платформа построения детали; 7 — ПМ; 8 — бункер
с ПМ; 9 — емкость с транспортирующим газом
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции...
247
подача частиц ПМ с малым расходом, осуществляемая в среде нейтральных
газов, поскольку окисление расплавленных частиц недопустимо. Узлы впрыска
ПМ и подвода энергии совместно перемещаются на плоскости и по нормали
к ней, послойно выращивая деталь. Данную технологию, называемую также
послойным лазерным спеканием, разрабатывают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Представляется целесообразным и экономически оправданным выращивать
макет детали из модельных материалов и после контроля качества его изготовления, внеся необходимые правки либо в рабочую конструкторскую документацию, либо в stl-файл и G-код, начинать производство детали из штатного
конструкционного материала.
Несмотря на многообразие используемых принципов агрегации при формообразовании детали и фиксации слоя конструкционного ПМ, а также установок, их реализующих, можно выделить следующие базовые характеристики,
определяющие потребительские свойства аддитивных технологий:
• размер изготовляемого изделия;
• производительность установки;
• химический состав конструкционного материала, его агрегатное состояние;
• порозность детали;
• точность изготовления детали;
• стоимость установки и конструкционного материала.
Размер изделия ограничивается габаритами платформы формообразования.
В настоящее время созданы установки, позволяющие получить детали размером от 20×20×20 до 600×500×600 мм. При этом следует учитывать зависимость точности изготовления от абсолютных размеров детали, а также возможность изготовления изделия по частям с последующей их сборкой в одно
изделие.
Производительность установки определяется абсолютными размерами
детали, применяемыми конструкционными материалами и методами фиксации
слоя, программным обеспечением и др.
Химический состав конструкционных материалов и их агрегатное состояние определяют в конечном счете прочность детали и качество образуемой
поверхности.
Конструкционные материалы применяют в виде лент, проволоки, металлических или неметаллических порошков. В частности, к мет алличе ским
порошкам предъявляются следующие требования:
• дисперсность (наибольший размер частиц не превышает 20…40 мкм);
• форма частиц, максимально приближенная к сферической, что позволяет обеспечить компактное укладывание материала, а также его подачу в зону
формообразования;
• химический и фазовый состав с заданными разбросами характеристик.
Среди поставляемых на мировой рынок металлических порошков для
аддитивных технологий следует выделить специальные порошковые материалы на основе вольфрама, хромоникелевые и медные сплавы, сплавы на основе алюминия, включая интерметаллиды.
Средние размеры частиц ПМ могут находиться в диапазонах от 6…9 мкм
для установок Phenix Systems, работающих по принципу селективного лазер-
248 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
ного сплавления (SLM-технологии), до 36…150 мкм
для установок серии LENS компании Optomec —
одного из мировых лидеров в использовании технологии Direct Deposition.
Следует отметить, что для конкретной установки, реализующей 3D-технологию, требуется определенный порошок, который в наибольшей степени
соответствует условиям подачи, нагрева, формообразования и одновременно обеспечивает заданное
качество детали. Разработан пока только один стандарт (ASTM F2924) на материал Ti-6-Al-4-V для
применения в технологиях сплавления на платформе.
Порозность детали — важное потребительское
свойство, определяющее герметичность и прочность
изготовленных с применением аддитивных технологий деталей. Как правило, данное свойство обусловлено сочетанием ряда параметров, к которым
следует отнести прежде всего дисперсность используемого ПМ, химический состав окружающей среРис. 4.23. Лопатка рабочего колеса, изготовленная ды и скорость формообразования.
Точность изготовления детали, под которой
с использованием аддитивпонимаются отклонения действительных размеров
ных технологий
от заданных в рабочем чертеже конструкторской
документации, зависит от корректности выполнения
цифровой модели в CAD-файлах, разрешения установки (минимальной толщины слоев), а также от свойств используемого конструкционного материала.
Рис. 4.24. Общий вид камеры ЖРДМТ (а) и вид со стороны среза сопла (б)
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
249
Стоимость установки и конструкционного материала — один из определяющих факторов конкурентоспособности аддитивных технологий. Развитие
данной отрасли направлено на производство недорогих и быстродействующих
установок с увеличенным объемом рабочей камеры.
В качестве примера практической реализации аддитивных технологий
на рис. 4.23 и 4.24 представлены отдельная лопатка рабочего колеса турбины
и камера ЖРДМТ соответственно.
Следует отметить, что при использовании аддитивных технологий значительно сокращаются сроки изготовления деталей, оснастки и других приспособлений, а часто и готовых изделий. Кроме того, применение аддитивных
технологий позволяет сократить цикл разработки изделия, улучшить его дизайн,
повысить качество и уменьшить стоимость продукта, сократить затраты на его
производство, а также ускорить внесение изменений в конструкцию.
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе
4.3.1. Применение САПР на стадиях жизненного цикла двигателя
Система автоматизированного проектирования (САПР) — это организационно-техническая система, предназначенная для автоматизации процесса
проектирования и состоящая из комплекса средств автоматизированного проектирования и коллектива специалистов соответствующих подразделений
проектной организации.
Появление САПР было вызвано возросшей сложностью проектирования
промышленных объектов, так как возможности человека не позволяют охватить
и увязать все системы объекта проектирования и выбрать оптимальный вариант. Необходима комплексная автоматизация проектирования на всех уровнях
(начиная с предпроектного анализа и заканчивая испытаниями с обработкой
результатов на ЭВМ).
Цели САПР заключаются в повышении качества продукции, уменьшении
трудоемкости и сокращении сроков проектирования при повышенной сложности объектов. В основе автоматизированного проектирования лежит стандартизация деталей и сборочных единиц, унификация функциональных элементов, методов расчета и технологических процессов.
Современный ракетный двигатель — сложное изделие. При его проектировании приходится работать с большим количеством конструктивных элементов и оборудования и, кроме того, управлять большой базой данных, содержащей разнородную информацию. На рис. 4.25 приведена схема процесса
проектирования двигателя с применением САПР.
Большинство крупных российских компаний — разработчиков САПР
успешно применяет современные технологии проектирования и инженерного
анализа. Все большее количество предприятий внедряют системы автоматизированного производства (CAD), инженерного анализа (CAE) и технологи-
Рис. 4.25. Схема процесса проектирования РПДТ с помощью САПР
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
251
ческой подготовки производства (CAM). Решив проблемы с расчетами теплового состояния элементов конструкции РПДТ, специалисты стремятся более
детально исследовать, например, задачи прочности. Для этих целей требуется
довольно сложное программное обеспечение. Задачи ракетного двигателестроения решают многие программные продукты, в частности КОМПАС, AutoCAD,
SolidWorks, T-Flex, Pro/Engineer, MicroStationModeler, NX (Unigraphics), CATIA,
Inventor, ANSYS и др. Рассмотрим некоторые из них более подробно.
4.3.2. Система КОМПАС
Наиболее распространены следующие приложения программного продукта
КОМПАС:
• система трехмерного моделирования КОМПАС-3D;
• чертежно-графический редактор КОМПАС-График;
• система автоматизации технологической подготовки производства
КОМПАС-Автопроект;
• прикладные библиотеки, специализированные САПР, электронные справочники.
КОМПАС-3D — одна из самых популярных CAD-систем на рынке России
и стран ближнего зарубежья. Применяется в основном для выпуска чертежной
конструкторской документации, реже — для выпуска технологической документации. Возможности системы обеспечивают решение всех основных задач
промышленных предприятий и проектных организаций в области моделирования узлов, агрегатов, а также выпуска проектно-конструкторской документации. На рис. 4.26 представлена 3D-модель корпуса стартового РДТТ для
РПДТ, полученная с помощью системы КОМПАС.
Рис. 4.26. Пример исполнения 3D-конструирования в КОМПАС-3D
252 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Основные достоинства КОМПАС-3D заключаются в следующем:
• простота освоения, скорость перехода на 3D-моделирование;
• доступность сервисов для упрощения и ускорения работы пользователей — информация об объекте, расширенное выделение, повтор последних
команд, проверка замкнутости контура в эскизе и т. п.;
• обеспечение коллективной работы над крупными проектами — возможности для совместной работы нескольких пользователей с документами
КОМПАС без использования PDM-системы;
• параметрическое моделирование и проектирование — использование
переменных, возможность создания таблиц переменных в моделях и графических документах.
Чертежный редактор КОМПАС-График предоставляет возможности автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях промышленности. Успешно применяется при проектно-строительных работах, составлении различных планов и схем, а также для разработки документации,
пояснительных записок и технического задания.
КОМПАС-График можно использовать как в качестве модуля для работы
с чертежами и эскизами, полностью интегрированного в систему КОМПАС-3D,
так и в качестве самостоятельного продукта, решающего задачи 2D-проектирования и выпуска необходимой документации (рис. 4.27). Система ориентирована на полную поддержку стандартов ЕСКД, при этом ее также можно
настроить и на стандарты предприятия. Система КОМПАС-График автомати-
Рис. 4.27. Пример исполнения конструкторского чертежа в КОМПАС-График
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
253
чески генерирует ассоциативные виды трехмерных моделей (в том числе разрезы, сечения, местные разрезы, местные виды, виды по стрелке, виды с разрывом). Все они ассоциированы с моделью — изменения в модели приводят
к изменению изображения на чертеже.
Одно из полезных свойств системы КОМПАС-График заключается в возможности импорта и экспорта графических документов в форматах DXF, DWG,
IGES, что позволяет организовать обмен данными с предприятиями-смежниками и заказчиками, использующими любые чертежно-графические системы.
Кроме того, разрабатываются специальные приложения. Например, САПР
технологического процесса КОМПАС-Автопроект может включать в себя
систему трудового нормирования и трудового нормирования по укрупненным
нормативам времени, систему расчета режимов резания и сварки, модуль
формирования обозначений стандартных крепежных элементов.
4.3.3. Система AutoCAD
AutoCAD является платформой для многих специализированных систем
проектирования, инженерного анализа и производства. Это одна из самых
популярных в мире сред автоматизированного проектирования, выбранная
разработчиками в качестве базовой графической платформы для создания
машиностроительных, архитектурных, строительных, геодезических программ
и систем инженерного анализа.
Система AutoCAD содержит традиционные инструменты инженерной
графики, трехмерного моделирования и визуализации и постоянно пополняется новыми инструментами. Функционал этой системы дополняют более 5000
специализированных программ-приложений для разных отраслей.
В течение последних десятилетий система AutoCAD развивалась от простейшего помощника при выполнении чертежей до мощной графической
операционной платформы, потенциально объединяющей все этапы работы над
проектом: выполнение геометрических построений и расчетов, работу с атрибутами и базами данных, взаимодействие с многочисленными Windowsприложениями в целях оформления рабочей и конструкторской документации,
презентацию решений, управление структурой электронного проекта.
Комплекс AutoCAD позволяет реализовать схемы и чертежи (рис. 4.28),
создать трехмерные модели (рис. 4.29) и сформировать табличный отчет.
Основу продукта составляют система создания различных двумерных графических объектов-примитивов (линий, размеров, текстов, штриховок и т. п.)
и система управления этими объектами. Кроме того, в AutoCAD имеются
возможности создания и управления трехмерными объектами — элементарными формами, поверхностями различных типов и др.
Пользователь может управлять как наборами файлов, составляющих проект, так и отдельными частями файлов (листами, видовыми экранами), что
позволяет организовать работу отдельного проектировщика или целых проектных коллективов.
254 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Рис. 4.28. Пример исполнения конструкторского чертежа 3D- (a) и 2D-модели (б)
в AutoCAD
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
255
Рис. 4.29. Пример исполнения 3D-конструирования в AutoCAD
В программе реализованы различные математические модели формирования
трехмерных объектов, существуют каркасные объекты (обычные 2D-примитивы
с атрибутом координаты Z), сплошные тела (использующие аналитическую
геометрию «твердого тела» ACIS), традиционные триангулярные топологические
поверхности, «твердотельные» полигональные поверхности (использующие
аналитическую геометрию «твердого тела» ACIS) для взаимодействия с «твердыми телами». Трехмерные объекты могут создаваться непосредственно или
в процессе преобразования простых двумерных объектов (отрезков, дуг,
немонотонных линий, сплайнов) путем вращения вокруг заданной оси либо
импортироваться из других программ.
Созданная трехмерная модель служит не только для того, чтобы наглядно
продемонстрировать проектную идею и визуально проверить компоновку.
Главная цель — решение геометрической задачи проецирования, т. е. получение по трехмерному объекту набора 2D-линий, дуг, разрезов и сечений заданной плоскостью, в наибольшей степени определяющих конструктивные
особенности проектируемой детали.
АutoCAD применяется для выпуска конструкторской и технологической
документации, не отягощенной требованиями отечественных стандартов,
реже — для плоских компоновок.
4.3.4. Система SolidWorks
SolidWorks — система автоматизированного проектирования, инженерного
анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения.
SolidWorks является ядром интегрированного комплекса автоматизации пред-
256 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
приятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла
изделия в соответствии с концепцией PLM-технологий (PLM (Product Lifecycle
Management) — управление жизненным циклом продукции), включая двусторонний обмен данными с другими Windows-приложениями и создание интерактивной документации.
В рамках автоматизированного проектирования комплекс SolidWorks позволяет реализовывать схемы, чертежи (рис. 4.30) и создавать трехмерные
модели (рис. 4.31). Комплекс также решает следующие задачи: гибридное
Рис. 4.30. Пример исполнения 3D-конструирования в SolidWorks
Рис. 4.31. Пример исполнения конструкторского чертежа в SolidWorks
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
257
параметрическое моделирование, проектирование деталей, сборок и изделий
с учетом специфики изготовления (листовой материал, пресс-формы и штампы, сварные конструкции); создание дерева конструирования и массивов
элементов; управление историей построения модели; ручная и автоматическая
простановка размеров; динамичное внесение изменений в режиме реального
времени; проектирование сборок «снизу вверх» и «сверху вниз», автосопряжение, режим для работы с большими сборками; объединение и разделение
деталей; контекстная замена компонентов, реструктуризация сборок.
Кроме того, представляется возможным проектировать изделия с учетом
специфики их изготовления, например: для листового материала — построение
разверток; для пресс-форм и штампов — анализ уклонов, линий и поверхностей
разъема, генерация матрицы и пуансона; для сварных конструкций — разделка под сварку, проектирование рамных или ферменных конструкций по набору
2D- или 3D-эскизов.
В комплексе предусмотрены функции экспресс-анализа для определения
массово-инерционных характеристик деталей, имитации работы собираемых
механизмов, анализа контактных взаимодействий и гравитации. Имеется возможность моделировать работу пружин, кулачковых пар, а также в приложении
COSMOSXpress определить возникающие напряжения, деформации и с учетом
их значений для конкретного конструкционного материала РПДТ или применяемого твердого топлива рассчитать коэффициенты запаса прочности.
Комплекс SolidWorks позволяет экономить время на конструировании деталей и узлов РПДТ благодаря наличию специализированной библиотеки
проектирования, в которой как в электронной конструкторской базе данных
собраны и предоставлены в распоряжение разработчику конструктивные элементы, стандартные детали (крепеж по ГОСТу), стандартные узлы, элементы
листовых деталей и т. п., стандартные отверстия (с фаской, цековкой, зенковкой, гладкие, резьбовые), а также в приложении Toolbox — подшипники,
прокатный сортамент, кулачки, шкивы, шестерни и т. п. (по различным стандартам — ГОСТ, ISO, ANSI, BSI, DIN, JIS, CISC, PEM, SKF, Torrington, Truarc,
Unistrut).
В базовую поставку комплекса SolidWorks включены: библиотека проектирования (стандартные отверстия, детали и узлы), интерфейс прикладного
программирования, полный набор трансляторов обмена данными с другими
системами (IGES, VDAFS, STEP, Parasolid, ACIS, STL, VRML, DXF, DWG,
Pro/Engineer, CADKEY, NX (Unigraphics), Solid Edge, Inventor, AutoCAD, MDT,
PDF, IDF-данные из P-CAD, OrCAD, Protel и т. п.).
Процесс конструирования в SolidWorks не заканчивается на разработке
объемных деталей и сборок. Программа позволяет автоматически создавать
чертежи по заданной 3D-модели (см. рис. 4.31), исключая ошибки проектанта,
неизбежно возникающие при выполнении проекций изделия вручную. Чертежи SolidWorks обладают двунаправленной ассоциативностью с 3D-моделями,
благодаря чему размеры модели всегда соответствуют размерам на чертеже.
Для реализации методики решения различных прикладных задач в системах CAD/CAM/CAE/PDM посредством комплекса SolidWorks разработано
258 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
несколько специализированных модулей, расширяющих базовую конфигурацию системы, в частности:
• SWR-PDM — управление инженерными данными и структурой изделий,
электронный архив;
• SWR-Workflow — маршрутизация документов и управление работами
(потоками заданий);
• SWR-Технология — система подготовки технологической документации;
• SWR-Электрика — проектирование электрических жгутов, библиотеки
проводов, кабелей и других элементов электрических схем по ГОСТу;
• MoldflowWorks — анализ проливаемости пресс-форм, библиотека физических свойств полимеров;
• MoldWorks — автоматизированная компоновка пресс-форм, библиотеки
EOC, HASCO, DME и др.;
• Logopress — проектирование штампов последовательного действия для
вырубки, пробивки, гибки;
• LVMFlow — анализ литья металлов;
• CAMWorks — фрезерная, токарная, токарно-фрезерная и электроэрозионная обработка;
• Mastercam — обработка всех видов, в частности деревообработка, гравировка, раскрой листового материала;
• CMMWorks — разработка управляющих программ для программируемых
координатно-измерительных машин;
• COSMOSWorks — анализ прочности и теплопередачи;
• COSMOSFloWorks — анализ течения жидкостей и газов, решение задач
тепломассопереноса;
• COSMOSMotion — анализ кинематики и динамики;
• COSMOSEMS — расчет электромагнитных полей;
• OptisWorks — оптика, фотометрия, рендеринг;
• SigmundWorks — анализ размерных цепей;
• TG Builder — разработка обучающих систем;
• PhotoWorks — создание фотореалистичных растровых изображений по 3D-моделям с учетом текстур,
освещения и т. п.;
• Animator — создание мультипликации (анимации) на основе 3Dмоделей;
• 3D Instant Website — создание
интерактивных 3D-моделей для публикации в сети Интернет;
• eDrawings Professional — просмотр и согласование документов
Рис. 4.32. Перемещения обечайки при
нагружении внутренним давлением
(красный карандаш, простановка раз-
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
259
меров, динамическое сечение, авторазнесение сборок, просмотр конфигураций
модели, массово-инерционных характеристик, результатов экспресс-анализа
COSMOSXpress, MoldflowXpress).
В качестве примера рассмотрим нагружение обечайки (см. рис. 4.31) внутренним давлением 10 МПа. Материалом обечайки выбран титановый сплав
с пределом прочности при растяжении 900 МПа. Расчет показал, что в наиболее напряженных точках напряжение составляет 9,7 МПа при перемещении
на 0,95 мм. Результаты расчета перемещений представлены на рис. 4.32.
Приведенный перечень специализированных модулей свидетельствует
о расширении возможностей данной системы для проектирования технологических процессов изготовления элементов конструкции РПДТ, а также для
проведения тестовых и параметрических расчетов теплового, напряженнодеформированного состояния элементов конструкции РПДТ, зарядов твердого
ракетного топлива и пиротехнических составов.
4.3.5. Система CATIA
Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) — одна из самых распространенных САПР высокого уровня. Это комплексная CAD/CAM/CAE-система, включающая в себя передовой инструментарий трехмерного моделирования, подсистемы программной имитации
сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую
базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства — от внешнего (концептуального) проектирования до выпуска чертежей, спецификаций,
монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.
Система CATIA первоначально разрабатывалась для проектирования
в авиационной промышленности, однако благодаря эффективности, удобству
интерфейса и гибкости предлагаемых решений область ее применения была
существенно расширена.
По своим возможностям система CATIA превосходит все существующие
системы CAD/CAM.
CATIA реализует твердотельное моделирование с Windows-интерфейсом,
что делает простым его изучение и использование для составления технической
документации в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТов. Программа
может создавать чертежи на основе твердотельных моделей, сборки и подсборки с возможностью пространственного разнесения компонентов и автоматического получения спецификаций.
CATIA отвечает потребностям предприятий любого масштаба и различных
отраслей благодаря гибкой модульной структуре предлагаемых решений.
Заказчик может выбрать готовые конфигурации программных продуктов, соответствующие типичным проектным и производственным задачам. Для формирования законченной рабочей среды, полностью отвечающей запросам
пользователей, типовая конфигурация дополняется необходимыми модулями,
которые при сетевой инсталляции становятся доступны на каждом рабочем
месте локальной и корпоративной сетей.
260 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
Рассмотрим подробнее возможности и преимущества CATIA.
1. В системе существует выбор методов проектирования. При построении
моделей можно использовать мощный аппарат твердотельного объемного
моделирования, общепризнанные эффективные средства построения сложных
поверхностей и передовую технологию создания параметрических объектов.
Пример исполнения 3D-конструирования переходного отсека и элемента днища РДТТ приведен на рис. 4.33.
Рис. 4.33. Пример исполнения 3D-конструирования в CATIA
2. Имеется возможность параметрического задания взаимосвязанных размеров изделий, которая широко используется при создании библиотек стандартных узлов и деталей и в сочетании с различными способами геометрического и технологического их описания позволяет в последующем легко вносить
необходимые изменения.
3. Предусмотрена возможность параллельного проектирования на всех
этапах разработки как для отдельных исполнителей, так и для групп, отделов
и организации в целом. Корректные изменения в любом проектируемом элементе с учетом уровня приоритета и положения в иерархии становятся мгновенно доступны всем участникам процесса благодаря единой базе данных
проекта.
В качестве примера на рис. 4.34 приведены несколько деревьев при параллельном конструировании, сохраняющие информацию о поэтапном проектировании деталей, подсборок и сборок, включая назначение конструкционных
материалов, расчет вспомогательных параметров (например, массы) и все
межуровневые связи.
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
261
Рис. 4.34. Пример построения дерева при параллельном конструировании в CATIA
4. Существует возможность эффективного 3D-анализа и контроля. Благодаря развитым средствам пространственного анализа обеспечивается практически абсолютная точность стыковки комплектующих и, как следствие, облегчается процесс модернизации и модификации сложных подсборок
и изделий в целом и существенно сокращаются затраты на подготовку производства новых изделий.
5. В системе реализуется электронная модель предприятия и можно создать
его электронный прототип, где все виды конструкторской и технологической
262 4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов конструкции...
деятельности отображаются на экране компьютера руководителя соответствующего структурного подразделения. Это позволяет исключить ошибки и переделки, отказаться от физического прототипирования и сократить цикл дорогостоящих испытаний в реальном технологическом процессе.
6. Используемая передовая информационная технология позволяет дополнительно сократить временные и материальные затраты на взаимодействие
с партнерами, которые имеют общее аппаратно-программное обеспечение, но
находятся на значительном расстоянии друг от друга. В последнем случае речь
идет о создании межконтинентальной корпоративной сети. Следует отметить,
что внедрение в производство системы CATIA позволяет создавать и поддерживать разнообразные базы данных, методик, технологий и знаний, что является необходимым условием для формирования корпоративных правил и
обеспечения устойчивого развития как отдельных предприятий, так и созданной на их основе корпорации.
Одно из основных преимуществ CATIA перед другими системами заключается в наличии пяти базовых модулей программирования станков с ЧПУ.
Для написания оптимальной программы для станка с ЧПУ в CATIA предусмотрена CAM-система, функциональные возможности которой включают:
• большой набор стратегий обработки детали;
• различные варианты подвода и отвода инструмента от заготовки, выбираемые из предлагаемого набора или создаваемые самостоятельно;
• большой выбор инструментов с возможностью их редактирования или
конструирования новых, адаптированных под заданную деталь;
• использование различных видов обрабатывающего оборудования;
• контроль, индикацию и предупреждение столкновений и зарезов;
• визуализацию управляющих программ;
• большой набор постпроцессоров и возможность их создания;
• поддержку форматов APT и ISO и возможность импортирования данных
из форматов STEP, IGES, STL.
В системе CATIA предусмотрена возможность визуализировать отдельный
технологический переход, в частности фрезерование элемента днища РДТТ
(рис. 4.35). Отметим, что визуализация — важная функция данного пакета
САПР, с ее помощью можно выявить большинство проблем, характерных при
обработке на станке, и предупредить их возникновение. Например, визуализация в CATIA позволяет просмотреть траекторию инструмента, увидеть
в разном цвете его подводы и отводы, ускоренный и рабочий ход, наложить
одну обработку на другую и увидеть их в разном цвете.
Общая концепция применения САПР при разработке элементов конструкции РПДТ приведена в табл. 4.9. Обратим внимание на возможность программного обеспечения CATIA создавать конфиденциальную базу данных,
которая содержит ключевые элементы нововведений, полученных в процессе
выполнения конкретного проекта.
В заключение отметим, что система CATIA используется для комплексного автоматизированного проектирования, технологической подготовки произ-
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки РПДТ
263
Рис. 4.35. Пример визуализации операции фрезерования в различные моменты
времени
водства и инженерного анализа и включает в себя трехмерное моделирование,
подсистемы программной имитации сложных технологических процессов,
развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической
информации.
Форма представления
результатов
конструирования
Результат применения САПР
Рабочее проектирование (вы- Рабочая конструктор- Предоставляет возможность
полняются проектные рас- ская документация или масшт абирования дет а ли
четы и разрабатывается кон- модели
и прямого копирования
структорская документация
(модели))
Обликовое проектирование Внешний вид изделия Раскрывает выбранные кон(закладываются концептуцептуальные решения и одноальные решения)
значно доказывает их практическую реализуемость
Схемное проектирование Принципиальные схе- Раскрывает выбранные схем(закладываются схемные мы, сборочные чертежи ные решения (для создания
изделия остается провести
решения, согласовываются
лишь параметрические расмежсистемные связи и параметры)
четы)
Стадия и ее особенности
Концепция «экскурсия в виртуальный
музей»: демонстрация деталей в строго
определенных ракурсах, не раскрывающих
полностью их геометрическую форму
Концепция черного ящика: не раскрываются внутренние связи, а демонстрируется
вид рабочих органов, панелей операторов;
демонстрация работы с помощью имитационного моделирования по типу тренажера
Концепция обертки: внешний вид изделия
может отличаться от картинки на обертке
Метод сохранения интеллектуальной
информации
Концепция применения САПР при разработке элементов конструкции РПДТ
Таблица 4.9
Контрольные вопросы
265
Контрольные вопросы
1. Для каких целей целесообразно применение порошковой металлургии
при изготовлении элементов конструкции РПДТ?
2. На чем основаны преимущества порошковой металлургии?
3. Чем гранульная металлургия отличается от порошковой?
4. Какие характеристики порошков являются определяющими для их использования в порошковой металлургии и в аддитивных технологиях?
5. В чем заключаются физические и технологические особенности процесса спекания порошков как формообразования деталей для РПДТ?
6. Какие методы нанесения функциональных защитных покрытий применяются в технологии ракетного двигателестроения?
7. Что такое аддитивная технология?
8. По каким признакам можно классифицировать аддитивные технологии?
9. Каковы основные этапы создания изделия с помощью аддитивных технологий?
10. Какие ограничения по габаритным размерам выращенных деталей
существуют в аддитивных технологиях?
11. Какие методы фиксации слоя являются оптимальными для изготовления
деталей РПДТ с использованием аддитивных технологий?
12. Какие конструкционные материалы применяются в аддитивных технологиях производства элементов конструкции РПДТ?
13. В чем заключаются преимущества аддитивных технологий перед другими технологиями применительно к жизненному циклу ракетных и реактивных двигателей?
14. Как используются аддитивные технологии при производстве ракетных
и реактивных двигателей? Приведите примеры.
15. Какие пакеты САПР вам известны? Перечислите их основные особенности.
16. В чем заключается смысл понятия «САПР полного жизненного цикла
изделия»?
17. Какими функциональными возможностями обладают САПР КОМПАС,
AutoCAD, SolidWorks, CATIA как системы технологической подготовки производства (CAM)?
18. В каких пакетах САПР, как правило, выполняют рабочие чертежи деталей РПДТ?
19. Какое практическое применение может иметь дерево конструирования?
20. Для каких целей может быть использована визуализация технологических операций в CATIA?
5. Основы технологии производства твердого топлива
для ракетно-прямоточных двигателей
В стартово-разгонной и маршевой ступенях ракет с РПДТ, как правило,
используют твердые топлива (ТТ), которые можно подразделить на два больших класса: баллиститные и смесевые, состоящие из нескольких компонентов.
Баллиститное (двухосновное) топливо является гомогенной структурой
и содержит нитроцеллюлозу (НЦ), нитроглицерин (НГ), стабилизаторы и добавки. Смесевое топливо является гетерогенной структурой и содержит окислитель, горючее-связующее, горючее-металл и добавки. Комбинированное
модифицированное двухосновное топливо сочетает в себе гомо- и гетерогенные топлива. Как правило, оно включает двухосновную матрицу, окислитель,
горючее-металл и добавки. Для обеспечения бездымного факела при горении
используют топливо на основе нитраминов, состоящее из НЦ и НГ, гексогена
и октогена. Топливо, обогащенное горючим, предназначено, как правило, для
маршевых и разгонно-маршевых ступеней РПДТ сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов с внутриатмосферной зоной эксплуатации. Такое топливо обычно содержит окислитель, горючее-связующее, горючее-металл и добавки.
В данной главе рассматриваются физико-механические свойства ТТ
и основы технологии формообразования зарядов из них.
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
5.1.1. Основные требования, предъявляемые к твердому топливу
К числу основных узлов РПДТ относятся газогенератор и камера сгорания.
В газогенераторе сгорает ТТ, в котором в отличие от твердого ракетного
топлива, используемого для стартово-разгонной ступени, содержание горючих
компонентов максимально, а содержание окислительных компонентов сведено
к минимуму, необходимому для поддержания самостоятельного горения и
диспергирования ТТ. В связи с этим в газогенераторе образуются продукты
первичного сгорания, значительное количество которых находится в конденсированной фазе (к-фаза). Рабочий процесс газогенератора тесно связан
с выносом к-фазы и шлакообразованием по тракту двигателя.
Разработка энергоемкого ТТ для РПДТ относится к прорывным технологиям создания авиационного и ракетно-артиллерийского вооружения. Высокая
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
267
эффективность такого топлива объясняется тем, что в смеси с воздухом значение его удельного импульса Iу в 2–5 раз превышает значение удельного
импульса смесевых твердых ракетных топлив, достигая 10…15 км/с для ПВРД
безгазогенераторной схемы и 5…10 км/с для РПДТ с единицы массы ТТ,
находящегося на борту летательного аппарата.
Эффективность РПДТ в значительной степени зависит как от конструктивных особенностей и условий работы системы двигатель — летательный
аппарат, так и от энергомассовых и эксплуатационных характеристик ТТ.
Твердые топлива для маршевых (маршево-разгонных) ступеней ракет
с РПДТ содержат, как уже было отмечено, максимальное количество горючего (металлы или полимеры) с минимально возможным количеством окислителя. К перспективным видам горючего относятся бор В, алюминий Al, магний
Mg, сплав Mg-Al, титан Ti, цирконий Zr, никель Ni и др. Интерес представляют полимерные горючие, в частности, на основе полициклопентадиена.
Топлива для стартово-разгонных ступеней ракет с РПДТ (стартовые топлива) представляют собой используемые в РДТТ традиционные ТТ с удельным импульсом Iу = 2500 м/с.
В целях совершенствования стартовых и маршевых топлив для РПДТ постоянно ведутся работы, направленные на повышение их плотности, регулирование скорости горения и улучшение физико-механических свойств. Увеличение
содержания горючего-связующего приводит к повышению трещиностойкости
топлива и стабильности горения. Топлива на основе горючего-связующего типа
HTPB (полибутадиен с кольцевыми гидроксильными группами) и окислителя
перхлората аммония (ПA) обладают высокими эксплуатационными характеристиками, физико-механическими свойствами и более низким, чем у остальных
видов топлива, температурным коэффициентом линейного расширения. Еще
одно требование, предъявляемое к топливу, заключается в минимальной дымности и низкой инфракрасной заметности выхлопа продуктов сгорания. Для
выполнения этого требования следует уменьшать содержание алюминия или
применять топливо, не содержащее металлы.
Большое значение имеют характеристики старения и деградации топлива,
а также уровень пожаровзрывоопасности.
Кроме того, в двигателях используют функциональные неэнергоемкие
инертные материалы, предназначенные для флегматизации или бронировки
отдельных участков поверхности заряда. Инертные материалы предотвращают
повышение температуры корпуса и действуют как демпфер, позволяющий
заряду выдерживать различные эксплуатационные и полетные нагрузки,
а также поглощают теплоту продуктов сгорания вследствие пиролиза материала. При этом требуется высокая прочность связи инертных материалов как
с топливом, так и с корпусом. Кроме того, защитно-крепящий слой препятствует миграции пластификатора из топлива в ТЗП. Однако инертные материалы — это балласт для работы двигателя, так как, добавляя дополнительную
массу, не дают энерговыделения. В связи с этим улучшение процессов абляции
и снижение плотности указанных материалов являются важными направлениями в их совершенствовании. Существует множество способов нанесения
268
5. Основы технологии производства твердого топлива...
бронировки на поверхность ТТ, например литье, ленточная или тканевая обмотка и др. Внутреннюю поверхность камеры сгорания ракетного двигателя
также покрывают термостойкой краской. В двигателях с зарядом ТТ, скрепленным с корпусом, слой теплозащиты размещают между топливом и корпусом
двигателя.
За рубежом и в России смесевые топлива на базе ПА, Al и связующего
типа HTPB получили широкое применение в качестве основных для ракетных
двигателей различных классов и назначения. Вместе с тем продолжается
непрерывный поиск новых высокоэнергоэффективных ТТ, дающих более
высокий удельный импульс Iу , что позволяет расширить диапазоны значений
скорости, высоты и дальности полета, а также увеличить полезную нагрузку.
Кроме того, повышение плотности топлива позволяет уменьшить габаритные
размеры и стартовую массу ракеты.
Идеальное топливо для ракет с РПДТ должно сочетать большую массовую
теплоту сгорания (как у водорода), высокую плотность твердых веществ
(2 г/см3) и способность обеспечивать оптимальные баллистические свойства,
показатели скорости горения, такие как барический показатель степени в законе горения и коэффициент температурной чувствительности, а также высокие физико-механические свойства.
Ниже приведен удельный импульс Iу , м/с, различных ТТ:
Ракетное топливо:
баллиститное ............................................................................. 2000...2200
на базе нитраминов ................................................................... 2300...2500
смесевое ..................................................................................... 2400...2600
комбинированное ...................................................................... 2500...2700
перспективное твердое ............................................................. более 3000
Маршевое (газогенераторное) топливо для РПДТ ................... 5000...10 000
Баллиститные топлива основаны, главным образом, на НЦ и НГ вместе
с добавками, такими как стабилизаторы, баллистические модификаторы, пластификаторы, охладители, смазочные материалы и т. п. (табл. 5.1).
Прогресс в химии дал импульс развитию смесевых (гетерогенных) топлив,
которые предназначались для замены баллиститных топлив, обладавших меньшей теплотой сгорания.
Двойную базовую матрицу из НЦ и НГ заполняют окислителем, например
ПА, или взрывчатыми веществами, например нитраминами (гексоген, октоген).
Такая композиция дает прирост Iу на 200...300 м/с по сравнению с Iу баллиститных топлив. Топлива с ПА имеют повышенную скорость горения и высокую температуру горения. При введении более 50 % ПA достигается максимальный удельный импульс: Iу = 2500 м/с. Ввиду того что ПA катализирует
разложение НГ, требуется введение дополнительного стабилизатора для нейтрализации разложения ПA. При добавлении ПA топливо становится более
чувствительным.
Смесевые топлива на основе нитраминов являются бездымными. Они обеспечивают больший удельный импульс вследствие более высокой температуры горения (3280 K) и малой средней молекулярной массы продуктов сгорания.
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
269
Увеличение удельного импульса обусловлено положительной стандартной
0
энтальпией ∆H 298
,15° образования гексогена (+71,06 кДж/моль) и октогена
(+87,78 кДж/моль). Этот тип топлива имеет более высокие значения барического показателя степени в законе горения.
Таблица 5.1
Примерные компоненты для зарубежных ТТ
Тип компонентов
Наименование компонентов
Баллиститные (двухосновные) топлива
Энергоемкий пластификатор
Неэнергоемкий пластификатор
Связующее
Стабилизатор
НГ, TMETN (триметилолэтантринитрат), TEGDN
(триэтиленгликольдинитрат), DEGDN (диэтиленгликольдинитрат)
DEP (диэтилфталат), ТА (триацетин), другие
органические фталаты (DBP, DOP и т. п.)
НЦ
Энергоемкая добавка
EC или карбамид (цис-диэтилдифенилмочевина),
2-NDPA (2-нитродифениламин)
Соли свинца (стеарат свинца, салицилат свинца,
цитрат свинца), соли меди (стеарат и салицилат
меди)
Гексоген, октоген, NQ (нитрогуанидин)
Пассиватор
Углерод черный
Пламегаситель
KNO3, K2SO4
Горючее-металл
Al и другие металлы
Стабилизатор горения
Al, Zr, ZrC (карбид циркония)
Модификатор горения
Смесевые топлива
Окислитель
Гексоген, октоген, ПА, НА, ПН, ПК
Горючее-связующее
PU (полиуретан), PBAN, CTPB, HTPB
Пластификатор
DOA, IDP (изодециловый пеларгонат), DOP
Горючее-металл
Al, Mg, B, Zr, Ti
Катализатор горения
Fe2O3, н-бутилферроцен, LIF, оксамид, catocene
Вулканизатор
Горючее-связующее
TDI (толуолдиизоцианат), IPDI (изофорондиизоцианат), HMDI (гексаметилендиизоцианат)
MAPO (трис(2-метил-1-азиридинил) фосфиноксид), TEA (триэтаноламино), MT-4 (продукт
2 молей MAPO + 0,7 моля адипиновой кислоты +
+ 0,3 моля винной кислоты)
Стабилизатор горения
Al, Zr, ZrC
270
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Для запуска стартовых (стартово-разгонных) двигателей ракет с РПДТ
необходим внешний тепловой поток, который создается пиротехническими
или пирогенными воспламенителями. В пиротехнических воспламенителях
используют гранулы или порошок на основе нитрата бора BN или калия KN.
Воспламенение инициируется посредством электрического разряда с образованием потока горячих продуктов сгорания в целях первичного повышения
давления в камере сгорания и повышения температуры поверхности топлива
до температуры его самовоспламенения для установления самоподдерживаемого горения. Состав воспламенителя и конструкция емкости, в которой он
размещен, — важные факторы для обеспечения эффективного пиротехнического воспламенения. Период задержки воспламенения, скорость повышения
давления и его начальный пик являются характеристиками системы воспламенения.
Применяемые в крупногабаритных двигателях пирогенные воспламенители представляют собой малоразмерные двигатели с пиротехнической системой
воспламенения. Устройства блокировки системы воспламенения обеспечивают
надежность и безопасность эксплуатации. Для уменьшения влияния электромагнитных полей и напряжений от контуров заземления, индуктивной связи
и короткого замыкания требуются твердотельные коммутационные устройства
с множеством электрических блокировок. Система воспламенения не содержит
высоковольтных элементов, в ней используются дистанционные низковольтные
(28 В постоянного тока) устройства с конденсаторным разрядом, что обеспечивает пространство для компоновки. Возможна также реализация лазерной
системы воспламенения.
Совершенствование ТТ для РПДТ неразрывно связано с развитием технологий производства топлива. Существует несколько направлений развития
технологий его производства. Одно из них — улучшение процессов смешения
компонентов, что актуально при создании крупногабаритных двигателей,
а также для снижения вредного воздействия на персонал и уменьшения потерь
топлива. Переход на растворимые компоненты позволит значительно повысить
уровень безопасности производства топлива. В течение последних трех десятилетий ТТ использовались за рубежом в температурном диапазоне –30...+55 °C,
за исключением стран с более холодным климатом, в которых диапазон эксплуатации составляет –40...+40 °C, например в Канаде, а также в России.
Следствием увеличения высоты и скорости полета может стать расширение
рабочего температурного диапазона: для твердотопливных ракет, запускаемых
с самолетов-носителей, он может составить –55...+70 °C. Это, в свою очередь,
потребует создания топлива с более высокими физико-механическими свойствами и разработки технологий его производства. Другим фактором, который может
стать важным с точки зрения применения новых видов топлива, является
напряженно-деформированное состояние зарядов топлива в условиях более
интенсивного аэродинамического нагрева в полете.
Для двигателей следующего поколения основными требованиями будут
более высокое значение удельного импульса Iу , лучшие физико-механические
свойства, экологически чистые продукты сгорания и низкая чувствительность.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
271
Теплозащитные материалы должны будут обладать повышенной скоростью
абляции и пониженной плотностью. Для ТЗМ потребуются наполнители, армированные углеродными волокнами, с высокой температурой плавления. Так,
применение за рубежом полимера EPDM (этиленпропилендиеновый мономер)
и углерода в качестве наполнителя с низкой плотностью позволило уменьшить
плотность ТЗМ на 10...15 %. Актуальна также разработка бездымных ТЗМ.
Топливо с низкой скоростью горения может быть использовано в качестве
активного ТЗМ, выгорающего с выделением дополнительной энергии в камере дожигания.
5.1.2. Компоненты баллиститного (двухосновного) топлива
Гомогенные баллиститные, или двухосновные, топлива содержат НЦ и НГ
в качестве основных компонентов. Нитроцеллюлозу, или более точно, целлюлозный нитрат, получают из целлюлозы путем нитрования (рис. 5.1). Содержание азота в НЦ варьирует в пределах 12,6...13,5 %. В зависимости от процентного содержания азота зарубежная НЦ классифицируется как тип «A»
(12,2 % N2), Pyro (12,6 % N2) и Gun Cotton (более 13,1 % N2). Стабилизаторы,
такие как карбамид, добавляют для снижения уровня деградации НЦ. Иногда
два разных типа НЦ смешивают для получения требуемых свойств, таких,
например, как вязкость. Конечный продукт хранится в водно-влажном состоянии. Воду удаляют путем обработки спиртом. В процессе без растворителей
воду не удаляют до полного смешения других компонентов.
Нитроглицерин получают нитрованием глицерина. Для того чтобы избежать
кислотного загрязнения, осуществляют промывку водой, что приводит к постепенной деградации продукта.
Во время хранения НЦ и НГ разлагаются очень медленно, но непрерывно,
образуя оксиды азота. Для того чтобы замедлить процесс деградации, добав-
Рис. 5.1. Блок-схема технологии производства НЦ
272
5. Основы технологии производства твердого топлива...
ляют химические вещества — стабилизаторы (дифениламин, симметричная
диэтилдифенилмочевина). Они не предотвращают разложение, а лишь замедляют его. В результате реакции NO2 со стабилизаторами получают стабильные
нитрированные соединения. Обычно добавляют 1...2 % стабилизаторов.
Пластификаторы применяют для улучшения механических свойств и характеристик экструзии при производстве топлива. Диметил-, диэтил- и дибутилфталат (невзрывоопасные вещества) используют в качестве эффективного
пластификатора. Лучшим взрывчатым пластификатором является НГ или диэтиленгликольдинитрат. Он снижает излучение и предотвращает преждевременное воспламенение топлива. Как правило, для уменьшения дымности при
горении топлива добавляют сульфат калия K2SO4. В современных баллиститных
топливах в качестве баллистических модификаторов используют соли свинца
и меди из органических кислот, как алифатических, так и ароматических.
Другие добавки в баллиститном топливе включают охлаждающие жидкости,
предназначенные для уменьшения вспышки при его воспламенении.
5.1.3. Компоненты смесевого топлива
Окислитель. Основным компонентом смесевых топлив как для стартоворазгонных (60...80 %), так и для маршевых ступеней (30...40 %) РПДТ является окислитель. Он должен обладать высоким потенциалом окисления
и включать электроотрицательные атомы, в отличие от горючего, атомы которого имеют высокую электроположительность.
Потенциал окисления окислительной группы изменяется в следующем
порядке:
F– > OF– > NF–2 > ClF–4 > O– > NO–3 > ClO–4 > ClO–3
Видно, что в качестве окислителей перхлораты и нитраты превосходят
нитриты и хлораты. Окислители, используемые в смесевых ТТ для стартоворазгонных ступеней РПДТ, должны иметь высокое содержание кислорода,
соответствующее довольно высокому стехиометрическому соотношению смеси. По сути, эти окислители обеспечивают кислород, который необходим для
горения горючего-связующего, обладающего максимальной энергией.
Характеристики окислителей влияют на баллистические и физико-механические свойства смесевого топлива, а также на его технологичность. Окислители для топлива РПДТ выбирают таким образом, чтобы обеспечить наилучшую комбинацию содержания кислорода, высокой плотности, низкой
стандартной энтальпии образования (низкой энергии связи) и максимального
объема газа в реакции с горючим-связующим. Кроме того, окислитель должен
быть безопасным для переработки, негигроскопичным, совместимым с другими компонентами, а также легкодоступным и недорогостоящим. Еще одна
требуемая характеристика окислителя — его высокая термическая стабильность. Увеличение содержания окислителя приводит к повышению плотности,
температуры пламени и удельного импульса топлива для стартово-разгонных
ступеней РПДТ.
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
273
В качестве окислителя можно использовать большое количество неорганических соединений, начиная с KNO3, NH4NO3 и заканчивая KClO4, NH4ClO4.
В современных смесевых топливах обычно применяют стабилизированные
по фазе нитрат аммония (аммиачная селитра) и перхлорат аммония. Хотя окислительный потенциал перхлората аммония меньше, чем у перхлоратов натрия
или калия, он производит больше газообразных продуктов при разложении
и, следовательно, является более предпочтительным. Перхлорат аммония получают из реакции перхлората натрия и аммиака. По другой технологии KClO3,
используемый в спиртовой промышленности, окисляется до KClO4, а затем
взаимодействует с аммиаком для получения перхлората аммония.
В качестве основного окислителя в смесевых топливах используют перхлорат аммония NH4ClO4 (ПА). Он обладает высокой плотностью, относительно прост в эксплуатации, легко воспламеняется, имеет необходимую
скорость горения, не требует применения катализатора горения и негигроскопичен. Топливо на основе ПА хорошо горит при повышенном давлении, и это
следует учитывать при разработке двигателей. Перхлорат аммония имеет
приемлемую стандартную энтальпию образования, невысокую температуру
пламени (1405 K) и удельный импульс Iу = 1570 м/с. Обогащенные кислородом
продукты разложения ПA взаимодействуют с продуктами разложения горючего-связующего, что приводит к повышению скорости реакции вблизи поверхности топлива, а также к увеличению газоприхода и температуры пламени. Максимальная температура пламени (3300 K) и максимальный удельный
импульс (2500 м/с) достигаются при содержании ПА, равном 50 %.
Перхлорат аммония имеет фазовый переход (орторомбический в кубический) при 240 °C и начинает разлагаться при 439 °C. Разложение может быть
катализировано металлическими солями, такими как оксид железа и хромат
меди, при более низкой температуре. Перхлорат аммония из мелкодисперсных
частиц более чувствителен к удару и трению, чем ПА из крупнодисперсных
частиц, и в присутствии углеводородов значительно увеличивается вероятность
детонации. На скорость горения топлива на основе ПА влияет размер частиц
окислителя. Так, скорость горения можно увеличить в 6 раз за счет уменьшения среднего диаметра частиц с 400 до 1 мкм. Для создания топлива на основе ПА используют бимодальные и даже тримодальные распределения его
частиц.
Средний размер частиц ПА и распределение их по размерам оказывают
незначительное влияние на удельный импульс топлива. Следует отметить, что
при горении смесевого топлива на основе ПА в холодной или влажной атмосфере образуется дымный факел, содержащий большое количество хлористого водорода (HCl) в качестве основного продукта горения, что повышает заметность ракет и негативно влияет на окружающую среду. С учетом того, что
боевые ракеты с РДТТ должны иметь низкую заметность, необходимы разработки новых окислителей взамен ПА.
Другим видом окислителя является нитрат аммония (НА), его иногда
применяют в экспериментальных двигателях. Топливо на основе НА для стартово-разгонных ступеней ракет с РПДТ имеет более низкий удельный импульс
274
5. Основы технологии производства твердого топлива...
и меньшую плотность по сравнению со значениями аналогичных показателей
топлива на основе ПА, поэтому требуется большее содержание НА в топливе
(около 80 %). При этом скорость горения топлива на основе НА меньше, чем
скорость горения большинства топлив на основе ПА.
Нитрат аммония имеет четыре кристаллических фазовых перехода (при
температуре 18; 32,2; 84,2 и 125 °C). Фазовый переход при 32,2 °C сопровождается значительным снижением плотности, что вызывает изменение размеров зерен с появлением трещин. Предпринимаются попытки сдвинуть этот
фазовый переход к более высоким значениям температуры путем легирования
или сокристаллизации. Нитрат аммония способствует большому газообразованию и используется в топливе для газогенераторов. Кроме того, НА не содержит токсичных элементов. Для повышения энергетических характеристик
топлива на основе НA в него добавляют различные окислители, такие как ПА,
октоген и др.
Перхлорат калия (ПК) используют в качестве окислителя для обеспечения
больших скоростей горения топлива. Плотность ПК составляет 2,5 г/см3.
Перхлорат калия обеспечивает образование низкомолекулярного газа при горении. Перхлорат нитрония (ПН), имеющий положительную стандартную
энтальпию образования (+37,71 кДж/моль) и приемлемый кислородный баланс
(66 %), является эффективным окислителем, однако он токсичен, разлагается
при температуре свыше 80 °C и очень чувствителен. Перхлорат лития (ρ =
= 2,42 г/см3) можно использовать при высокотемпературных условиях, однако
он очень гигроскопичен. Кроме того, эти окислители весьма нестабильны
и обладают высокой чувствительностью.
К числу перспективных зарубежных окислителей, которые, вероятно, придут на смену ПA, относятся ADN (аммония динитрамид), CL-20 и HNF
(Hydrazinium nitroformat).
Смесевые топлива на базе перечисленных окислителей выделяют экологически вредные продукты сгорания, ухудшающие состояние окружающей
среды. Чтобы избежать этого, проводят поисковые исследования новых, экологически более безопасных типов окислителей. Такие исследования включают замену компонентов, сокращение количества опасных материалов
и отходов, исключение токсичных продуктов сгорания. Разработка новых составов топлива и рецептур должна основываться как на фундаментальных
исследованиях в области химии энергонасыщенных материалов и физики
горения с определением энергобаллистических характеристик, так и на инженерных расчетах эффективности применения нового топлива в составе проектируемого изделия по критериям более высокого уровня, например по дальности атмосферного полета ракеты с учетом габаритно-массовых ограничений.
Требования безопасности эксплуатации и хранения также должны быть учтены. Некоторые свойства твердых окислителей приведены в табл. 5.2.
Видно, что ADN и HNF — перспективные окислители. Однако HNF лучше,
чем ADN, по плотности и стандартной энтальпии образования. Уменьшение
доли нежелательной хлорной кислоты HCl может быть получено, в частности,
путем замены части ПА на октоген и НА.
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
275
Таблица 5.2
Свойства твердых окислителей
Молекулярная формула
Стандартная
энтальпия образования
DН0298,15°, кДж/моль
Плотность
ρ, г/см3
AN (НА)
NH4NO3
–365
1,72
AP (ПА)
NH4ClO4
–296
1,95
HP (перхлорат
гидразина)
N2H5ClO4
–178
1,94
N2H6(ClO4)2
–293
2,20
NP (ПН)
NO2ClO4
37
2,22
RDX (гексоген)
C3H6N6O6
71
1,82
HMX (октоген)
C4H8N8O8
75
1,96
ADN
NH4N(NO2)2
–150
1,82
HNF
N2H5C(NO2)3
–72
1,90
Окислитель
HP2
Горючее-связующее. В качестве горючего-связующего используют смолистые материалы или эластомеры, которые обладают способностью связывать
частицы окислителя. Они действуют как связующее вещество со свободной
водой, их доля составляет 10...25 %. Горючим-связующим могут быть как
термореактивные, так и термопластичные эластомеры. Горючие-связующие
обычно представляют собой сшитые полимеры (преполимеры + сшивающие
добавки) и вместе с пластификатором, предназначенным для облегчения переработки неотвержденной топливной смеси, образуют матрицу для связывания
твердых компонентов (окислителя, металлического горючего, функциональных
добавок).
Основные требования, предъявляемые к горючему-связующему:
• рабочая вязкость в диапазоне значений 0,1...10,0 Па⋅с при температуре
смешения в процессе производства топлива. Молекулярная масса в пределах
2000...5000 г/моль и минимальная плотность 0,86 г/см3 для удобства переработки;
• наличие реакционноспособных функциональных групп (— OH или эпоксидных смол), которые могут быть превращены в эластомер путем поперечного сшивания во время отверждения для получения требуемых механических
свойств;
• высокое значение стандартной энтальпии образования для обеспечения
высоких энергетических характеристик топлива;
• низкая температура структурного стеклования (Tс.с) для обеспечения
эксплуатации топлива в экстремально холодных условиях;
• малая усадка во время отверждения и способность к отверждению при
невысоких значениях температуры (40...80 °C) с минимальным тепловыделением.
5. Основы технологии производства твердого топлива...
276
Основные характеристики горючего-связующего определяются такими
свойствами преполимера, как:
• средняя молекулярная масса. Горючее-связующее с низкой молекулярной
массой имеет малую вязкость и способствует усадке во время отверждения.
Высокая молекулярная масса горючего-связующего (т. е. снижение подвижности молекулярных цепей) затрудняет равномерное смешение компонентов
и уменьшает объемную загрузку при производстве топлива, поэтому молекулярная масса преполимера, используемого в качестве горючего-связующего,
должна находиться в диапазоне значений 2000...5000 г/моль. Полное отверждение полимера необходимо для получения требуемых физико-механических
свойств топлива;
• полидисперсность. Это свойство дает представление о молекулярно-массовых распределениях различных видов в полимерной системе. В идеальном
случае полидисперсность должна быть равна единице. Узкое молекулярномассовое распределение (полидисперсность менее единицы) дает меньшую
вязкость при заданной средней молекулярной массе. Следовательно, преполимер должен обладать полидисперсностью более единицы, но менее двух;
• функциональность и сшивание. Количество реакционноспособных функциональных групп, присутствующих в преполимере, означает его функциональность. Функциональность преполимера должна быть более двух. Бифункциональные отвердители приводят к линейной связи, тогда как трифункциональные
молекулы образуют трехмерную сшитую сеть. Регулируя соотношение бии трифункциональных молекул в связующей системе, можно обеспечить требуемую степень поперечной сшивки и плотность поперечных связей, что,
в свою очередь, обеспечивает выполнение требований к механическим свойствам (прочность, удлинение).
В качестве горючих-связующих за рубежом используют различные
вещества — от асфальта до PBAN (полибутадиенакриловой кислоты акрилонитрилтерполимер), CTPB (полибутадиен с концевыми карбоксильными группами) и HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами):
PBAN
(
CH 2
CH
CH
CH 2
)n
(
CH 2
CH
)y
(
CH 2
COOH
CH
)x
CN
CTPB
COOH
CH 2
CH
HOOC
CH
CH
CH 2
H 2C
CH 2
CH
H 2C
CH
CH 2
CH
n
HTPB
OH
CH 2
CH
HO
H 2C
CH
CH
CH 2
CH 2
CH
H 2C
CH
CH 2
CH
n
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
277
Для смесевых топлив используют также полистирол, полиуретаны, поливинилацетат и т. п. В последнее время предпринимаются попытки применять
в качестве горючего полициклопентадиены. Нафталин и антрацен можно
использовать в качестве горючих для газогенераторов РПДТ.
В большинстве зарубежных РДТТ и РПДТ применяют топливо на основе
HTPB. Существует две технологии производства НТРВ: свободнорадикальная
и анионная полимеризация. Свободнорадикальная полимеризация позволяет
получать требуемые физико-механические свойства топлива и является экономически эффективной. Анионная полимеризация позволяет получать более
узкое распределение молекулярной массы преполимера. Технология свободнорадикальной полимеризации была усовершенствована с использованием метанола в качестве растворителя, пероксида водорода в качестве инициатора и
изопропанола в качестве среды для полимеризации. В технологии анионной
полимеризации неполярный растворитель (толуол) дает лучшие результаты
с органическим инициатором.
Добавление в молекулы полимера энергоемких элементов, таких как нитро-,
азидо- и нитратогруппы, приводит к повышению его плотности и стандартной
энтальпии образования.
Пластификатор. Пластификаторы представляют собой низкомолекулярные
нелетучие, нереактивные жидкие вещества. При добавлении в полимер они
улучшают упругость, технологичность и физико-механические свойства заряда топлива. Пластификаторы проникают в полимерные цепи, тем самым
уменьшая когезионные силы притяжения между полимерными цепями и увеличивая свободный объем, что приводит к повышенной подвижности цепи
при данной температуре. Это, в свою очередь, смягчает полимерную матрицу
и делает ее более подвижной.
Первым пластификатором, который стали использовать в топливной промышленности, был НГ. Однако он очень чувствителен к трению и взрывается
при температуре свыше 200 °C.
За рубежом в качестве пластификаторов применяют диоктиладипат (DOA),
дибутилфталат (DBP), диоктилфталат (DOP) и т. п.
Металлическое горючее. Современные смесевые топлива для РДТТ
и РПДТ в большинстве случаев содержат высокотонкодисперсные (10...15 мкм)
металлические горючие, такие, например, как алюминий Al. Они повышают
химическую энергию топлива и увеличивают температуру горения. При низкой концентрации алюминий способствует повышению устойчивости горения.
Бор В — перспективное высокоэнергоемкое горючее, он легче алюминия, но
плохо горит. Бериллий Ве очень токсичен, поэтому при его применении возникают большие проблемы.
Другими видами металлического горючего являются титан Ti, цирконий
Zr и никель Ni.
К перспективным металлическим горючим относятся лигатуры бора B,
магния Mg, алюминия Al и их сплавы.
Другие компоненты топлива. Требования к скорости горения, как правило, различны при проектировании разных типов двигателей. Модификаторы
горения, которые используются в смесевых топливах, представляют собой
278
5. Основы технологии производства твердого топлива...
оксид железа, медный хромат и производные ферроцена. Эти модификаторы
либо ускоряют разложение ПА, либо понижают температуру его разложения.
Основные производные ферроцена, применяемые в качестве катализаторов
горения, включают н-бутилферроцен, ди-н-бутилферроцен, катоцен, бутацен
и др. Основными ингибиторами горения топлива служат оксидамид, нитрогуанидин, фторид лития и т. п.
Технологические добавки, такие как лецитин (силиконовое масло), применяют для улучшения смачивания окислителей жидкими материалами во
время переработки, при этом повышается производительность при изготовлении топлива за счет снижения вязкости топливной суспензии.
Связующие добавки используют для улучшения связывания между горючим-связующим и окислителем, что приводит к повышению механических
свойств топлива. Связующие добавки представляют собой низкомолекулярные
соединения, имеющие функциональные группы, которые либо реагируют с
окислителем, либо обеспечивают вторичное притяжение полярных ионов
между окислителем и связующий добавкой за счет сравнительно более высокой полярности, чем у остальных компонентов. Содержание связующего
обычно составляет 0,1...0,3 % (мас.).
Отверждающие добавки, используемые в смесевых топливах на основе
HTPB в качестве горючего-связующего, включают толуолдиизоцианат (TDI),
гексаметилендиизоцианат (HMDI) и изопроцианатизофорон (IPDI). Отверждающие добавки обычно применяют в сочетании с полигидроксисоединениями,
например с триметилолпропаном (ТМР). Катализатором отверждения служат
комплексы металлов, такие как ацетилацетонат трехвалентного железа (FeAA).
В смесевые топлива вводят и другие добавки, например, антиоксиданты
(PBNA, фенилбетанафтиламин).
Для ограничения скорости горения на поверхности топлива в качестве
бронировки используют некоторые инертные материалы (полимерные) с неорганическими наполнителями. В смесевых топливах для повышения энергоемкости и снижения дымности продуктов сгорания в качестве окислителя
применяют нитрамины (гексоген или октоген).
К числу перспективных энергонасыщенных горючих-связующих и пластификаторов относятся соединения, которые содержат азидо- (N3), нитро- (NO2),
нитрато- (ONO2) или дифлуроаминогруппы. Среди них наиболее энергонасыщенной является азидогруппа. Первым используемым за рубежом с 1990 г.
энергонасыщенным полимером был GAP (Glycidyl Azide Polymer). Последующие исследования показали, что полиглицидилнитрат (PGN), нитрометилметилоксетан (NIMMO) также можно рассматривать в качестве перспективных
соединений.
Теплофизические и физико-химические свойства GAP, NIMMO и BAMO
приведены в табл. 5.3 и 5.4 соответственно.
Среди пластификаторов наибольший интерес представляют нитро- и нитратосоединения, например TMETN (триметилолэтантринитрат) и бисдинитропропиловый формаль/ацеталь (BDNPF/A).
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива
279
Таблица 5.3
Теплофизические свойства энергонасыщенных горючих-связующих
Горючеесвязующее
GAP
Цвет
AMMO
Бледножелтый
Желтый
BAMO
NIMMO
Стандартная
Динами- Температура
Термическая
энтальпия
Молекулярная ческая структурного
стабильобразования
масса, г/моль вязкость стеклования
ность, °С,
0
DН 298,15°,
η, Па⋅с
Тс.с, °С
более
кДж/моль
700....5000
–55
117
200
3000...4000
1,2 (при
20 °С)
—
–35
345
—
Белый
2000...2500
—
–45
246
—
Желтый
2000
1,6
–30
334
—
Таблица 5.4
Физико-химические свойства энергонасыщенных горючих-связующих
Горючее-связующее
Структура
Плотность
ρ, г/см3
Чувствительность
к ударным нагрузкам,
кг/см2, более
GAP (полимер
глицидилазида)
CH2N3
НО - (-CH2-CH-O-)n-Н
1,30
170
Полиглиновое
(полиглицидилнитрат — ПГН)
НО - (-CH2-CH-O-)n-Н
CH2ONO2
1,42
200
Poly NIMMO
(3-нитратометил3-метилоксетан)
CH3
НО - (-CH2-C-CH2-O-)n-H
CH2ONO2
1,26
90
Poly AMMO
(3-азидометил3-метилоксетан)
CH3
НО - (-CH2-C-CH2-O-)n-H
CH2N3
1,06
90
Poly BAMO
(бисазидометилоксетан)
CH2N3
НО - (-CH2-C-CH2-O-)n-H
CH2N3
1,30
200
280
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Низкомолекулярный GAP (молекулярная масса 400...700 г/моль) можно
использовать в качестве энергонасыщенного пластификатора. Он деактивирует НГ и поэтому представляет практический интерес для применения
в двухосновном топливе.
Poly BАМО получают хлорированием пентаэритратола и циклизацией
трихлорида до бисхлорметилового оксетана (BCMO на первой стадии с последующей реакцией с NaN3). Аналогично AMMO получают действием NaN3
на хлорметилэтилоксетан (CMMO).
Пластификаторы добавляют в топливо, чтобы реализовать требуемый уровень технологичности. Азидопластификаторы рассматривались за рубежом как
энергонасыщенные пластификаторы. Газогенераторы с полимерным топливом
на основе NIMMO имеют стабильные показатели горения при низком давлении
(менее 5 МПа).
Нитроэфиры, такие как EGDN & NG, представляют интерес для топлив
нового поколения. Алифатические нитрамины, такие как диазидо-3-нитроазопентан, являются весьма перспективными пластификаторами для энергонасыщенных ТТ.
Предполагается также вводить в топливо энергоемкие добавки (табл. 5.5),
которые могут увеличить удельный импульс.
Таблица 5.5
Свойства энергоемких добавок
Добавка
Молекулярная
формула
Плотность
ρ, г/см3
CL-20 (гексанитрогексаазаизовюрцитан)
C6H12N12O12
2,10
42
9400
C8N8O16
2,00
47
9800
N8
2,65
137
15 000
N60
2,67
196
17 300
C4H4N12O12
2,10
43
9500
Октанитробутан
Компоненты с высоким
содержанием азота
Полинитроадаментан
Давление
Скорость
детонации, ГПа детонации, м/с
Добавление нитраминов (гексоген, октоген) в состав топлива способствует
также снижению дымности выхлопных продуктов. Экологически безвредные
продукты сгорания в сочетании с высокой энергоемкостью топлива можно
получить путем введения в состав мощных окислителей, таких как ADN и HNF,
которые разрывают двойную связь бутадиенов, используемых в качестве горючего-связующего. Комбинации HNF–GAP–Al представляются перспективными
с точки зрения повышения энергетических характеристик топлива. Включение
гидридов металлов (LiAlH4) в качестве горючих еще более увеличивает удельный импульс Iу. Цирконий Zr, имеющий высокую плотность (6,5 г/см3), весьма
перспективен для получения высоких значений удельного импульса.
5.2. Технология производства твердого топлива
281
5.2. Технология производства твердого топлива
5.2.1. Особенности технологических процессов производства
баллиститного и смесевого топлива
При производстве ТТ как для маршевых, так и для стартово-разгонных
ступеней обычно используют следующие технологии:
• экструзию;
• литье;
• прессование.
Рассмотрим подробнее первые две технологии.
Топливо, которое получено по технологии, основанной на экструзии, называют экструдированным, а топливо, полученное с использованием метода
литья, — литьевым.
Технология экструзии широко используется для баллиститных топлив
и относительно недавно — для смесевых топлив. Для экструзии требуются
прессы, они выдавливают заряды топлива разных размеров и форм. Здесь
важна конструкция сборки штамповок и штырей. Операции, связанные с производством экструдированного баллиститного топлива, включают влажное
перемешивание, обезвоживание, производство пасты, сушку, прокатку и экструзию. Заряд выдерживают при температуре окружающей среды в течение
двух-трех недель для его стабилизации. Метод имеет ограничения по размеру
заряда топлива. Экструдированные топлива обладают более высокой плотностью и превосходными физико-механическими свойствами. Использование
в смесевом топливе термопластичных эластомеров, таких как витон, тефлон,
позволило создавать экструдированные топлива повышенной плотности. Этот
метод подходит для массового производства зарядов топлива небольшого размера, в основном для привода катапульт кресел в системе аварийного спасения
пилотов.
Для литьевого баллиститного топлива первой стадией технологии производства является подготовка металлического порошка. Литьевую жидкость,
состоящую из десенсибилизатора, НГ и стабилизатора, готовят отдельно. На
следующих стадиях производства осуществляют заполнение форм, эвакуацию,
литье (подачу под действием силы тяжести), отверждение, извлечение оправки,
механическую обработку и т. п. Процесс не имеет ограничений по размерам.
Производство литьевого смесевого топлива включает подачу окислителя
и горючего-связующего, просеивание металлического порошка, сушку и подачу в смеситель с сигмообразными лопастями, в котором поддерживается
определенная температура, а также литье и отверждение. По завершении
смешения для инициирования химической реакции добавляют отвердители,
такие как изоцианаты. Заряд топлива отверждается при 50...80 °С в течение
5...30 дней в зависимости от толщины полотна и типа отвердителя.
Топливо на основе нитраминов может быть изготовлено с использованием
усовершенствованного способа литья порошков или литья под давлением,
в котором используется сфероидальный порошок НЦ. На разных стадиях процесса изготовления заряда топлива выполняют смешение, литье и отверждение.
282
5. Основы технологии производства твердого топлива...
5.2.2. Производство баллиститного топлива
Двухосновное топливо производят по одной из двух технологий. Наиболее
распространенная технология производства основана на экструзии. К числу
ограничений экструзионной технологии относятся большие размеры заряда,
существующие методы обнаружения дефектов, вопросы безопасности и требования к объему экструзионного пресса. В другой технологии, основанной
на методе литья, не существует ограничений по размерам зарядов.
Производство экструдированного баллиститного топлива. При производстве такого топлива экструзия может осуществляться как в присутствии
растворителей, так и без них. Для производства крупногабаритных зарядов
используют экструзию без растворителя. Однако топливо, изготовленное таким
образом, становится хрупким, т. е. имеет высокую прочность и малое удлинение. Рассмотрим технологическую последовательность процессов производства
экструдированного баллиститного топлива (рис. 5.2).
Смешение. Нитроцеллюлозу с требуемым содержанием азота (12,0...12,6 %)
смешивают с водой для получения суспензии. Затем добавляют НГ к суспензии НЦ и интенсивно перемешивают. В этом процессе НГ впитывается в волокнистую матрицу из НЦ. Воду удаляют путем центрифугирования суспензии
до тех пор, пока влажность последней не снизится до уровня 30 %.
Рис. 5.2. Технологическая схема производства экструдированного баллиститного топлива
5.2. Технология производства твердого топлива
283
Полученную таким образом пасту выдерживают как минимум три недели
при 40 °C, чтобы обеспечить максимальное поглощение НГ волокнами НЦ.
Ввод присадок. Во влажную пасту добавляют присадки: стабилизаторы,
пластификаторы, модификаторы горения, сажу, технологические растворы
и др. Затем, после обезвоживания, пасту с присадками тщательно размешивают в смесителе для получения гомогенной среды. Эту операцию проводят
обычно при температуре 30 °C.
Сушка. Влажную пасту сушат в печи с паровым нагревом, чтобы снизить
содержание влаги до уровня 5 %.
Прокатка. Паста подается на прокатный стан, на выходе которого получается жесткий пластиковый лист. Операция прокатки облегчает процесс
желатинизации. Высушенную топливную пасту пропускают через горизонтальные роликовые валики, нагретые до температуры 70...80 °С, и через несколько проходов получают желатинизированный лист. С помощью режущего
инструмента из листа пробивают диски (диаметром 100 мм). Прокатка —
пожароопасная операция, поэтому предусматривают систему пожаротушения,
которая запускается при первых признаках пожара.
Экструзия. Поскольку желатинизированные составы ведут себя как термопластичные материалы (которые размягчаются при нагревании и затвердевают
при последующем охлаждении), их удобнее прессовать при повышенной
температуре. При этом требуемая форма заряда может быть получена с использованием соответствующей матрицы. Экструзия осуществляется посредством высокопроизводительного экструзионного пресса с вакуумированием
и нагреванием цилиндра экструзии и держателя матрицы. Необходимый штамповочный узел крепят к держателю матрицы. Затем предварительно нагретые
топливные диски загружают в прессовый цилиндр, нагреваемый до температуры 70...80 °C. Для удаления воздуха, который может остаться в заряде
в форме включений, перед началом прессования цилиндр пресса вакуумируют.
Это необходимо с точки зрения обеспечения пожарной безопасности, поскольку адиабатическое сжатие оставшегося воздуха может привести к случайному
пожару. Когда вакуумирование завершено, пресс приводится в движение
и головка плунжера входит в зацепление с нагретым диском с заданной скоростью. При наложении давления начинается течение топливной массы,
и экструзия происходит через матрицу. Удельное давление для экструзии зависит от формы заряда, текучести и температуры топлива. Наружный диаметр
заряда экструдированного топлива ограничен (примерно 300 мм) из-за размеров и мощности пресса (заряды топлива большего диаметра получают методом литья).
Отжиг и механическая обработка. Экструдированные заряды отжигают
для удаления остаточных внутренних напряжений, охлаждают до комнатной
температуры и затем разрезают на отрезки требуемой длины. Благодаря термопластичности баллиститного топлива его можно перерабатывать. Отбракованные части топлива, как правило, используют для повторной переработки.
Стандартная практика заключается в добавлении этих горячекатаных листовых
частей топлива к исходной пасте, что уменьшает потери топлива.
284
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Производство заряда методом экструзии. Производство заряда включает
следующие операции: обезвоживание частиц НЦ или НЦ-НГ, их добавление,
экструзию, резку, просеивание, сушку и карбонизацию.
Обезвоживание НЦ. Суспензия НЦ обезвоживается путем замещения воды
спиртом под прессом. Эффективность обезвоживания зависит от качества
спирта, давления прессования, времени выдержки и пр. Содержание влаги
в обезвоженном НЦ должно быть менее 5 %, а общее содержание летучих
веществ — не более 25...30 %. Для приготовления пасты к водной суспензии
НЦ добавляют известное количество НГ и эту смесь перемешивают в течение
нескольких часов. Постепенно НГ впитывается в НЦ. Паста НЦ-НГ обезвоживается и высушивается путем продувки горячим воздухом до уровня влажности менее 1 %.
Ввод добавок. Добавки, такие как пластификатор и стабилизатор, вводят
в дегидратированную НЦ (или пасту НЦ-НГ) в смесителе и все твердые компоненты в присутствии летучего растворителя тщательно перемешивают.
В качестве растворителей чаще всего применяют смеси эфира и спирта, ацетона и спирта. Нитроцеллюлоза становится желатинизированной при механическом перемешивании в присутствии растворителя и пластификатора. Степень
желатинизации зависит от типа и количества растворителя, последовательности ввода различных добавок, температуры и времени переработки. Как
правило, процесс ведут при температуре ниже точки кипения растворителя
(приблизительно при 25...40 °С), продолжительность процесса составляет
2...3 ч. В полученную массу вводят различные энергоемкие компоненты, такие
как ПА, гексоген, октоген и др. На каждой стадии процесса необходимо принимать соответствующие меры предосторожности.
Экструзия. Полученная после смешения паста прессуется при умеренном
давлении в двухцилиндровом прессе для предварительного уплотнения и удаления растворенного воздуха. Затем предварительно уплотненная паста подается в основной пресс и экструдируется через перфорированную матрицу
для получения пучка топливных стержней. Стержни затем сушат на воздухе
для удаления избытка растворителя.
Резка. Умеренно высушенные стержни подают в машину для резки, чтобы
получить мелкие гранулы длиной 1 мм.
Просеивание и сушка. Нарезанные гранулы просеивают для отделения
крупных и мелких фракций. Затем просеянные гранулы сушат при температуре 50 °С до тех пор, пока общее содержание летучих веществ в них не
станет менее 2 %.
Карбонизация. На высушенные гранулы наносят графитовое покрытие
(в количестве до 0,5 %), чтобы придать нужные характеристики гранулам и
сделать их электропроводящими, тем самым предотвратив накопление статического электричества. Характеристики гранул являются одними из наиболее
важных в процессе производства топлива.
Плотность полученных гранул должна быть как можно выше, обычно
более 97 % их теоретической плотности. Как правило, плотность топлива
составляет примерно 1,56...1,75 г/см3. Снижение плотности происходит в основном вследствие появления пор и наличия летучих веществ. Поры в грану-
5.2. Технология производства твердого топлива
285
лах могут приводить к пористости в заряде и таким образом могут влиять на
его баллистические свойства. Летучие вещества, такие как растворители, не
могут быть полностью удалены, но их содержание должно быть уменьшено
до минимально возможного уровня (предпочтительно менее 1 %). Плотность
упаковки гранул определяется соотношением между массами гранул и растворителя. Таким образом, свойства и качество гранул непосредственно влияют
на физико-механические и баллистические свойства топлива.
Для достижения однородности топлива требуется максимальная плотность
загрузки гранул. Для этого гранулы должны иметь одинаковый размер и одинаковую форму без каких-либо искажений. Кроме того, нанесение графитового покрытия также способствует повышению плотности упаковки гранул. Для
получения требуемых свойств и максимального качества топлива все компоненты должны распределяться равномерно в каждой грануле. Это особенно
важно для баллистических модификаторов, поскольку скорость горения будет
заметно различаться, если их распределение окажется неравномерным. Однородность желатинизации гранул определяет механическую прочность и баллистические свойства отвержденного топлива. Характеристики желатинизации
зависят от степени гелеобразования НЦ при производстве гранул и от типа
растворителя, количества топливной смеси, времени и температуры процесса.
Параметры процесса желатинизации также зависят от природы литьевой жидкости, времени и температуры отверждения. Температуру и время отверждения,
как правило, оптимизируют для достижения максимальной однородности
и механической прочности.
Производство литьевого баллиститного топлива. Литьевая технология
производства топлива включает два основных этапа: литье заряда и отверждение. Для получения требуемых баллистических свойств в топливо добавляют
модификаторы горения и катализаторы. Баллистические свойства литьевого
топлива очень чувствительны к условиям производства. Влияние технологии
изготовления заряда на баллистические свойства иногда сильнее, чем влияние
модификатора. Кроме того, в литьевой технологии плотность загрузки порошка, температура и время отверждения и другие параметры заметно влияют
на физико-химические и баллистические свойства топлива.
Производство литьевой массы. Литьевая масса представляет собой жидкую смесь эфиров нитратов, НГ, инертных пластификаторов (диэтилфталат,
триацетин и т. п.), стабилизаторов (карбамид, 2-нитродифениламин и т. п.).
Инертные пластификаторы используются для разбавления эфиров нитратов,
что значительно снижает их чувствительность к ударам и трению и облегчает
переработку. Содержание инертного пластификатора и стабилизатора в литьевой жидкости варьирует в диапазоне 18...25 и 0,5...2,0 % соответственно.
Перед использованием литьевую жидкость сушат при пониженном давлении.
Производство заряда литьевым методом. Производство баллиститного
топлива включает стадии формования, вакуумирования, литья, отверждения,
разборку пресс-формы, механическую обработку, выдержку и испытания.
Высушенные гранулы загружают в цилиндрическую форму, содержащую
опорную плиту, верхнюю пластину, иглу и другие узлы, с помощью специ-
286
5. Основы технологии производства твердого топлива...
ального аппарата (загрузчика сборки) для достижения максимальной плотности загрузки. Заполненную форму затем вакуумируют для удаления летучих
веществ и воздуха. Жидкую смесь также вакуумируют аналогичным образом,
что позволяет исключить образование пор в отвержденной смеси. Затем жидкую смесь заливают на засыпку гранул либо сверху, либо снизу. Скорость
подачи жидкой смеси контролируется, чтобы избежать образования пор в засыпке гранул. Полученное топливо отверждают при температуре окружающей
среды в течение 48 ч.
В процессе отверждения топлива при температуре окружающей среды
гранулы поглощают максимальное количество жидкой смеси, при этом они
набухают. По мере отверждения топлива происходит взаимодиффузия полимера и пластификатора с образованием однородной массы.
Далее пресс-форму разбирают в специальных приспособлениях для извлечения иглы, а также отвержденного топлива. Этот процесс весьма опасен,
поэтому осуществляется, как правило, с помощью дистанционного управления.
Края заряда топлива мягкие, так как они пропитаны избыточной жидкой смесью. Края вырезают с помощью специальной пилы, изготовленной из неискрящих материалов. Затем топливо разрезают на части необходимой длины
и обрабатывают до получения требуемой формы и заданных размеров с помощью токарного, фрезерного, сверлильного и других станков. Все операции
обычно проводят под водой, чтобы избежать нагрева во время обработки. При
изготовлении топлива, содержащего ПА, инструменты охлаждаются холодным
воздухом, так как, если использовать воду, будут растворяться водорастворимые
окислители. Отходы обработки быстро удаляются из отсека для обработки,
поскольку они являются источником пожарной опасности.
Большинство топливных зарядов необходимо покрывать снаружи бронировкой, способной отверждаться при температуре окружающей среды и обеспечивать регулирование горения. Бронирование заряда можно осуществлять
путем покрытия, литья, инжекции, формования и т. п.
Готовый заряд топлива контролируют по размеру, массе и другим параметрам. Отсутствие внутренних дефектов, таких как трещины, пустоты, пористость, посторонние включения, разрыхление бронепокрытия и др., проверяют
с использованием рентгенографии или ультразвуковых методов. Для оценки
целостности заряда определяют также физико-механические свойства заряда
топлива (прочность на растяжение, на сжатие, относительное удлинение заряда топлива и др.).
5.2.3. Производство смесевого топлива
Типовой технологический процесс производства смесевого топлива представлен в виде блок-схемы на рис. 5.3.
Производство смесевых топлив включает подготовку и переработку сырья,
его смешение, заливку топлива в корпус двигателя, отверждение и обрезку.
Лучшей считается такая производственная технология, которая дает наибольший выход топлива, обеспечивающего требуемые баллистические и физикомеханические характеристики готового заряда.
5.2. Технология производства твердого топлива
287
Рис. 5.3. Технологическая схема производства скрепленного заряда
смесевого топлива
Подготовка к производству топлива. Подготовка корпуса двигателя к заливке топливом — очень ответственная стадия, поскольку требуется нанести
на внутреннюю поверхность корпуса теплозащитный материал (ТЗМ) и защитно-крепежный слой для соединения заряда заливаемого топлива с корпусом двигателя.
Теплозащитное покрытие изготовляют из термостойкого материала, например резинового листа, и размещают между корпусом двигателя и зарядом
топлива. Назначение ТЗП — уменьшить передачу теплоты из зоны горения
заряда в корпус во время работы двигателя. Это достигается за счет использования жестких эластомерных материалов (неопрен или бутилкаучук), химически и термически стойких к высокотемпературным продуктам сгорания.
Перед установкой ТЗП на внутренней поверхности корпуса двигателя
создают шероховатость путем пескоструйной обработки, посредством пневматической высокоскоростной подачи микрогранул из чугуна через форсунку.
После пескоструйной обработки внутреннюю поверхность корпуса очищают.
Установку ТЗП следует проводить сразу после пескоструйной обработки
корпуса, чтобы избежать снижения адгезионной активности поверхности и,
следовательно, ослабления способности к склеиванию.
Заряд топлива скрепляется с ТЗП посредством крепежного (защитно-крепежного) слоя в виде специального клея. Последний состоит из связующего,
отвердителя (такого же, как отвердитель топлива, или аналогичного ему),
углеродного или других наполнителей. Клей создает физико-химическую связь
между топливом и ТЗП (физически он связан с ТЗП, а химически — с топли-
288
5. Основы технологии производства твердого топлива...
вом через ковалентную связь). Для того чтобы улучшить соединение между
клеем и ТЗП, поверхность последнего обрабатывают с помощью гибкой шахтной дробилки с колесами из песочно-абразивной бумаги, смонтированными
на гибком валу. После обработки абразивную резиновую пыль от ТЗП тщательно удаляют с помощью промышленного пылесоса, а затем с использованием летучего растворителя (такого, как трихлорэтилен). Обработанный
корпус размещают в печи при повышенной температуре, чтобы обеспечить
удаление летучего растворителя. Далее на внутреннюю поверхность корпуса
наносят клей, который в виде вязкой жидкости подается на поверхность ТЗП
через устройства для распыления.
Смешение. Следующая стадия — перемешивание топлива — наиболее
сложная и критическая по сравнению с другими стадиями процесса при заполнении корпуса двигателя топливом. Существуют различные типы и конструкции смесителей, используемых при производстве смесевого топлива.
За рубежом наиболее часто применяют планетарные смесители (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Вертикальный двухлопастный планетарный
смеситель
В этих смесителях компоненты топлива смешивают в соответствии с заданной циклограммой. Любое изменение параметров смешения, таких как
последовательность ввода добавок, продолжительность перемешивания, скорость вращения лопастей смесителя, условия вакуумирования, способ заливки в корпус, может привести к нежелательной реологической характеристике
и неудовлетворительным конечным свойствам заряда. Смешение топлива
осуществляется в две стадии — предварительное и финишное смешение. На
стадии предварительного смешения добавляют все компоненты, кроме отвердителя, и перемешивают их для достижения однородности. В этом состоянии
топливная суспензия может находиться в хранилище в течение нескольких
дней. На стадии финишного смешения добавляют отвердитель и снова перемешивают компоненты. Топливная суспензия после окончательного переме-
5.2. Технология производства твердого топлива
289
шивания подвергается гелеобразованию, и вязкость суспензии начинает увеличиваться вследствие реакций полимеризации и сшивания.
Заливка топлива в корпус. Перед заливкой топлива необходимо выполнить
подготовку и сборку литейной арматуры, поскольку последняя обеспечивает
требуемую форму заряда и облегчает распределение топливной массы внутри
корпуса двигателя. Корпус иглы, размещаемой вертикально, изготовляют из
оцинкованной оправки (сердечника) с тефлоновым покрытием, которая обеспечивает требуемую форму заряда с помощью центрирующего кольца
и других вспомогательных узлов. Двигатель с литейной арматурой размещают
вертикально внутри литейной камеры. Затем включают линию подачи топливной суспензии в корпус и всю систему выдерживают под вакуумом в течение
нескольких часов. Литьевая емкость, содержащая топливную суспензию, размещена на подвижной тележке (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Установка для литья топливной суспензии:
1 — емкость для смешения; 2 — линия жидкого топлива;
3 — форма для отливки
Емкость связана с верхней частью камеры магистралью, конец которой открыт в литейную камеру над корпусом двигателя. Имеются клапан управления
потоком топливной массы (для контроля скорости заливки) и щелевая пластина. Конструкция щелевой пластины определяет форму потока суспензии, наполняющей изнутри корпус двигателя. Важными факторами, влияющими на
ресурс или срок годности топлива, являются скорость литья и создаваемое
разрежение (уровень вакуума). Оптимальная скорость заливки определяется
путем компромисса между необходимостью малого времени заливки (учет
экономических требований промышленности и предотвращение значительного
увеличения вязкости в процессе отверждения) и необходимостью организации
довольно медленного потока, позволяющего обеспечить достаточную дегазацию
топливной суспензии после ее прохождения через щелевую пластину.
290
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Отверждение. Очень важная стадия после литья — отверждение. Топливная
суспензия превращается в отвердевшую массу вследствие высокой степени полимеризации и сшивания. В процессе отверждения реологические характеристики, смачивающие свойства, степень полимеризации и физико-механические
свойства топлива постоянно изменяются вплоть до окончательного завершения
процесса.
С практической точки зрения топливо считается полностью готовым, если
его физико-механические и баллистические свойства не изменяются во времени при хранении. Обычно отверждение проводят при повышенных значениях температуры, при которых заряд топлива в виде суспензии находится
внутри теплоизолированной печи определенный период времени, известный
как цикл отверждения топлива. Температура в течение цикла отверждения
в печи контролируется.
Во время заливки используют металлическую (сталь, алюминий) с тефлоновым покрытием оправку (иглу), чтобы получить требуемую форму заряда
(например, звездообразную, цилиндрическую и др.). После отверждения топлива заряд приобретает требуемую форму и оправка должна быть извлечена.
Во время сборки литейной арматуры оправку покрывают смазкой, чтобы
облегчить в дальнейшем ее извлечение.
Обрезка. Очень трудно отлить заряд точного размера из-за пористости
в верхней части отвержденного топлива до определенной глубины и вследствие
изменений размеров, возникающих при высокотемпературном отверждении.
Склеенные заряды могут быть отлиты только один раз, следовательно, необходимо добавлять дополнительное топливо, чтобы довести заряд до требуемых
размеров. Излишки топлива обрезают с помощью специального станка (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Станок для обрезки заряда топлива
На обоих концах заряда смесевого топлива, залитого в двигатель, предусмотрены свободные полости, поскольку это позволяет предотвратить появление термических напряжений при изменении размеров заряда вследствие
теплового расширения или усадки во время отверждения топлива. Эти полости
должны быть заполнены соответствующими материалами (эпоксидная смола
и пр.), чтобы избежать колебаний давления, возникающих в зазорах во время
горения.
5.2. Технология производства твердого топлива
291
5.2.4. Производство комбинированного топлива
Технология литья под давлением. Комбинированные топлива позволяют
сочетать самые разнообразные физико-химические и баллистические свойства.
Такое топливо отличает простота заполнения крупногабаритных двигателей.
Волокнистую НЦ превращают в частично желатинизированные сфероидальные
гранулы (СНЦ), а затем включают их в другие компоненты для образования
свободнотекучей топливной суспензии. Далее суспензию подвергают деаэрации
и заливают в корпус двигателя аналогично смесевому топливу. Производство
гранул CНЦ начинают с растворения волокнистой НЦ в этилацетате, добавляют НГ, пластификатор, стабилизаторы и путем перемешивания получают
однородный гель.
Затем гель эмульгируют водой в диспергаторе в присутствии смачивающего агента и коллоидного стабилизатора, после чего этилацетатный растворитель
удаляют, и гель медленно отверждается. Для того чтобы облегчить удаление
воды до полного отверждения геля, добавляют раствор сульфата натрия. Температуру геля повышают до 70 °C и получают гранулы CНЦ. Параметры процесса корректируются для достижения размера частиц 25...50 мкм, поскольку
более мелкие частицы создают трудности при загрузке, а более крупные приводят к неоднородности смеси. После этого получают литьевую смесь, содержащую НГ с пластификатором и стабилизатором. Гранулы НЦ добавляют
к этой смеси, затем вводят другие твердые компоненты, такие как окислитель
и баллистические модификаторы. Смешение компонентов осуществляют под
вакуумом. Время смешения и температуру регулируют в зависимости от размера партии, природы и содержания твердых компонентов и др.
После получения гомогенной смеси ее отливают под вакуумом в предварительно собранную форму. Пресс-форму вместе с залитым топливом помещают в печь, и при повышенных значениях температуры начинается отверждение топлива. На микроуровне полимер и пластификатор растворяются один
в другом, что приводит к быстрому набуханию гранул НЦ. На макроуровне
отверждение топлива происходит через гелеобразование, которое превращает
двухфазную твердожидкую систему в ТТ. При медленном охлаждении топлива снижаются внутренние термические напряжения.
Технология производства гранул. Эта технология применяется за рубежом
при изготовлении крупногабаритных зарядов сложной формы. Процесс начинается с производства гранул с последующим литьем и отверждением.
Гранулы состоят из НЦ и твердых компонентов (окислитель, стабилизатор,
баллистический модификатор) с добавками НГ, ПА и Al. В процессе экструзии
получают гранулы размером 1×1×1 мм. Изначально приготовляют спиртовую
суспензию НЦ и подвергают ее интенсивному перемешиванию. Добавляют
раствор НГ в летучей жидкости (ацетон) и проводят предварительное смешение. После этого в смесителе осуществляют финишное смешение со всеми
компонентами. Как только смешение завершено, приготовленную пасту прессуют с удалением остаточного воздуха.
292
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Пасту подвергают экструзии, на выходе получают топливные стержни,
которые затем разрезают на гранулы требуемого размера. Затем гранулы
высушивают, обрабатывают графитовым порошком во вращающемся барабане
и засыпают в форму с плотностью упаковки 65...70 %, после чего заливают
литьевой смесью под вакуумом со дна пресс-формы. Топливо выдерживают
в течение 4 дней, а затем помещают в печь для отверждения заряда.
5.2.5. Производство экструдированного смесевого топлива
Экструдированное смесевое топливо — относительно новый вид топлива
на основе эластомеров высокой плотности, таких как фторполимеры (витон,
тефлон) или термопластичные полиуретаны. Получаемое топливо имеет более
высокую плотность (1,98 г/см3), чем плотность обычного топлива. Производство
экструдированного смесевого топлива полностью исключает его потери.
Заряды из этого топлива обладают отличной стабильностью размеров, их
можно эффективно использовать для малоразмерных газогенераторов. Основные компоненты экструдированного смесевого топлива такие же, как и
у обычного топлива, за исключением горючего-связующего, который является
эластомером. При производстве топлива используют растворители, например
ацетон, этилацетат (EA), метилэтилкетон (MEK). Технология производства
аналогична технологии производства экструдированного двухосновного топлива. Она состоит из следующих основных стадий:
• сольватации горючего-связующего и смешения;
• прокатки топливных листов;
• экструзии топлива.
Определенное количество горючего-связующего загружают в полость планетарного смесителя и добавляют растворитель в соотношении 1: 2 по массе.
Время выдержки составляет около 24 ч. Горючее-связующее измельчают
и равномерно диспергируют в растворителе при перемешивании. Добавляют
и перемешивают технологические добавки и пластификаторы. Затем добавляют частицы Al и две-три порции ПA и продолжают перемешивание до стадии
гомогенной дисперсии металлического горючего и окислителя в пасте. Все
эти операции выполняют к атмосфере с относительной влажностью не более
60 %. Пасту выгружают в лотки и сушат при температуре около 60 °С для
выпаривания растворителя в течение довольно длительного времени (4...8 ч).
После этого пасту дополнительно гомогенизируют путем каландрирования на
прокатном стане при температуре 55...60 °C. Листы топлива пропускают через
ролики 25–50 раз для обеспечения равномерности.
Экструзия пасты топлива осуществляется в гидравлических прессах. Отдельно вырезают образцы топлива в виде столбиков соответствующего размера, которые используют для измерения скорости горения. Топливную пасту
загружают под пресс и при температуре 55...60 °C экструдируют путем подачи давления.
5.3. Защитно-крепящий слой и бронирующие покрытия
293
5.2.6. Производство топлива, обогащенного горючим
Топлива, обогащенные горючим и предназначенные для газогенераторов
РПДТ, изготовляют либо методом прессования, либо методом литья. В обоих
методах сначала смешивают окислитель и металлическое горючее. Процесс
перемешивания проводят при температуре 50 °C под вакуумом. Затем изготовляют заряд путем литья или прессования топлива под вакуумом. Следующая
операция — отверждение изготовленного заряда при температуре 70...80 °C.
Далее следуют механическая обработка, контроль показателей качества заряда
и передача на хранение.
Все компоненты топлива проходят контроль согласно техническим условиям и хранятся в закрытом состоянии.
Перемешивание компонентов проводят в заранее определенной последовательности, добавляя при этом твердые смазки (графит) для облегчения процесса. Затем осуществляют формование заряда под давлением посредством
гидравлического пресса, позволяющего достичь требуемые значения плотности
и предела прочности при сжатии. После прессования заряд топлива извлекают
из формы и поверхность пресс-формы очищают толуолом для удаления смазки, прилипшей к поверхности. Затем заряд бронируют соответствующим
материалом (заполненные полимеры).
Твердый окислитель и горючее-металл измельчают до требуемых размеров
частиц и после сушки размещают в герметичной емкости, в которую добавляют горючее-связующее, предварительно прошедшее контроль качества.
Аналогичным образом готовят и контролируют пластификаторы, модификаторы горения, связующие и сшивающие добавки, отвердители и технологические добавки.
Все компоненты перемешивают в смесителе с сигмообразными лопатками.
Смеситель обеспечивает циркуляцию горячей или холодной воды и вакуумирование с дистанционным управлением. Последовательность подачи компонентов, время перемешивания и интервал между каждой стадией перемешивания, уровни температуры и другие параметры контролируются для достижения требуемой вязкости получаемой суспензии. Поскольку содержание
горючего-связующего в топливе для маршевых ступеней РПДТ выше, чем
в топливе для стартовых ступеней, такое топливо имеет достаточную вязкость
при заполнении формы только под действием силы тяжести. Однако литье под
вакуумом более предпочтительно для исключения остаточного воздуха или
газов в заряде (уровень вакуума 2...3 мм рт. ст.).
После литья отлитые заряды размещают в печи для отверждения, при
этом процесс отверждения обычно происходит при повышенной температуре
(60...70 °C). Отверждение продолжается до достижения требуемых физикомеханических свойств заряда. После этого топливные заряды механически
обрабатывают и покрывают бронировкой.
294
5. Основы технологии производства твердого топлива...
5.3. Защитно-крепящий слой и бронирующие покрытия
5.3.1. Защитно-крепящий (клеевой) слой
В случае применения прочноскрепленных зарядов ТТ, что характерно для
газогенераторов РПДТ, в целях предотвращения миграции компонентов смесевого ТТ (наиболее вероятно — пластификатора) поверхность ТЗП внутренней стенки корпуса двигателя или газогенератора покрывают тонким защитнокрепящим слоем, который служит барьером для этой миграции.
Защитно-крепящий (клеевой) слой представляет собой эластомерный полимер, нанесенный на поверхности ТЗП и топлива для повышения прочности
их скрепления. Применение клеевых слоев повышает надежность работы
двигателя, однако количество таких слоев должно быть ограничено из-за возможности их разрушения вследствие напряжений, возникающих во время
отверждения заряда топлива, при транспортировке, обработке и хранении.
Горючие-связующие, используемые в ТТ, в основном менее прочны, чем полимеры, используемые в клее, и адгезионная прочность соединения оказывается недостаточной. В качестве основных параметров клея рассматривают его
смачиваемость и деформацию для снятия внутренних напряжений.
Существуют разные теории, объясняющие механизмы склеивания. Согласно одним теориям, склеивание обусловлено полярностью материалов клея
и топлива, т. е. утверждается, что полярные адгезивы не образуют прочных
связей с неполярными соединениями. Однако опыт показывает, что это правило выполняется не всегда. Согласно другим теориям, склеивание обусловлено переносом электрического заряда между адгезивами, а также ионным
типом связи между соединениями с противоположными зарядами. При этом
возможно образование химической связи. Тем не менее, каким бы ни был
механизм, считается, что хорошая смачиваемость топлива клеем — предпосылка прочного склеивания, а присутствие активного водорода, наоборот,
способствует снижению адгезии в некоторых системах на основе аминов
и карбоновых кислот.
Основные требования к составу клея таковы:
• совместимость с топливом;
• отверждение при комнатной температуре;
• смачиваемость и растекаемость при нанесении в жидкой фазе и требуемые характеристики старения;
• способность предотвращать миграцию пластификатора топлива в ТЗП
(т. е. клей должен играть роль диффузионного барьера).
Клеевой слой содержит связующее, в которое добавлены наполнители,
пластификаторы и отвердители. За рубежом горючее-связующее HTPB используют в качестве базового полимерного связующего вместе со сшивающими добавками типа пиггеллола или триметалолпропана (TMП). Клеевой слой
отверждается аналогично смесевым топливам, за исключением того, что молярное отношение радикалов NCO/OH поддерживается очень высоким
(1,3 против 0,8...1,0 для составов топлива). В качестве адгезионного промото-
5.3. Защитно-крепящий слой и бронирующие покрытия
295
ра применяют также MAPO (трис(2-метил-1-азиридинилфосфиноксид), аминопропилтриэтоксисилан, триэтоксисилан (3-изоцианатопропил).
Типовой состав клея для смесевых топлив базируется на HTPB, углеродной
саже, оксиде сурьмы с плотностью 1,0...1,2 г/см3, твердостью 50–55 по шкале
Shore A, пределом прочности при растяжении 1,5...2,0 МПа, относительным
удлинением 40...50 % при содержании влаги менее 0,5 %. Пределы прочности
на разрыв при растяжении и прочности на сдвиг составляют более 0,5 МПа,
а предел прочности на отрыв — более 0,05 МПа.
Согласно последним зарубежным публикациям, разработан ТЗМ на основе НТРВ, который также входит в состав топлива, что обеспечивает более
сильную связь, максимальную совместимость и отличные низкотемпературные
свойства (температура структурного стеклования Tс.с = –75 °C). Новые перспективные ТЗМ имеют заметные преимущества вследствие меньшей плотности и лучших теплозащитных характеристик, высокой эластичности при
низких температурах и стойкости в атмосфере.
Технология нанесения клея включает операции разбавления основы летучим
растворителем (дихлорметаном) и распыления предварительно нагретого материала. Растворитель испаряется, оставляя тонкий слой клея на поверхности
ТЗМ. Иногда используют электростатические силы для диспергирования ТЗМ
при его нанесении. После нанесения ТЗМ корпус двигателя вращают вокруг
горизонтальной оси, чтобы обеспечить равномерное распределение ТЗП. Клей
остается в липком состоянии во время заливки топлива и отверждается вместе
с последним, чтобы образовать прочную связь.
5.3.2. Бронепокрытия зарядов
Термостойкое бронирующее покрытие (бронепокрытие) предназначено для
предотвращения горения заряда ТТ по тем поверхностям, на которые оно нанесено. Обычно бронепокрытие наносят на торцы топливного заряда, а также
на всю наружную цилиндрическую поверхность канального или торцевого
заряда либо на часть этой поверхности. В некоторых случаях его наносят на
передний торец заряда, чтобы исключить появление пика давления при воспламенении. Кроме того, бронепокрытие, нанесенное в виде тонкого слоя на
заряд, предотвращает миграцию топлива и ТЗП.
Заряды топлива для РПДТ должны соответствовать определенным требованиям к баллистическим характеристикам, обеспечивая как прогрессивные,
так и нейтральные или регрессивные профили тяги в полете. С этой целью
наряду с профилированием формы заряда применяют бронирование отдельных
участков поверхностей горения (рис. 5.7).
Отметим, что один и тот же канальный заряд с бронированными торцами
может дать нейтральный профиль тяги, без бронировки торцов — регрессивный закон горения, а с бронировкой части или всей наружной боковой поверхности и торцевых поверхностей — прогрессивный закон (рис. 5.8 и 5.9).
Как правило, для разных зарядов топлива разработаны различные виды
бронепокрытия.
296
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Рис. 5.7. Продольное сечение заряда ТТ:
1 — корпус двигателя; 2 — ТЗП; 3 — защитно-крепящий слой;
4 — топливо; 5 — бронепокрытие; 6 — сопло; 7 —
камера сгорания; 8 — воспламенительное устройство
Рис. 5.8. Горение заряда:
а — регрессивное; б — нейтральное; в — прогрессивное; 1 — топливо;
2 — бронепокрытие
Рис. 5.9. Диаграмма тяги РДТТ для разных
зарядов:
1 — без бронепокрытия; 2 — с бронированными
торцами; 3 — с бронированными торцами и наружной поверхностью
5.3. Защитно-крепящий слой и бронирующие покрытия
297
Общие требования к бронепокрытиям сводятся к следующим:
• совместимость с топливом;
• малая плотность инертной массы для уменьшения массы двигателя;
• низкая скорость эрозии (менее 0,1 мм/с) для уменьшения толщины бронепокрытия;
• низкая теплопроводность и большая удельная теплоемкость при минимальной скорости теплопередачи;
• высокая температура разложения;
• стойкость пористой массы пироуглерода к воздействию высокоскоростного высокотемпературного потока газов;
• сильная адгезия с топливом;
• приемлемые механические свойства (прочность на разрыв, на отрыв и
на сдвиг);
• слабое поглощение пластификатора и влаги;
• приемлемые характеристики старения и длительный срок хранения;
• высокая прозрачность для визуального обнаружения дефектов во время
механической обработки.
Для малогабаритных зарядов на поверхность топлива наносят бронепокрытие в гелеобразном состоянии при комнатной температуре. Иногда бронепокрытие заливают в зазор вокруг заряда топлива, помещенного в пресс-форму.
Для этого используют эластичную эпоксидную смолу с отвердителем и катализатором (пероксид). Применяют и другие способы, например намотку лент
или нитей из ингибитора. Ленты для нанесения на топливо получают из
этилцеллюлозы (ЭЦ), ацетата целлюлозы или полиэтилена высокой плотности.
При намотке нейлоновой или вискозной нитей их заливают эпоксидной смолой
для придания ударной вязкости полученной бронировке.
Еще один способ нанесения бронепокрытия — литье под давлением, при
котором ингибитор с грунтовочным материалом подают в зазор между топливом и оправкой.
При бронировании зарядов двухосновных топлив нужна бронировка с высоким модулем упругости. Кроме того, следует исключить миграцию НГ из
топлива в бронировку, так как после определенного периода хранения миграция приводит к ухудшению скрепления топлива с бронировкой. Для ряда
ракет разработаны бездымные топлива и требуются соответствующие бездымные бронировки. Этилцеллюлозу применяют для экструдированных зарядов, однако она поглощает 14...17 % НГ и пластификатора при температуре
50 °С. Известно также, что полиэфиры могут быть использованы при нанесении бронировки зарядов баллиститных топлив. Хорошей бронировкой для
баллиститных топлив является полиэфирная смола, содержащая ТiO2 в качестве
наполнителя.
При бронировании смесевых топлив применяют эпоксидные смолы с полиамидным наполнителем, импрегнированные вискозной нитью. В состав
бронировки для комбинированных топлив входят эпоксидная смола, сополимер
бутадиенакриловой кислоты и неорганическая соль металла. Другая группа
бронировочных составов для комбинированных топлив содержит невулканизированные каучуки (бутадиенстирол, ацилонитрилбутадиен), смешанные
298
5. Основы технологии производства твердого топлива...
с поливинилхлоридом (ПВХ) или этиленпропиленовым сополимером и заполненные асбестовыми волокнами, порошкообразным диоксидом кремния,
сажей.
Для двухосновных и комбинированных топлив в бронирующий состав
вводят ненасыщенный сложный полиэфир на основе полиэтиленгликоля, фталевой кислоты, малеинового ангидрида. Для нитраминсодержащих зарядов
комбинированных топлив бронировку изготовляют из полиуретана на основе
HTPB. Такая бронировка обеспечивает незначительную миграцию НГ, сильную
адгезию, имеет приемлемые механические свойства, низкую плотность и пригодна к эксплуатации при низких значениях температуры. Для нитраминных
бездымных топлив, применяемых в противотанковых ракетах, разработан
бездымный бронирующий состав на основе полиэфира и меламина в качестве
наполнителя.
Бронепокрытие зарядов топлива — важный элемент двигателя, поэтому
его необходимо совершенствовать в направлении снижения плотности, улучшения термических и механических свойств, совместимости с топливом.
5.4. Контроль качества топлива
5.4.1. Оборудование для контроля качества
Качество продукта может быть определено как совокупность его особенностей и характеристик, которые зависят от способности продукта удовлетворять заявленные потребности заказчика. Категория качества продукта относится к процессу его производства. Любой производственный процесс — это
преобразование набора входных данных, которое может включать действия,
методы и операции, в желаемый результат в виде продукции, информации
и пр. Для того чтобы получить конечный продукт, соответствующий требованиям заказчика, необходимо определить и контролировать как параметры
сырья, так и процесс производства.
В области производства ТТ требуемые эксплуатационные характеристики
заряда можно получить только в том случае, если обеспечен контроль качества
для всех компонентов ТТ на каждой производственной операции. Качество
различных материалов, используемых при производстве компонентов ТТ
(окислителей, горючих-связующих, пластификаторов, стабилизаторов, технологических добавок и баллистических модификаторов), контролируют как
методами химического анализа, так и инструментальными методами.
Описание основных процессов контроля качества и устройств, необходимых
для его выполнения, приведено ниже.
Анализ размеров частиц компонентов. Для анализа размеров частиц используют метод сита. Он заключается в просеивании частиц и разделении
твердых порошкообразных компонентов на фракции. Распределение частиц по
размерам получают с помощью различных анализаторов, например анализатора размера частиц, на основе регистрации рассеяния луча лазера частицей.
5.4. Контроль качества топлива
299
Предварительно частицы диспергируют, например, ультразвуком в подходящей
жидкой среде, после чего последнюю просвечивают лучом лазера.
Определение содержания влаги. Содержание влаги в компоненте топлива обычно измеряют методом Карла Фишера (KФ) в титровальном аппарате.
Реагент KФ представляет собой коммерчески доступный раствор, стандартизованный с использованием воды в метанольном растворе. Он определяет
измеряемый эквивалент воды E. Взвешенное количество W образца экстрагируют сухим метанолом. Его титруют умеренным избытком реагента KФ
и обратно титруют водой в растворе метанола.
Содержание влаги g, %, определяется количеством A реагента KФ, используемого при титровании, пробегом S, количеством R воды в метаноле,
используемом для обратного титрования, и отношением B реагента KФ к воде
в метанольном растворе:
g = (0,1Е(А – S) – RB)/W.
Определение выхода летучих веществ. Выход летучих веществ определяют путем взвешивания пробирок. Пробирку промывают растворителем,
сушат при температуре 110 °С и взвешивают. Взвешенное количество исследуемого образца помещают в пробирку и выдерживают в печи при температуре 105 °С в течение 3 ч. Затем пробирку удаляют из печи, закупоривают,
помещают в эксикатор, выдерживают в течение 30 мин и снова взвешивают.
Разность измеренных масс позволяет определить выход летучих веществ. Это
основной параметр контроля качества НЦ двухосновных топлив и горючихсвязующих смесевых топлив.
Определение вязкости. Измерение вязкости топливной суспензии — одна
из основных операций контроля качества. Вязкость измеряют с помощью
вискозиметра различных марок. Вискозиметры используются для измерения
вязкости горючего-связующего (HTPB, CTPB), которая обусловлена его молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением, а также для
измерения вязкости суспензии топлива.
Определение плотности. Плотность измеряют по правилу Архимеда.
Образец топлива известных объема и массы с нанесенным на него покрытием
погружают в воду. Уменьшение массы после пересчета дает плотность образца. Для учета материала покрытия образца применяют поправочные коэффициенты.
Определение теплоты сгорания. Образец топлива известной массы воспламеняется в полуавтоматическом адиабатическом калориметре, так называемой калориметрической бомбе. Выделившаяся теплота повышает температуру воды в рубашке охлаждения калориметрической бомбы с известным
водным эквивалентом, и это повышение температуры измеряется. Вводятся
поправки на присутствие провода воспламенителя и остаточного воздуха
в бомбе.
Определение скорости горения. Скорость горения топлива измеряют
в основном прямым методом. Образец топлива известной длины поджигают
с одного торца и измеряют время, в течение которого поверхность горения
300
5. Основы технологии производства твердого топлива...
достигает заданного положения зонда (термопары или незамкнутых электродов), установленного в образце ТТ. Для измерения скорости горения образцов
топлива также применяют методы акустической эмиссии и микроволновой
(СВЧ) метод.
Испытания топлива на чувствительность к внешним воздействиям.
Важными методами контроля качества являются также испытания топлива на
чувствительность к удару, трению, вибрациям и другим внешним воздействиям. Это обязательные методы для оценки опасности при производстве, обработке, хранении и транспортировке топлива.
Устройство с использованием падающего груза передает энергию последнего при ударе в образец топлива. Чувствительность к удару определяется
как наименьшая энергия, при которой наблюдается вспышка, пламя или взрыв.
Испытания на чувствительность к трению проводят следующим образом.
Образец топлива объемом 10 мм3 закрепляют на фарфоровой пластине, а затем
последнюю проталкивают под фарфоровым штифтом, прижатым к топливу
с определенным усилием, значение которого варьируют. Чувствительность
топлива к трению определяют как наименьшую силу трения, при которой наблюдается вспышка, пламя или взрыв.
Для оценки чувствительности (склонности) к детонации проводят детонационное ударное испытание. Образец топлива размещают в стальной трубе
с внутренним диаметром d = 50 мм, наружным диаметром D = 60 мм
и длиной L = 0,5 м. Затем труба подвергается детонационному воздействию
от заряда ВВ. Склонность образца топлива к детонации определяется по степени повреждения стальной трубы и, если необходимо, путем измерения
скорости детонации.
Испытания топлива на чувствительность к искровому разряду проводят
для определения реакции топлива на воздействие электростатического поля
с различным уровнем энергии. Электрическую энергию, накопленную в заряженном конденсаторе, необходимо разрядить в испытуемый образец топлива.
Для этого образец топлива помещают на специальный держатель. Конденсатор
заряжается известным потенциалом напряжения (обычно 5 кВ). Подвижная
разрядная игла приближается к образцу топлива до тех пор, пока разряд не
пройдет через образец. Метод приближающихся разрядных игл используют
наиболее часто, поскольку он наилучшим образом моделирует проблемы безопасности, связанные с чувствительностью к разряду от электростатического
напряжения. Инфракрасный анализатор применяют обычно для определения
проскока разряда и начала воспламенения образца топлива.
Термический анализ. Для определения чувствительности топлива к тепловому удару и для оценки температуры воспламенения композиций и компонентов топлива проводят термический анализ. Основные приборы для такого
анализа — дифференциальный термоанализатор, термогравиметрический
анализатор и дифференциальный сканирующий калориметр.
Дифференциальный термоанализатор позволяет определить поведение
топлива при контролируемой скорости нагрева по сравнению с эталонным
топливом.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
5.4. Контроль качества топлива
301
Термогравиметрический анализатор работает в диапазоне от температуры
окружающего воздуха до 1100 °C с запрограммированным темпом нагрева
образца при скорости сканирования до 100 °C/мин. Анализатор используют
в исследованиях термического разложения топлива, в комбинации со спектрофотометром он позволяет получить состав продуктов разложения.
Дифференциальный сканирующий калориметр, работающий с запрограммированной скоростью нагрева от 0,1 до 200 °C/мин (с шагом 0,1 °C), измеряет энергию фазового перехода. Кроме того, он позволяет определять температуру фазовых переходов (температуру структурного стеклования, плавления,
кристаллизации), теплоемкость и кинетику превращений в топливе.
Определение физико-механических свойств топлива. Один из важнейших этапов контроля качества топлива — определение его физико-механических свойств. Пределы прочности при растяжении и сжатии, относительное
удлинение, модуль упругости, коэффициент Пуассона, объемный модуль, вязкоупругие свойства приводятся в паспорте топлива, и его соответствие этим данным является обязательным требованием. Для определения перечисленных
физико-механических показателей используют универсальные испытательные
машины, обеспечивающие растяжение или сжатие образцов. Образец топлива
растягивается с заданной скоростью, и получается диаграмма «напряжение —
деформация», по которой находят предел прочности при растяжении, относительное удлинение и модуль упругости. Для определения предела прочности
при сжатии используют цилиндрические образцы топлива. Вязкоупругую характеристику топлива определяют с помощью динамических механических
анализаторов, которые позволяют получить значения модуля потерь и других
параметров.
Рентгенографический анализ. Для ТТ рентгенография — наилучший
метод неразрушающего контроля. Принцип рентгенографии основан на выявлении оптической плотности и изменения рентгеновского излучения при прохождении его через образец. Существует модификация такой методики —
радиолокация в реальном времени: рентгеновский луч, выходящий из образца
топлива, преобразуется в электроны с чрезвычайно низкой интенсивностью
и после ускорения и усиления отображается на видеомониторе. Энергия
50...400 кэВ, как правило, достаточна для просвечивания металла толщиной до
75 мм. Для просвечивания металлических стенок большей толщины используют линейные ускорители с энергией до 20 МэВ. Иридий-192 и кобальт-60
вместе могут при контроле охватывать диапазон значений толщины стали
10...200 мм.
Для развития радиографических технологий требуется создание новых
источников высоких энергий, которые позволят более четко определять свойства топливных зарядов. В реальных условиях в зависимости от типа источника и требований к чувствительности такие показатели, как рентгенографическая плотность, эффективный диаметр фокального пятна, геометрическая
резкость, затухание излучения и контрастность пленки, заметно различаются,
поэтому правильно интерпретировать результаты рентгенографических
исследований — это уже не наука, а искусство.
302
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Хроматография. Для оценки качества топлива применяют технику хроматографии. Тонкослойная хроматография — самая простая, быстрая, недорогая и относительно чувствительная техника. Комбинация пройденного соединением расстояния и полученных цветовых реакций позволяет идентифицировать
ряд компонентов топлива. Тонкослойную хроматографию применяют для идентификации НС ацетоном-метанолом (3: 2) в качестве элюента, NG толуолциклогексаном (7: 3) и др.
Жидкостная хроматография — наиболее эффективная хроматографическая техника. Ее используют для обнаружения следов металлов и солей металлов. Эта техника позволяет анализировать стабилизаторы (дифениламин,
метилцентрат, этилцентрат) и пластификаторы (диэтилфталат, диэтиленгликольдинитрат, НГ, метрионтринитрат и др.). Во многих случаях анализ всех
экстрагируемых компонентов топлива может быть выполнен одновременно.
Газовая хроматография используется для идентификации и оценки состава токсичных газов, которые обычно присутствуют в продуктах сгорания ракетного топлива. Газовую хроматографию применяют в основном для термически лабильных и летучих соединений. Пар û образца топлива вводят
в колонку, содержащую неподвижную фазу. Эти пары проталкиваются через
колонку газом-носителем, который представляет собой подвижную фазу. Если
вводится смесь различных компонентов, по-разному взаимодействующих
с неподвижной фазой, они движутся через колонку с различной скоростью
и поглощаются при разном времени удерживания. Таким образом, проводится
разделение смесей, компоненты которых идентифицируются различными детекторами, например детекторами теплопроводности, тепловой энергии или
азотно-фосфорным детектором.
Спектрофотометрия. Атомно-абсорбционный спектрофотометр используют для обнаружения следов металлов, а также солей металлов. Это аналитический метод определения элементов, основанный на поглощении излучения
свободными атомами. Для превращения неорганического вещества в свободные
атомы его вводят в виде аэрозоля в пламя горелки. Большое количество свободных атомов остается в невозбужденном, или основном, состоянии. Затем
атомы подвергаются воздействию излучения источника света. Он испускает
излучение только тех частот, которые присутствуют в спектре излучения атомов.
Соответственно, атомы испаренного в пламени вещества поглощают эти частоты только тогда, когда пламя содержит этот элемент. Как только излучение
прошло через образец, монохроматор, состоящий из дифракционной решетки
и щели, выделяет желаемую частоту излучения и передает ее в детектор.
Спектрофотометр применяют для оценки содержания оксидов металлов
(модификаторов скорости горения), присутствующих в топливе, а также для
идентификации органических и некоторых неорганических соединений. Следует отметить, что для определения максимальной длины волны спектрофотометр используют до того, как соединения будут взяты для анализа с помощью
жидкостной хроматографии.
5.4. Контроль качества топлива
303
5.4.2. Контроль качества производства смесевого топлива
В настоящее время смесевые топлива используют в большинстве твердотопливных ракет, в том числе с РПДТ. Эти топлива, как уже было отмечено,
получают сначала в виде суспензии путем смешения окислителя, горючего
(полимеров, металлов), пластификаторов, модификаторов горения, связующих
веществ, технологических добавок, отвердителей и пр. Затем суспензию заливают под вакуумом в корпус вокруг оправки соответствующей формы
и отверждают при повышенной температуре. Отвержденный заряд топлива
обрабатывают, наносят бронепокрытие и после рентгенографического контроля отправляют на хранение. Для обеспечения требуемого качества при производстве топлива проводят контроль как исходных компонентов, так и параметров производственного процесса.
Контроль качества всех твердых компонентов (окислитель, например ПА,
металлическое горючее — Al) включает проверку степени чистоты, содержания влаги, размера частиц и наличия летучих веществ. Жидкие компоненты,
как правило, контролируют более строго.
При контроле качества горючего-связующего HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами) проверяют гидроксильное число (35–40),
кислотность, вязкость, содержание влаги, определяют молекулярную массу,
плотность и летучую массу.
Контроль пластификатора включает проверку плотности, вязкости, числа
омыления, кислотного числа и показателя преломления. Контроль качества
лецитина для технологического процесса заключается в проверке содержания
влаги, наличия не растворимых в бензоле и ацетоне веществ, определении
вязкости и кислотности.
При контроле качества связующих веществ проверяют гидроксильное
число, кислотное число, наличие летучих веществ и содержание влаги, а при
контроле отверждающих веществ (отвердителей) — наличие гидролизуемого
хлора, плотность, показатель преломления и содержание изомеров.
Количество каждого компонента определяется путем взвешивания с достаточной точностью в диапазоне измерений. Смешение компонентов —
основной процесс, который определяет конечные свойства заряда смесевого
топлива. Для обеспечения качества контролируют продолжительность и температуру смешения, скорость вращения лопастей мешалки в смесителе, уровень
разрежения, вязкость до и после добавления отвердителей и содержание влаги в суспензии перед их добавлением.
В процессе литья контролируют температуру смеси, вязкость и скорость
заливки.
Отверждение — это следующая операция, при выполнении которой контролируют ее продолжительность и температуру, являющиеся основными
параметрами для обеспечения требуемого качества топлива. После отверждения топливо готово к использованию и его контролируют визуально. Кроме
того, проверяют плотность топлива, его теплоту сгорания, физико-механические свойства и химический состав.
5. Основы технологии производства твердого топлива...
304
Наряду с основными зарядами отливают и заряды для баллистических
испытаний, которые проводят, чтобы определить баллистические характеристики изготовленного топлива. Перед этими испытаниями обязательно выполняют рентгеноскопический анализ заряда. Для малогабаритных зарядов топлива достаточно рентгеновского аппарата с напряжением 450 кВ. Для
крупногабаритных зарядов, а также для контроля качества приклеивания бронировки к заряду необходимы уже рентгеновские ускорители с энергией
6 МэВ. Определение качества приклеивания бронировки к корпусу приводило
к большой нагрузке на рентгеновские аппараты, так как помимо рентгенографии заряда очень важен контроль состояния соединения и требуется выполнить
большое количество снимков для этого.
Таблица 5.6
Параметры контроля качества и зависящие от них характеристики
Технологическая стадия
Контролируемые параметры
Характеристики, зависящие
от контролируемых параметров
Производство сырья
Размер частиц, содержание Скорость горения, пористость
влаги, чистота и летучесть
компонентов
Смешение
Последовательность внесе- Гомогенность, текучесть
ния компонентов, уровень
разрежения, температура,
вязкость
Отливка
Размеры формы, вязкость, Способность к отверждению,
уровень разрежения, темпе- извлекаемость из формы, поратура
розность
Отверждение
Продолжительность процес- Тепловые нагрузки, механичесса, температура
кие свойства
Неразрушающий
контроль
Наличие трещин и пустот
Механическая обработка, бронирование
Габаритные размеры, проч- Внутрибаллистические харакность соединения
теристики
Продолжительность цикла изготовления, процент брака
Проверка бронеМеханические свойства, ско- Прогнозируемые тяговоимпокрытия и двигателя рость горения, чувствитель- пульсные характеристики, уроность к внешним факторам вень безопасности
Типичный перечень контролируемых параметров при изготовлении топлива и важнейшие характеристики технологического процесса и топливного
заряда, на которые они оказывают влияние, приведен в табл. 5.6.
После изготовления поверхность зарядов смесевых топлив подвергают
ингибированию и отправляют на хранение.
5.5. Безопасность процессов производства топлива
305
5.5. Безопасность процессов производства топлива
5.5.1. Причины аварий
При производстве ракетных двигателей на ТТ, в том числе РПДТ, приходится работать с пожаровзрывоопасными, токсичными и коррозионно-агрессивными веществами и материалами. В связи с этим безопасность производства топлива является строго обязательным условием. Как правило, причины
опасностей на производстве кроются в низком уровне знаний, небрежности
и халатности персонала.
Обеспечение пожаро- и взрывобезопасности — одна из самых сложных
задач, связанных с необходимостью сохранять баланс между эксплуатационнотехническими требованиями и опасностью при работе с чувствительными
энергоемкими веществами. В процессе производства топлива необходимо
выполнить целый ряд требований безопасности, чтобы устранить источники
воспламенения. Все вещества, используемые при производстве топлива, должны оставаться безопасными и стабильными при переработке, транспортировке и хранении.
Взрывоопасность — свойство любой динамически возбужденной двухфазной энергонасыщенной системы. Альфред Нобель испытал все возможные
неудачи при работе с нитроглицерином и нитроцеллюлозой. За последние
100 лет во многих странах произошло несколько крупных аварий из-за
пожаров, взрывов и случайного падения боеприпасов. В странах НАТО за это
время более 6 тыс. человек погибли, а 16 тыс. человек получили тяжелые
ранения.
Большинство аварий произошло из-за пиротехники и пиротехнических
устройств (табл. 5.7), за ними в качестве причины аварий следуют взрывчатые
вещества. Сравнительно меньшее количество аварий произошло с топливом.
Доминирующим фактором во всех несчастных случаях оказалось трение.
Таблица 5.7
Статистика причин аварий, %
Фактор воздействия
Пиротехника
Топливо
Взрывчатые вещества
Удар
6
10
13
Трение
66
47
65
Воспламенение
4
3
7
Нагрев
24
40
15
Процент инцидентов, приведших к травмам/смерти, в случае использования
пиротехники был 31/3; топлива — 8/0; взрывчатых веществ — 19/1.
Использование технологических достижений в области производства топлива, непрерывный контроль качества при его производстве и хранении, строгое соблюдение персоналом правил техники безопасности, внедрение систем
раннего предупреждения и защитных устройств, контроль состояния топлива
306
5. Основы технологии производства твердого топлива...
и окружающей среды позволили существенно снизить вероятность аварий
и несчастных случаев.
Современная концепция обеспечения безопасности при производстве топлива базируется на детальном анализе технологических процессов и количественной оценке риска аварий и включает:
• анализ возможных последствий взрыва;
• анализ риска для персонала, находящегося во взрывоопасной зоне;
• оценку вероятности взрыва;
• выбор критериев для приемлемых рисков;
• анализ затрат на обеспечение взрывобезопасности.
Исследования показали, что человеческий фактор является причиной почти 90 % инцидентов при производстве ТТ, причем 70 % этих инцидентов
можно было предотвратить действиями персонала. Этот факт свидетельствует
о решающем значении систематического подхода к управлению производственной безопасностью и о необходимости учитывать человеческий фактор как
отдельный элемент. Однако осознание низкой вероятности возникновения
опасного события может привести к самонадеянности и беспечности отдельных работников. В связи с этим очень важно обеспечить более полное понимание необходимости эффективного управления безопасностью производства.
Обучение (просвещение) по вопросам пожаровзрывобезопасности —
неотъемлемый элемент любой правильной организации производства. Отсутствие систематического, регулярного обучения и контроля за усвоением
и выполнением требований производственной безопасности — основная причина ошибок персонала.
5.5.2. Классификация опасностей
Взрыво- и пожароопасные материалы разделены на следующие классы:
взрывчатые вещества (ВВ); газы; легковоспламеняющиеся жидкости; легковоспламеняющиеся твердые вещества; ядовитые вещества; радиоактивные
вещества; коррозионные вещества; прочие материалы.
Твердые ракетные топлива относятся к первому классу (т. е. к ВВ), в составе которого имеются шесть подклассов.
1.1. Взрывоопасные материалы. Основной опасностью для веществ этого
подкласса являются взрыв, высокая скорость распространения пламени и пожар. Материальный ущерб, вызванный взрывом, пропорционален количеству
ВВ и зависит от его типа. К взрыву приводят инициаторы, ВВ, а также процессы смешения чувствительных компонентов топлива.
1.2. Материалы, обладающие незначительной склонностью к массовому
взрыву, однако при взрыве дающие большой фугасный эффект с возникновением пожара. Эти материалы могут взорваться при ударном воздействии, но
воздействие взрыва ограничено ближайшей окрестностью. Такими веществами оснащены боеприпасы, гранаты, ракеты.
1.3. Изготовленные заряды топлива, обладающие незначительной склонностью к взрыву, но способные вызвать значительные по масштабу пожары,
которые сопровождаются интенсивным тепловыделением.
5.5. Безопасность процессов производства топлива
307
1.4. Пожароопасные материалы, не склонные к взрыву. К ним относятся,
например, материалы в боеприпасах для стрелкового оружия.
1.5. Материалы, которые не содержат веществ, склонных к взрыву. Существует незначительная вероятность инициирования или перехода от горения
к детонации при нормальных условиях транспортировки. Этот подкласс не
включает ВВ.
1.6. Материалы, не склонные к взрыву даже при случайном инициировании
или ударных воздействиях. Этот подкласс не включает ВВ.
Пожар — одна из основных опасностей при производстве, хранении, транспортировке и использовании топлива. Для воспламенения, а также последующего развития и распространения пожара требуются окислитель, горючее
и источник энергии.
Пожароопасные материалы подразделяют на четыре класса. К классу
«А» относятся твердые органические материалы (древесина, бумага, текстиль,
резина и т. п.). Материалы класса «В» включают как жидкие, так и сжиженные
газообразные вещества (спирты, нефть, краски, водород, пропан, ацетилен
и пр.). К материалам класса «С» относятся горючие газы (водород, метан,
пропан и др.). Материалы класса «D» включают металлы и их сплавы, такие
как калий, натрий, алюминий, цирконий и т. п.
Одним из источников пожара может быть статическое электричество,
которое иногда называют убийцей-невидимкой. Если возникает трение между
двумя различными непроводящими телами, то одно тело получает положительный заряд, а другое — отрицательный. Когда накопленный электростатический
потенциал превысит потенциал пробоя среды, происходит высоковольтный
разряд с малым током в виде «искры». Энергия воспламенения чувствительного компонента топлива, как правило, невелика (всего около 0,001 Дж), поэтому накопленный электростатический заряд, имеющий достаточную энергию,
может воспламенить заряд топлива. Со статическим электричеством связаны
два типа опасностей: инициирование воспламенения топлива искровым разрядом вследствие трения и разрядом при непроизвольном контакте персонала
с топливным зарядом.
Опасность от радиационного излучения практически не возникает на этапе
производства зарядов топлива, однако имеет место при проведении неразрушающего контроля изготовленного заряда, так как источники рентгеновского
излучения используются для обнаружения дефектов, трещин, пористости
и пустот. При выполнении такого вида работ по контролю качества необходимо предусматривать защиту персонала от излучения, что требует назначения
пределов эксплуатационных доз.
Основными причинами аварий при работе с топливом, как уже отмечалось,
могут быть трение, нагрев, влияние ударной волны, излучение, электрический
разряд и др. Однако первый этап в цепочке событий, сопровождаемых выделением энергии, которая, в свою очередь, приводит к разрушениям и ущербу, — это
всегда процессы воспламенения и горения. Таким образом, каждый случайный
взрыв в некотором смысле можно рассматривать как следствие пожара.
Первичные ВВ взрываются непосредственно при воспламенении. Вторичные ВВ нуждаются в инициировании для последующей детонации. Соответ-
308
5. Основы технологии производства твердого топлива...
ственно, существуют определенные критерии классификации тепловой
чувствительности топлива. Так, к категории «А» относят высокочувствительные материалы с температурой воспламенения ниже 200 °С, к категории
«В» — высокоэнергетические материалы с температурой воспламенения
201...300 °C, например смесевое топливо с температурой воспламенения
250 °C. К категории «С» относят сравнительно нечувствительные материалы
с температурой воспламенения выше 300 °С.
5.5.3. Меры безопасности при производстве топлива
В процессе производства топлива все операции подлежат тщательному
контролю для обеспечения безопасности.
Смешение компонентов топлива, отнесенного к подклассу 1.1 (см. 5.5.2),
представляет большую опасность взрыва. Смешение следует проводить
в здании с дистанционно контролируемой подачей компонентов и контролем
работы оборудования.
Компоненты топлива смешивают как в горизонтальных смесителях с сигмообразными лопатками, так и в вертикальных планетарных смесителях. Смесители с сигмообразными лопатками постепенно, по мере наработки, выходят
из строя вследствие воздействия на подшипники топливной смеси и уплотнения как в процессе работы, так и при загрузке компонентов.
В смесителях любого типа для обеспечения наиболее полного перемешивания компонентов требуется очень малый зазор как между лопатками мешалки, так и между лопатками и стенками смесителя. Любое случайное падение
инородного материала может привести к пожару. Во избежание этого компоненты при загрузке в смеситель пропускают через сито. Кроме того, вращение
лопаток мешалки допускается только в одном направлении, без возможности
реверсивного движения.
Резание и сверление зарядов топлива также представляет собой взрывоопасные операции, для которых требуется оборудование с дистанционным
управлением и различными мерами защиты. Для исключения влияния человеческого фактора устанавливают предохранительные концевые и аварийные
выключатели. Кроме того, применяют инструменты, не образующие искр при
работе.
Защита от статического электричества осуществляется за счет эффективного заземления не только оборудования, но и работающего персонала.
Основной причиной возникновения статического электричества является, как
известно, разность потенциалов, которая сводится к нулю путем соединения
двух тел проводником, который также заземляется. При этом следует избегать,
насколько это возможно, использования непроводящих материалов на рабочих
местах, синтетической одежды, непроводящей обуви и непроводящих полов
в помещениях. Непроводящие полы практически не могут обеспечить защиту
от накопления статического электричества, так как их электрическое сопротивление быстро меняется при изменении условий окружающей среды (влажность, температура и т. п.). Сухие условия благоприятствуют накоплению
5.5. Безопасность процессов производства топлива
309
электростатического заряда. Работник (емкость тела ~100 пФ), носящий синтетическую одежду и непроводящую обувь, может накапливать потенциал
25...40 кВ при ходьбе, движении рук и т. п. Эти движения способствуют накоплению на теле работника электрической энергии примерно 165 мДж.
Отметим, что в настоящее время при производстве топлива активно используют все более чувствительные компоненты, поэтому опасность от воздействия статического электричества возрастает. В связи с этим требуются
повышенные меры безопасности как при производстве топлива, так и при
проведении испытаний для оценки его качества.
5.5.4. Общие требования техники безопасности
Некоторые общие (типовые) требования и правила техники безопасности
при производстве и испытаниях топлива приведены ниже.
1. Пол и рабочее место должны быть свободными от предметов, инструментов, приспособлений и материалов, не требующихся при выполнении
штатных операций.
2. Не допускается подвергать заряды топлива рывкам, трению или ударам
при механической обработке, транспортировке и хранении.
3. Обязательно наличие емкостей с песком и водой. Огнетушитель должен
быть размещен рядом, в удобном месте и готов к применению.
4. Необходимо использовать средства для защиты персонала, такие как
специальные ботинки, ушные и носовые маски, защитные очки.
5. Необходимо убедиться, что все машины в зоне производства заземлены.
6. Двери и окна, где это возможно, должны быть открытыми во время
работы.
7. Периодически следует проверять электростатический разрядник.
8. Всегда следует выключать электропитание после завершения работ.
Необходимо убедиться, что после завершения работ помещения закрыты.
9. Курение в производственной зоне строго запрещено.
10. Необходимо убедиться, что система подачи воды (сплинкер) включена
во время изготовления топлива.
11. Следует убедиться, что загрузочный бункер на подающих отверстиях
снабжен ситом во время обработки порошкообразного сырья.
12. Необходимо удалить из контейнеров пакеты из силикагеля после вскрытия барабанов перед загрузкой порошка для его смешения и измельчения.
13. Загрузка материалов должна проводиться с помощью хлопковых мешков и посредством мостовых кранов.
14. Разгрузка материалов должна проводиться в правильно маркированные
барабаны.
15. Нельзя подавать окислитель (например, ПА) без заземления лотка.
16. Требуется убедиться, что модификаторы и окислитель высушиваются
в отдельных печах.
17. Проливы литейной жидкости следует удалять диэтилфталатом, смоченным хлопковыми отходами, а затем очищать растворителем.
310
5. Основы технологии производства твердого топлива...
18. Всегда следует включать смеситель пустым, чтобы обеспечить правильное функционирование перед запуском программы смешения.
19. Нельзя запускать лопатки мешалки в смесителе в противоположных
направлениях.
20. Перед запуском вакуумного насоса следует обеспечить циркуляцию
воды в нем.
21. Перед загрузкой компонентов следует проверить чистоту емкостей
смесителя.
22. Необходимо проверить уровень воды в печах с водяной рубашкой при
отверждении топлива.
23. Требуется убедиться до начала операции отверждения топлива, что
температура, индицированная на панели управления, и фактическая температура в печи одинаковы.
24. Следует надежно закрепить пресс-форму и корпус двигателя внутри
печи и убедиться в том, что свободного пространства достаточно для работы.
25. Требуется выключать печь во время других операций в производственном помещении.
26. Необходимо использовать перчатки из асбестовой ткани для работы
с горячими формами.
27. Необходимо выключать печь после отверждения топлива и удалять
пресс-форму и двигатель только после достижения температуры окружающей
среды.
28. Нельзя открывать печь во время ее работы.
29. Нельзя размещать в печи избыточное количество пресс-форм.
30. Не допускается оставлять сырье для сушки в той же печи, в которой
находится суспензия топлива для отверждения.
31. Следует поддерживать скорость, подачу и глубину резания согласно
заданной программе во время обработки.
32. Необходимо обеспечить непрерывный поток воды на заготовку и режущий инструмент в случае мокрой обработки.
33. Следует принимать только один заряд на разрезку, обрезку и другие
операции механической обработки.
34. Требуется убедиться в подаче воды при обработке топлива.
35. Если при механической обработке топлива наблюдается искрение,
следует подавать струю воды на заряд.
36. Необходимо поддерживать относительную влажность воздуха в процессе производства топлива в диапазоне 55...65 %. При влажности меньше
нижнего предела заряд топлива становится чувствительным к трению и удару.
37. Не допускается перевозить топливо в открытом виде. Для этой цели
всегда необходимо накрывать заряды.
38. Следует при любых движениях и перемещениях материалов избегать
трения.
39. Нельзя сжигать куски топлива в куче. Необходимо равномерно распределить их, чтобы сформировать участок для сжигания.
40. Экспериментальные партии следует утилизировать отдельно.
5.6. Структурная целостность заряда топлива
311
5.6. Структурная целостность заряда топлива
5.6.1. Влияние режимных параметров на структурную целостность
твердого топлива
Структурная целостность топливного заряда — один из важнейших факторов, обеспечивающих надежность эксплуатации двигателя и выполнение
полетного задания. На каждом этапе жизненного цикла топливо как твердое
вещество подвергается воздействию окружающей среды и внешних сил, которые могут нарушить его структурную целостность. Практически во всех
случаях обычным является следующее требование к заряду топлива: он должен
выдерживать продольные перегрузки в полете (40–100)g (где g — ускорение
свободного падения). Однако имеются и такие двигатели, топливные заряды
которых должны выдерживать перегрузки, значительно большие, чем 100g.
Необходимость освоения больших сверхзвуковых скоростей полета самолетов
с твердотопливным ракетным вооружением приводит к повышению напряжений в заряде топлива из-за многократных переменных термических и аэродинамических нагрузок как при взлете, так и в полете и при посадке самолета-носителя. Таким образом, структурная целостность заряда топлива
должна быть достаточной, чтобы выдерживать эти напряжения и обеспечить
надежность на уровне 0,999 для безопасной эксплуатации.
Во время автономного полета твердотопливных ракет с РПДТ в атмосфере при сверхзвуковых и, в будущем, при гиперзвуковых скоростях происходит
весьма интенсивный нагрев корпуса и заряда топлива в результате торможения
потока воздуха. Для зарядов больших калибров возможно нарушение связи
между ТЗП, защитно-клеевым слоем, корпусом и топливом, вызванное высокой температурой. Следствием этих нарушений может стать отрыв одной
части от другой или разрыв, что приведет к катастрофе в полете. Кроме того,
при высокоскоростном вращении ракетного снаряда вокруг продольной оси
возникают эффекты, влияющие на газодинамику потока в камере, скорость
горения топлива, осаждение к-фазы на стенки двигателя. Это может привести
к серьезным эрозионным эффектам и нарушениям циклограммы тяги.
Для определения структурной целостности заряда необходимо знать
физико-механические свойства топлива, зависящие от времени и температуры.
Баллиститные двухосновные топлива имеют приемлемые физико-механические
свойства в относительно узком диапазоне температур, а зарубежные смесевые
топлива на основе PBAN, CTPB или HTPB — весьма высокие физико-механические свойства в широком температурном диапазоне. Однако оптимизация
физико-механических свойств топлива становится очень важной задачей при
создании новых типов ракет с РДТТ и РПДТ. Важную роль при этом играет
тип полимера (связующего вещества), молекулярная масса, молекулярномассовое распределение, химическая структура и сшивка молекул.
Различные виды испытаний, используемых для определения физико-механических свойств в целях их оптимизации, основаны на разных методах: одноосного и многоосных нагружений, испытаний на деформацию, сдвиг, отрыв,
модуль упругости при растяжении, оценку теплового напряжения и т. п.
312
5. Основы технологии производства твердого топлива...
При тепловом расширении и сжатии во время циклических тепловых нагрузок заряд топлива не должен оказаться хрупким при низкой температуре
(иначе он будет растрескиваться) и слишком эластичным при высокой температуре (во избежание деформации). В случае скрепленных с двигателем зарядов различное расширение корпуса и топлива усиливает напряжения на
защитно-клеевом слое. При сложной форме заряда топлива это приводит
к концентрации напряжений. Физические свойства двухосновных топлив зависят от вязкоупругого поведения НЦ, модифицированной различными пластификаторами. Если полимер является линейным, частично кристаллическим,
сильнополярным и сшитым, вязкоупругое поведение становится более сложным
вследствие как упругих, так и пластических деформаций.
В двухосновных топливах тип и содержание НЦ играет важную роль. Как
влияет НЦ на такие параметры, как предел прочности на разрыв и относительное удлинение, хорошо видно на рис. 5.10. Эти данные получены для НЦ
с содержанием азота 12,6 %. Нитроцеллюлоза с меньшим содержанием азота
(12,2 %) имеет более высокие физико-механические свойства, чем НЦ с содержанием азота 12,6 и 13,1 %.
Физико-механические свойства смесевых топлив зависят от вязкости горючего-связующего, объемной концентрации и распределения частиц окислителя по размерам.
Отметим, что термовязкоупругое поведение смесевого топлива существенным образом определяется взаимодействием частиц окислителя и частиц горючего-металла с материалом горючего-связующего. Это взаимодействие
Рис. 5.10. Температурная зависимость предела прочности на разрыв (а)
и относительного удлинения (б) при различном содержании НЦ в двухосновном топливе
5.6. Структурная целостность заряда топлива
313
Рис. 5.11. Зависимость от относительного удлинения
напряжения σ (1) и относительного увеличения объема
δV (2) при растяжении (температура –28,9 °С, скорость
растяжения 50,8 мм/мин)
влияет на напряжения или деформацию поверхности контакта частиц и горючего-связующего в местах напряжений, что может привести к отслаиванию.
Возникновение микроскопических зон напряжений вызывает механическое
разрушение заряда топлива.
На рис. 5.11 приведены результаты испытаний на растяжение образца
смесевого топлива при низкой температуре. Полученное увеличение объема
при больших уровнях напряжений вблизи зоны разрушения может достигать
15...20 % увеличения объема при одноосном нагружении. Такое увеличение
объема материала во время нагрузки свидетельствует о нарушении сплошности
даже при умеренных уровнях деформации. Последствия такого микроструктурного поведения горючего-связующего в сочетании с термовязкоупругими
эффектами весьма трудно воспроизвести при моделировании разрушающего
поведения для анализа структурной целостности.
Анализ структурной целостности заряда — это оценка способности твердотопливного ракетного или ракетно-прямоточного двигателя выполнять требования полетного задания в данных условиях. Анализ структуры заряда
позволяет определить напряжения и деформации, которые заряд ТТ будет
испытывать в заданной среде. Затем структурный анализ объединяют с анализом отказов для определения условий, при которых двигатель будет работать
нормально. Поскольку рабочие условия эксплуатации, как правило, заранее
определены, анализ используют для вычисления минимального коэффициента
надежности двигателя.
Для того чтобы оценить уровень структурной целостности, необходимо
определить нагрузки, которые будет испытывать двигатель, изменения свойств
314
5. Основы технологии производства твердого топлива...
материала компонента, критерии отказа и требуемый коэффициент надежности
как при хранении, так и в полевых условиях.
Транспортные и погрузочно-разгрузочные нагрузки — это нагрузки, вызванные ударами и вибрациями во время перевозок, при полете под крылом
самолета для ракет, запускаемых в воздухе, и т. п. Вибрационные нагрузки,
которые, как правило, быстро затухают, обычно вызывают небольшие напряжения по сравнению с термическими напряжениями и, кроме того, они меньше динамических нагрузок в полете ракеты, однако их следует учитывать при
анализе аварий в условиях комбинированных нагрузок.
Нагрузки сжатия возникают в момент воспламенения заряда и действуют
при горении топлива во время работы двигателя как в полете, так и при испытаниях. Эти нагрузки создают статические напряжения сжатия на торцах
заряда. Когда происходит воспламенение, давление, которое, как правило,
быстро возрастает до максимального уровня, вызывает предельную нагрузку.
Свойства топлива, структура заряда и жесткость корпуса двигателя определяют возникающие напряжения и деформации.
При использовании критериев отказа для заряда топлива следует учитывать
не только уровень нагрузок, но и предысторию нагрузок и температур, эффекты химического старения и конечную деформацию. Важно отметить, что не
существует универсальных критериев отказа для зарядов топлива. Изменения
свойств материала, которые происходят во время химического старения, могут
привести к изменению вида разрушения. Соответственно, критерий отказа,
который казался вполне приемлемым, должен быть заменен.
5.6.2. Старение топлива и деградация свойств зарядов
Назначенный ресурс твердотопливных ракетных и ракетно-прямоточных
двигателей — один из основных показателей надежности эксплуатации ракетной техники. Этот ресурс в значительной степени зависит от качества топлива и срока его службы.
В течение назначенного ресурса топливо подвергается воздействию различных внешних факторов, хотя и приводящих к его старению с деградацией
химических, физико-механических и баллистических свойств, но допускающих
его надежную эксплуатацию. Назначенный срок службы топлива может быть
продлен, для этого должны быть проведены специальные испытания топлива
и получены положительные результаты.
К основным явлениям старения топлива относятся:
• миграция его компонентов в направлении защитно-клеевого слоя;
• потеря части компонентов;
• ухудшение связи между топливом и защитно-клеевым слоем;
• ослабление связи между топливом и корпусом двигателя.
При старении топлива ухудшаются его физико-механические свойства,
такие как пределы прочности на разрыв и на сжатие, модуль упругости и прочие, что может приводить к образованию каверн и трещин. Изменения баллистических свойств — это изменение скорости горения при различном давлении,
5.6. Структурная целостность заряда топлива
315
потеря удельного импульса, нестабильное горение, а также колебание давления
и изменение коэффициента температурной чувствительности.
К факторам, влияющим на срок службы топлива, относятся:
• условия его хранения;
• влажность;
• цикличность изменения температуры;
• разложение топлива;
• образование трещин и их рост;
• диффузия компонентов;
• напряженно-деформированное состояние и др.
Баллиститные двухосновные топлива, состоящие из НЦ, НГ, стабилизаторов, пластификаторов и других компонентов, имеют длительный срок хранения
(20...25 лет). Это позволяет использовать их в различных устройствах, для
которых не требуется большая энергонасыщенность топлива. Смесевые
топлива, содержащие окислитель (ПА, гексоген, октоген и др.), металлическое
горючее (Al, В) и полимерное горючее-связующее (HTPB, CTPB), более энергоемкие, их удельный импульс (Iу > 2400 м/с) выше, чем Iу двухосновных топлив. Смесевые топлива стабильнее горят при низких значениях давления
(1,5...2,5 МПа). Однако они имеют меньший срок службы и более низкие
физико-механические свойства. Кроме того, их недостатком является то, что
топлива на базе Al дают дымные продукты сгорания.
Комбинированные (модифицированные) ракетные топлива содержат как
двойную базовую матрицу, обогащенную горючим, так и обогащенные кислородом смесевые топлива. Следовательно, они способны давать более высокий удельный импульс (Iу > 2600 м/c) и обладают лучшими физико-механическими свойствами, чем обычные смесевые топлива. Благодаря высокому
удельному импульсу и лучшим физико-механическим свойствам комбинированные топлива широко применяют в твердотопливных тактических и стратегических ракетах зарубежных стран. Сшивание ненасыщенной гидроксильной группы НЦ в комбинированных топливах дополнительно усиливает
физико-механические свойства. Комбинированное топливо, в котором растворенное в азотном эфире горючее-связующее входит в матрицу, пригодно для
эксплуатации в условиях низких температур. Такое топливо имеет удельный
импульс Iу = 2800 м/с и скорость горения 50...200 мм/с.
Различные нарушения функционирования двигателей при старении топлива происходят вследствие растрескивания заряда под влиянием термически
индуцированных напряжений, вибраций, ударов, разделения компонентов,
повышения давления и пр. Оценка нарушений функционирования базируется
на испытаниях полноразмерных двигателей с определением напряженнодеформированного состояния методом конечных элементов.
Для сокращения расходов, связанных с большим количеством испытаний
натурных двигателей, используют метод ускоренного старения топлива. При
этом предполагается, что деградация топлива и ухудшение его свойств происходят не скачкообразно, а монотонно в течение определенного периода времени и зависят от условий хранения или эксплуатации.
316
5. Основы технологии производства твердого топлива...
Метод ускоренного старения обычно применяют для прогнозирования
срока службы новых, недавно разработанных двигателей. Однако данный
метод имеет существенный недостаток: он не отражает реальную картину
эксплуатации. Неоднократно оказывалось, что сроки службы, спрогнозированные с использованием этого метода, намного меньше фактических сроков. Во
время испытаний на ускоренное старение РДТТ подвергаются нагреву до высоких значений температуры (+50...+60 °C) и выдержке при нормальных условиях (+20...+25 °C) и контролируемой влажности.
В режиме реального времени проводят проверку РДТТ, находящихся
на хранении в различных условиях, — контролируют структурную целостность топлива и баллистические характеристики в течение срока хранения
(10...20 лет). Такая схема контроля предусматривает периодическую выборку
и формирование данных, которые затем сравнивают с базовыми данными.
Окончательный вывод с рекомендациями к применению делают только после
огневых стендовых испытаний двигателей. Однако это трудоемкий и дорогостоящий метод контроля. Кроме того, применяется вероятностный подход для
прогнозирования срока службы РДТТ.
5.6.3. Продление назначенных сроков службы твердотопливных
и ракетно-прямоточных двигателей
Увеличение назначенных сроков службы находящихся на хранении РДТТ
и РПДТ имеет очень большое значение ввиду их высокой стоимости. На практике в зарубежных фирмах рекомендована следующая методика продления
назначенного срока службы двигателей ракет, если этот срок исчерпан.
1. Оценка химической деградации топлива. Химическую деградацию
топлива оценивают путем качественного и количественного анализа компонентов: НЦ, НГ, стабилизатора, пластификатора, модификаторов горения для
двухосновного топлива, а также ПА, гексогена, октогена, горючего-металла,
горючего-связующего и добавок для смесевого топлива. Для этого используют
инструментальные методы контроля, определяют теплоту сгорания топлива
и проводят испытания на стабильность.
2. Рентгенографический анализ. Двигатель после исчерпания назначенного
срока службы подвергается рентгенографии по меньшей мере в двух направлениях, по всей длине корпуса. В результате старения в топливе образуются
пустоты, газы и трещины, которые со временем увеличиваются. Следует
отметить, что развитие трещин в заряде топлива — очень сложный процесс.
Огневые стендовые испытания проводят на двигателе, проверенном (с положительным результатом) рентгенографическим методом. Результаты рентгенографических исследований учитываются на заключительном этапе разработки
двигателя.
Как правило, обнаруженные дефекты подразделяют на три категории:
незначительные, основные и критические. Рентгенографические исследования
позволяют выявить основные и критические дефекты заряда. К критическим
дефектам относятся образование трещин и отслоение заряда от корпуса раке-
Контрольные вопросы
317
ты или отделение защитно-клеевого слоя от заряда топлива. На основе характера и количества обнаруженных дефектов принимается обоснованное решение о качестве топлива.
3. Определение физико-механических свойств. Физические изменения
в топливе выявляют путем определения механических свойств при трех значениях температуры: +25, –40 и +55 °C. Образцы для испытаний вырезают
и обрабатывают из топлива с исчерпанным сроком службы. Определение физико-механических свойств топлива позволяет получить количественные значения прочности на сжатие, относительной деформации при сжатии, модуля
сжатия, прочности на разрыв, относительного удлинения и модуля упругости,
которые указывают на изменение физико-механических свойств в процессе
старения.
4. Определение баллистических характеристик. Для определения изменений баллистических параметров, таких как скорость горения, максимальное
давление, время воспламенения, пиковое давление воспламенения, характеристическая скорость и т. п., в процессе старения проводят огневые стендовые
испытания двигателя. Эти испытания проходят при низкой (–40 °C) и высокой
(+55 °C) температуре. Полученные баллистические параметры сравнивают
со значениями, первоначально определенными на этапе разработки. Если измеренные циклограммы давления и период задержки воспламенения совпадают с установленными значениями, срок службы продлевают на определенный
период. Испытания повторяют через два-три года.
После критического анализа результатов, полученных при определении
химического состава, плотности, теплоты сгорания, баллистических и физикомеханических свойств, при проведении рентгенографического исследования
и т. п., принимается решение о продлении назначенного срока службы.
Контрольные вопросы
1. Из каких компонентов изготовляют баллиститное твердое топливо?
2. Для чего в состав баллиститного топлива вводят стабилизаторы и пластификаторы?
3. Из каких компонентов изготовляют смесевое твердое топливо? Назовите назначение каждого компонента.
4. Какие основные требования предъявляют к металлическому горючему,
горючему-связующему и окислителю?
5. В чем заключаются требования к технологическим добавкам в смесевом
топливе?
6. Какие виды технологий производства твердого топлива вы знаете?
7. Каковы основные этапы производства баллиститного твердого топлива
методом экструзии?
8. Из каких основных этапов состоит литьевая технология производства
баллиститного топлива?
9. Как организован типовой технологический процесс производства смесевого твердого топлива?
318
5. Основы технологии производства твердого топлива...
10. Как осуществляется подготовка корпуса ракетного двигателя к заливке
топливом?
11. Для чего применяют теплозащитное покрытие и как проводят его установку в корпусе ракетного двигателя?
12. Как выполняются тепловые операции перемешивания топливной массы и заливки ее в корпус двигателя?
13. Какова технология производства твердого топлива методом экструзии?
14. В чем особенности производства твердого топлива для ракетно-прямоточных двигателей?
15. Какие требования предъявляют к защитно-крепящему слою и из каких
компонентов он состоит?
16. В чем заключаются основные требования к бронировке заряда твердого топлива?
17. Какие технологии покрытия заряда бронировкой вы знаете?
18. Какие виды контроля вы знаете? Как контролируется качество компонентов твердого топлива?
19. Как осуществляются испытания топлива на чувствительность к внешним воздействиям?
20. Каким образом определяются чувствительность топлива к тепловому
удару и температура воспламенения?
21. Какие физико-механические свойства необходимо определять в процессе контроля качества твердого топлива?
22. Каковы методы неразрушающего контроля твердого топлива?
23. Какие показатели топлива позволяют определять методы хромотографии
и спектрофотометрии?
24. Каковы причины аварий при производстве твердого ракетного топлива?
Приведите статистику аварий.
25. Как обеспечивается производственная безопасность при перемешивании
компонентов твердого топлива?
26. Каковы общие требования техники безопасности при производстве
и испытаниях твердого топлива?
27. От каких внешних факторов зависит структурная целостность заряда
твердого топлива?
28. В чем проявляются старение топлива и деградация зарядов?
29. Каковы пути повышения назначенных сроков службы твердотопливных
двигателей?
30. Какие физические изменения определяют в топливе с исчерпанным
сроком службы и при каких температурах?
Литература
1. Бор, его соединения и сплавы / под ред. Г.В. Самсонова. Киев: АН УССР,
1960. 590 с.
2. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1977. 360 с.
3. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.
4. Кепман А.В., Макаренко И.В., Страхов В.Л. Экспериментальное исследование комплекса термохимических, теплофизических свойств и кинетики
процесса отверждения полимерных композиционных материалов // Композиты
и наноструктуры. 2016. Т. 8. № 4. С. 251–264.
5. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Л.: Энергия, 1973. 336 с.
6. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. 299 с.
7. Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах.
Основы проектирования и экспериментальной отработки / В.А. Сорокин
и др. М.: Физматлит, 2010. 320 с.
8. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Кузнецов Г.В., Рудзинский В.П. Тепломассообмен в тепло- и огнезащите с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации, уноса массы и вспучивания-усадки // Математическое моделирование. 2000. Т. 11, № 5. С. 107–113.
9. Страхов В.Л., Кузьмин И.А. Математическое моделирование физикохимических свойств внутренней теплозащиты / Механика и процессы управления. Т. 1. Мат. XXXXIV Всерос. симп. по механике и процессам управления.
М.: РАН, 2014. С. 87–97.
10. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное
издание в 4 т. Т. II / Л.В. Гурвич и др. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 915 с.
11. Физические величины: справочник / А.П. Бабичев [и др.]; под ред.
И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
12. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: ГФМЛ, 1962. 456 с.
13. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А. Гидрид лития. М.: Изд-во стандартов,
1972. 106 с.
14. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей /
В.Н. Бакулин и др.; под ред. Л.С. Яновского. М.: Физматлит, 2009. 400 с.
15. Advances in Chemical Propulsion: Science to Technology / G.D. Roy (ed.).
Boca Raton: CRC Press, 2002. 525 p.
320
Литература
16. ANES/20XE: Код для численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена. Версия 2.10. Описание математических моделей
кода. М.: 2015. 98 с. http://anes.ch12655.tmweb.ru/index.php/skachat/139distributiv-koda.
17. Athawale B.K., Asthana S.N., Singh H. Metallised Fuel Rich Propellants for
Solid Rocket Ramjet // Defence Science Journal. 1994. V. 44 (4). P. 269–278.
18. Bhat V.K., Singh H., Rao K.R.K. Processing of High Energy Cross-Linked
CMDB Propellants // Proceeding of 18th International Conference of ICT. Karlsruhe,
Germany, 1–3 July 1987. P. 1–10.
19. Chemistry and Physics of Energetic Materials / S.N. Bulusu (ed.). Kluwer:
Kluwer Academic Publishers, 1990. 224 p.
20. Dendage P.S., Sarwade D.B., Asthana S.N., Singh H. Hydrazinium nitroformate
(HNF) and HNF Based Propellants: A review // J. of Energetic Materials. 2001.
V. 19 (1). P. 41–78.
21. Energetic Materials / J.E. Field, P. Gray (ed.). London: The Royal Society,
1992. 566 p.
22. Fordham S. High Explosives and Propellants. 2d ed. N. Y.: Pergamon Press,
1980. 207 p.
23. Jensen G.E., Netzer D.W. Tactical Missile Propulsion: Progress in Astronautics
and Aeronautics. Reston: AIAA, 1996. V. 170. P. 469–496.
24. Modelling and Performance Prediction in Rockets and Guns / S.R. Chakravarthy, S. Krishnan. Chennai: Allied Publishers Limited, 1998. 227 p.
25. Propulsion Techniques Action and Reaction / P.J. Turchi (ed.). Reston: AIAA,
1998. 378 p.
26. Service Life of Solid Propellant Systems / AGARD-CP-586, Papers from
Symposium in Athens, Greece, 10–14 May 1996. 498 p.
27. Singh H. Advanced Solid Propellants for Propulsion of Futuristic Missiles //
Proceeding of 1st International Seminar on Force Multiplier Technologies for Naval
and Land Warfare, New Delhi, 13–15 Oct. 1999. P. 91–103.
28. Singh H., Rao K.R.K. Lead Aliphatic Mono- and Di-Carboxylates as Ballistic
Modifiers // J. of Spacecrafts and Rockets. 1982. V. 99 (5). P. 478–480.
29. Singh H., Rao K.R.K. Platonisation in Double Base Rocket Propellants //
AIAA, 1977. V. 15 (11). P. 1545–1549.
30. Solid Propellant Chemistry, Combustion and Motor Interior Ballistics:
Progress in Astronautics and Aeronautics / V. Yang, T.B. Brill, W.-Z. Ren; P. Zarchan
(ed.). Reston: AIAA, 2000. V. 185. 988 p.
31. Solid Rocket Propulsion Technology / A. Davenas (ed.). Pergamon Press,
1993, 622 p.
32. The encyclopedia of Explosives & Related Items / PATR 2700. US Army
Armament Research & Development Command, 1983. V. 1–10. 1500 p.
Оглавление
Предисловие .......................................................................................................... 3
Список основных сокращений ........................................................................... 5
1. Основы технологии изготовления ракетно-прямоточных двигателей
на твердом топливе ........................................................................................ 7
1.1. Конструкция, рабочие процессы и особенности применения
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе ........................ 7
1.2. Особенности машиностроительного предприятия
и технологических процессов изготовления двигателя ...................... 19
1.3. Методика проектирования технологических процессов .................... 26
1.4. Показатели качества конструкции двигателя ...................................... 29
1.5. Технологичность конструкции двигателя ............................................ 35
Контрольные вопросы ........................................................................................ 44
2. Конструкционные материалы для высокоскоростных летательных
аппаратов ............................................................................................................
2.1. Конструкционные металлы и сплавы ...................................................
2.2. Композиционные материалы .................................................................
2.3. Теплозащитные материалы, применяемые для композитных
корпусов ...................................................................................................
Контрольные вопросы ........................................................................................
46
46
59
65
77
3. Технологии формообразования элементов конструкции ракетнопрямоточных двигателей на твердом топливе ...................................... 79
3.1. Литье ......................................................................................................... 81
3.2. Пластическое деформирование ............................................................. 83
3.2.1. Холодное и горячее деформирование ........................................ 83
3.2.2. Особенности литья и деформирования активных металлов ... 93
3.3. Механическая обработка ........................................................................ 96
3.3.1. Оборудование и инструментальные материалы ........................ 96
3.3.2. Режущие инструменты ............................................................... 110
3.3.3. Технология резания материалов ............................................... 120
3.3.4. Особенности обработки материалов ........................................ 126
3.3.5. Пути совершенствования механической обработки ............... 150
3.4. Раскрой и резка заготовок .................................................................... 158
3.5. Особенности проектирования технологического процесса
и формообразования деталей из полимерных композиционных
материалов ............................................................................................. 168
322
Оглавление
3.5.1. Основы технологии формообразования деталей
из полимерных композиционных материалов .........................
3.5.2. Основы производства теплозащитного покрытия
для камеры сгорания двигателя ................................................
3.6. Особенности вулканизации резиновых смесей, применяемых
для композитных корпусов ..................................................................
3.7. Особенности изготовления корпусных композитных конструкций
методом «мокрой» программированной намотки .............................
Контрольные вопросы ......................................................................................
4. Высокотехнологичные методы формообразования элементов
конструкции ракетно-прямоточных двигателей на твердом
топливе .........................................................................................................
4.1. Порошковая металлургия .....................................................................
4.1.1. Порошковые компоненты ..........................................................
4.1.2. Этапы технологического процесса формообразования ..........
4.1.3. Особенности конструкций из композиционных
материалов на основе углерода .................................................
4.1.4. Особенности конструкций из порошковых композиционных
материалов ...................................................................................
4.1.5. Гранульная и нанометаллургия .................................................
4.2. Аддитивные технологии для изготовления элементов конструкции
ракетных и реактивных двигателей ....................................................
4.3. Системы автоматизированного проектирования и отработки
ракетно-прямоточных двигателей на твердом топливе ....................
4.3.1. Применение САПР на стадиях жизненного цикла двигателя
4.3.2. Система КОМПАС ......................................................................
4.3.3. Система AutoCAD .......................................................................
4.3.4. Система SolidWorks ....................................................................
4.3.5. Система CATIA ...........................................................................
Контрольные вопросы ......................................................................................
5. Основы технологии производства твердого топлива для ракетнопрямоточных двигателей ..........................................................................
5.1. Основные физико-механические свойства твердого топлива ..........
5.1.1. Основные требования, предъявляемые к твердому топливу ....
5.1.2. Компоненты баллиститного (двухосновного) топлива ...........
5.1.3. Компоненты смесевого топлива ................................................
5.2. Технология производства твердого топлива ......................................
5.2.1. Особенности технологических процессов производства
баллиститного и смесевого топлива .........................................
5.2.2. Производство баллиститного топлива ......................................
5.2.3. Производство смесевого топлива .............................................
5.2.4. Производство комбинированного топлива ...............................
5.2.5. Производство экструдированного смесевого топлива ............
5.2.6. Производство топлива, обогащенного горючим .....................
168
176
181
186
196
197
197
197
210
215
227
238
241
249
249
251
253
255
259
265
266
266
266
271
272
281
281
282
286
291
292
293
Оглавление
323
5.3. Защитно-крепящий слой и бронирующие покрытия ........................ 294
5.3.1. Защитно-крепящий (клеевой) слой ........................................... 294
5.3.2. Бронепокрытия зарядов ............................................................. 295
5.4. Контроль качества топлива .................................................................. 298
5.4.1. Оборудование для контроля качества ....................................... 298
5.4.2. Контроль качества производства смесевого топлива ............. 303
5.5. Безопасность процессов производства топлива ................................ 305
5.5.1. Причины аварий .......................................................................... 305
5.5.2. Классификация опасностей ....................................................... 306
5.5.3. Меры безопасности при производстве топлива ...................... 308
5.5.4. Общие требования техники безопасности ............................... 309
5.6. Структурная целостность заряда топлива ......................................... 311
5.6.1. Влияние режимных параметров на структурную
целостность твердого топлива ......................................................311
5.6.2. Старение топлива и деградация свойств зарядов ................... 314
5.6.3. Продление назначенных сроков службы твердотопливных
и ракетно-прямоточных двигателей .......................................... 316
Контрольные вопросы ...................................................................................... 317
Литература ......................................................................................................... 319
Учебное издание
Сорокин Владимир Алексеевич
Ягодников Дмитрий Алексеевич
Яновский Леонид Самойлович
Страхов Валерий Леонидович
Калинчев Владимир Александрович
Резник Сергей Васильевич
Тихомиров Михаил Александрович
Мокрецова Ольга Валерьевна
Стирин Евгений Александрович
Кобко Геннадий Гаврилович
Технология производства
ракетно-прямоточных двигателей
на твердом топливе
Редактор И.В. Мартынова
Художник Я.М. Асинкритова
Корректор Н.Е. Известная
Компьютерная верстка Г.Ю. Молотковой
Оригинал-макет подготовлен
в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.
В оформлении использованы шрифты
Студии Артемия Лебедева.
Подписано в печать 15.03.2019. Формат 70×100/16.
Усл. печ. л. 26,325. Тираж 500 экз. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
press@bmstu.ru
www.baumanpress.ru
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
baumanprint@gmail.com
МКБ «Искра»
АО «МКБ «Искра» – одно из ведущих предприятий авиакосмической промышленности России в области разработки и изготовления двигательных установок, механизмов
и устройств, использующих энергию твердых ракетных
топлив и порохов.
Свою историю «Искра» ведет с 22 марта 1946 г. – дня
образования Государственного союзного завода № 81 «на
базе опытно-конструкторского бюро главного конструктора тов. Картукова И.И.». 12 февраля 1985 г. за разработку
изделий спецтехники Московский машиностроительный
завод «Искра» был награжден орденом «Знак Почета».
В 2002 г. предприятие стало открытым акционерным
обществом «Машиностроительное конструкторское бюро
«Искра» имени Ивана Ивановича Картукова» и вошло
в состав ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение».
В соответствии с Распоряжением Правительства Российской Федерации в 2013 г. к АО «МКБ «Искра» присоединяется ОАО «Горизонт». В настоящее время процесс интеграции
завершен. В дополнение к традиционным для МКБ «Искра» твердотопливным ракетным двигателям и газогенераторам добавились новые направления деятельности,
такие как авиационное и космическое наземное технологическое оборудование, стартовые
и технические позиции систем ПРО, перспективные разработки по авиационному вооружению и в интересах РВСН.
В 2012 г. генеральный директор АО «МКБ «Искра» доктор технических наук, профессор
Сорокин В.А. возглавил кафедру «Проектирование аэрогидрокосмических систем» № 608
Московского авиационного института. Это решение придало новый импульс развитию кадрового потенциала предприятия. Студенты ведущих вузов страны проходят производственную и дипломную практику в конструкторском бюро и на опытном производстве. Многие творческие коллективы, созданные на базе кафедр МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, МАДИ
и др., участвуют в НИОКР, выполняемых МКБ «Искра» по заказу АО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение», Минпромторга и Минобороны России, а также в контрактах
с зарубежными партнерами.
АО «МКБ «Искра» приглашает на работу студентов старших курсов и выпускников технических вузов на должности:
• инженер-конструктор;
• инженер-метролог;
• инженер-технолог;
• инженер-энергетик;
• инженер-программист;
• инженер-контролер ОТК и др.
Также приглашаем выпускников средних общеобразовательных школ, техникумов, колледжей и профтехучилищ поступать в МАИ на кафедру № 608 для обучения по специальности
160400 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» с последующим трудоустройством на предприятиях АО «Корпорация «Тактическое
ракетное вооружение».
Отдел кадров: 8 (495) 612-65-91
Кафедра 608 МАИ: 8 (499) 158-46-76
ЗАО «Центр высоких технологий в машиностроении
при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
МОБИЛЬНОЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
ОТ ЛЮБЫХ ПОКРЫТИЙ ИЛИ ОТЛОЖЕНИЙ
И НАНЕСЕНИЕ НА ОЧИЩЕННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
СЛОЯ ЦИНКА, МЕДИ ИЛИ БРОНЗЫ
Высокая эффективность — в 2–3 раза выше аналогичного по расходу
воздуха пескоструйного аппарата, достигается благодаря совместному
воздействию на обрабатываемую поверхность высокой температуры газа
(продукты сгорания керосин + воздух) и высоких скоростей абразивного
материала (разгон частиц абразива осуществляется сверхзвуковым газовым потоком).
После очистки вместо абразивного материала в аппарат подается порошок напыляемого материала и проводится нанесение покрытия различной толщины.
Установка работает совместно с воздушным компрессором с рабочим
давлением 6...7 атм.
Запуск генератора высокотемпературного газа — электроискровой.
Подача абразивного или напыляемого материала — эжекторная, непрерывная.
Имеется возможность глубокого регулирования температуры газа.
Производительность установки:
при очистке поверхности 40…50 м2/ч;
при нанесении покрытий 60…80 м2/ч.
Расход:
воздуха 5…7 м3/мин;
керосина 50…150 г/мин;
абразива 2…3 кг/мин.
По заказу можем изготовить оборудование любой производительности при изменении расхода воздуха от 0,5 до 10 м3/мин.
Адрес:
ЗАО «ЦВТМ при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
105005, г. Москва, Лефортовская набережная д. 1, а/я 38.
Телефон: 8(495)993-96-71; факс: 8(499)(49622)6-97-74.
В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана
выпущено 2-е издание учебного пособия Д.А. Ягодникова
«Горение порошкообразных металлов
в газодисперсных средах»
Год издания 2018
Тип издания учебное
пособие
Объем 448 стр. / 36 п.л.
Формат 70x100/16
ISBN 978-5-7038-4807-4
Представлены современные методики экспериментальных измерений, приведены данные по основам построения математических моделей, описывающих состояния
горящей газовзвеси при различных начальных характеристиках турбулентности, составах газовзвеси и режимных
параметрах. Приведены примеры имитационного моделирования рабочего процесса в двигательных установках
на металлизированном твердом горючем. Рассмотрены
результаты экспериментальных исследований процессов
воспламенения и горения газовзвесей частиц алюминия,
магния, бора, а также методы интенсификации процессов воспламенения и горения частиц порошкообразного
горючего. Представлены варианты использования нанои ультрадисперсных частиц горючего в качестве компонентов топлива.
В издании использованы материалы научно-исследовательских работ, выполненных в НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Книга предназначена для инженеров, работающих в области теории и практики горения газодисперсных систем;
может быть полезной для преподавателей, аспирантов,
магистрантов и студентов старших курсов.
Информацию о других книгах можно получить
на сайте Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана:
www.baumanpress.ru
По вопросам приобретения обращаться в отдел реализации Издательства:
8 (499) 263-60-45
press@baumanpress.ru
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)