Крепёжные элементы для композитов

 Присутствуя 7 лет назад на предзащите кандидатской диссертации старшего преподавателя Харьковского Государственного Аэрокосмического Университета им. Н.Е. Жуковского (ХАИ) Воробьёва Юрия Анатольевича (тема: «Пневмоимпульсная технология заклёпочных соединений углепластиковых композиций»), я «углядел» некоторые «проблемные зоны» и выработал соответствующие решения.
Начнём с того, что у меня как-то не ассоциируются новейшие технологии, связанные со стекло- и углепластиковыми материалами и древними заклёпочными соединениями.
То, что хорошо для металлов, не совсем подходит для композитов.
И всё равно, чем клепать – хоть пневмомолотком, хоть синхрофазотроном – если стратегия не верна, то любое тактическое решение (даже самое совершенное и оригинальное) будет тупиковым и бессмысленным.
Почему заклёпочные соединения мало совместимы (или не совместимы вовсе) с композитами вообще и с углепластиками в частности?
На мой взгляд, причин несколько:
1. Поскольку углепластик склонен к высокой концентрации напряжений, то необходимо всячески избегать концентраторов напряжения. А многочисленные отверстия под заклёпки всячески этому препятствуют. Приходится значительно увеличивать (для компенсации) толщину обшивки, что неминуемо сказывается на её себестоимости.
2. Углепластики имеют сравнительно невысокую прочность при сдвиге, а также ударную прочность. Поэтому весьма проблематично будет сделать качественное (по сравнению с металлами) клёпаное соединение ввиду малого натяга и вероятности локального разрушения сопрягаемых поверхностей даже при незначительном превышении ударной нагрузки на головку заклёпки.
3. Следует также учитывать значительную анизотропию свойств углепластика, особенно ярко проявляющуюся при однонаправленном расположении армирующих волокон. При многорядном расположении заклёпочных соединений (особенно – в шахматном порядке) с диаметром отверстий порядка 4-6 мм происходит разрыв нитей углеволокна и как следствие – значительное ослабление конструкции.
Далее см. п.1;
4. На композитах (в частности – в самолетостроении, на сложных узлах) достаточно проблематичны односторонние заклёпочные соединения, а двусторонние заклёпки просто технологически малоосуществимы;
5. Поскольку основой углепластиков являются синтетические смолы, на механические характеристики которых существенное влияние оказывает воздействие внешней среды (увлажнение, изменение температуры, солнечная радиация и т.п.), прочность и жёсткость углепластика в процессе эксплуатации изделия снижается на 10-20 %. Ситуацию усугубляют многочисленные клёпочные соединения, выполненные без хорошего натяга (см. п.2), являющиеся концентраторами напряжений и в зазорах которых продолжительное время присутствует влага. А перепад температур воздуха (при Н=0 м и Н=10.000 м) приведёт к образованию льда внутри клёпаных соединений и как следствие – прогрессирующее разрушение композитных изделий;
6. Уважаемый г-н Воробьёв, создавая свой пневмомолоток, ориентировался прежде всего на ручную технологию проведения клепальных работ, т.к. механизации данная операция поддаётся с трудом, Отсюда – низкая скорость, высокая зависимость от человеческого фактора (а значит – выход брака).Изделия из композитов (стекло- и углепластиков) находят всё более широкое применение. «Западный» потребитель основательно «подсел» на этот конструкционный материал.
Но львиная доля композитных материалов приходится на малые (лёгкие) формы: пуговицы, бытовые изделия и спортивно-туристическое снаряжение, автомобильные аксессуары и т.д. Гораздо реже – более серьёзные изделия: лопасти ветродвигателей, малые судно- и авиастроение, хим. реакторы и т.д. Путь в большую серийную авиацию стекло- и особенно – углепластикам пока заказан ввиду их крайне высокой себестоимости, а также по причине отсутствия качественного связывания (соединения) этих хоть и очень эффективных, но достаточно капризных материалов (частично – по указанным выше причинам). С нагрузками на сдвиг хорошо работают клеевые соединения, а вот с нагрузками на отрыв пока могут справиться только заклёпочные соединения.
Вместе с тем я считаю, что развитие авиации будет происходить по пути создания серийных сверхбольших аппаратов (на 200-500 т грузоподъёмности). Причём, не по классической самолётной схеме (она уже исчерпала себя), а по схеме «летающее крыло». Эта схема прежде всего позволяет использовать для создания подъёмной силы всю площадь ЛА, а не только крылья.
Планер получается более жёстким, лёгким и технологичным, с малой относительной кривизной поверхности. Такими левиафанами воздушного океана могут быть как высотные самолеты, так экранопланы и дирижабли.
В своё время Н.И.Белавин в книге «Экранопланы» наглядно продемонстрировал рост эффективности грузоперевозок с ростом линейных размеров и увеличением полной массы аппаратов вплоть до 1.000 т.
Постройка таких огромных летающих мастодонтов невозможна без применения новых конструкционных материалов (в т.ч. и композитных).
Старые технологические решения, применимые в классическом самолётостроении, будут в некоторых случаях неприменимы или крайне неэффективны. Своё слово скажет и финансовая сторона вопроса.
Дело в том, что скорость снижения себестоимости углепластиковых композиций слишком мала и не идёт ни в какое сравнение с падением себестоимости алюминия в начале ХХ века, в период бурного развития авиации.
И если рядовой потребитель ещё способен выложить 1,5 тыс. $ за углепластиковую байдарку или 1 тыс. $ за «голую» велосипедную раму, то огромный самолёт, выполненный даже на 20 % из углепластика, будет окупаться непозволительно долго. К тому же в авиастроении требования к типовым конструктивным узлам, соединениям, способам изготовления (намотка, прессование, контактное формование) несоизмеримо выше, чем для бытовых изделий, т.к. они гораздо больше нагружены, а степень ответственности - огромна.Наиболее оправдала себя на практике клеевое и клее-механическое соединение конструкций и материалов.
Последнее – в основном с применением клёпки со всеми вытекающими последствиями.
Вместе с тем (на мой взгляд) есть возможность устранения всех вышеперечисленных недостатков с сохранением конструкционной преемственности. Появится возможность значительного увеличения прочностных характеристик и как следствие – уменьшение толщины композитной обшивки и резкое снижение её себестоимости.Многослойные композиции из углепластика или углепластик+стеклопластик необходимо, помимо клеевого соединения, соединять микрокрепёжными элементами (шурупами) диаметром 0,8-1,5 мм, достаточно хорошо работающими (как и заклёпки) на отрыв. Причём, крайне желательно применять микрокрепёж ещё на стадии формования изделия после непосредственной намотки перепрегов. В этом случае достаточно «проколоть» изделие, раздвинув тем самым нити полотнищ и ещё текучее связующее (эпоксидную смолу) и ввести (вкрутить) в образовавшееся отверстие крепёж. После нагревания изделия связующее полимеризуется и составит единое целое с шурупом, винтообразные спирали которого будут выполнять роль головки, работающей на отрыв.
Процесс «клёпки по-новому» будет выглядеть следующим образом:
По только что отформованному изделию начинает работать роторный крепёжный автомат. На точку соединения опускается опорная плита с устанавливаемым усилием поджатия. В точку иглой наносится короткий импульс, прошивающий изделие насквозь или до нужной глубины.
В отверстие вкручивается (с помощью приводного цангового зажима – на глубину до 5-8 мм, либо вращающимися скользящими роликами – на большую глубину) бесконечный (или установленной длины в 5-20 м) крепёжный элемент в виде винта. После завершения операции вкручивания на винт в место сопряжения с углепластиковой поверхностью подаётся 3-5 лучевой лазерный импульс, нагревающий металл.
После некоторого приподнятия рабочей головки происходит разрыв винтового крепёжного элемента. Какое-то время лазеры продолжают нагрев окончания винта, переводя его в более пластичное состояние.
Далее следует короткий удар электроимпульсным молоточком, в результате чего формируется головка винта, утопленная в углепластиковое основание.
Вытягивание разогретого тела крепёжного элемента при его разрыве (разделении) с нижней частью способствует формированию заострённого окончания, дающего в дальнейшем более лёгкое вхождение (проникновение) в тканое основание перепрега.Разогретое тело отформованного шурупа значительно интенсифицирует процесс полимеризации смолы в месте соединения, способствуя быстрой фиксации крепёжного элемента в теле композита.Автоматизация всего рабочего процесса (прессование, прокалывание, вкручивание, отрезание, формование окончания) может свести временные затраты до 1-3 сек на весь цикл операций.
При этом обеспечивается несоизмеримо более высокое качество работ, т.к.:
1. Нити углеволокна не разрываются и работают по всей своей длине.
2. Крепёжное соединение получается монолитным из-за того, что смола плотно обволакивает крепёж.
3. Более частое (густое) применение шурупов по сравнению с заклёпками (с шагом в 5-20 мм) способствует более высокой однородности и прочности изделия, более равномерному распределению нагрузок.
4. Возможность автоматизированной программной постановки крепёжных материалов круглосуточно позволит добиться производительности (на автомат) около 0,36 м2/час (скорость – 1 цикл (шаг 10 мм) в секунду) или 8,64 м2 в сутки. При обработке больших поверхностей следует использовать многорядные автоматы (до 100 шт.), тем более что описанные выше операции легко поддаются механизации.
В том случае, когда процесс полимеризации изделия уже закончился, также можно применить шурупную технологию. При этом качество конечного продукта несколько снизится ввиду неизбежного разрушения части волокон. Необходимо только будет поменять игловое прошивание материала на сверление лазером либо сверлом и предварительно смазать винтовой крепёж каким-либо термопластом, который после нагревания лазерами быстро «схватится» в теле изделия. Неизбежное при сверлении (либо термическом сверлении) разрушение сопрягаемого с шурупом композитного тела (его «распушивания») будет частично компенсировано самоуплотнением от спиралей шурупа при его вкручивании, а также заполнением образовавшихся раковин термопластом. Его избыток будет выдавливаться наружу и удаляться механически.В случае соединения композитных материалов с легкосплавными материалами (н-р, углепластиковой обшивки с Al лонжероном) возможно применение не винтовой проволоки, а уже готовых шурупов с двойной шляпкой (верхняя силовая часть головки после вкручивания отламывается или откусывается). При этом шуруп на длину введения в металл не имеет спиралей (цилиндричен) и имеет калиброванный диаметр. При вкручивании нижняя часть шурупа быстро разогревается лазером до 700-900оС.
После введения шурупа в многослойную композицию, нижняя цилиндрическая часть быстро отдает своё тепло в окружающую Al (AlMg) поверхность, расплавляя её. Через некоторое время (3-8 мес.) в месте контакта происходит диффузионная сварка. Процедуру вкручивания шурупов необходимо проводить в среде инертных газов с тем, чтобы на поверхности шурупа не образовывались плёнки окислов, препятствующих диффузионному соединению материалов. Правда, остаются открытыми вопросы электрохимической совместимости алюминия со сталью, а также снижение прочностных характеристик Al изделий в зоне местной контактной плавки, образование микрораковин и т.д.
Высокие результаты может дать совмещение стапеля с разборной мастер-моделью. В этом случае удастся совместить сборку силовых элементов самолёта с изготовлением (формованием) наружной обшивки в едином блоке. В этом случае применение винтовых микрокрепёжных элементов будет особенно оправдано.
Применение винто-шурупной технологии возможно как для одностороннего, т
ак и для сквозного двухстороннего крепежа.
Так можно усилить (стянуть) композитные поверхности ЛА, применяемые в малой авиации, «прошив» насквозь структуру стеклопластик – соты (или вспенённые пластмассы) – стеклопластик. Либо «связать» структуру стекло+углепластик – соты (вспенённая пластмасса) – алюминий. Создание преднапряжённых (сжатых) элементов позволит повысить их жёсткость как на изгиб, так и на кручение. При этом длина шурупов (или спиц без винтового оребрения) может доходить до 200-300 мм.



                                                           /"ТРАКТАТЪ об уменьшении энтропии, т. II, тема № 16/ 

Комментарии   

 
#1 SergeiSapozhnikov 08.01.2012 12:15
Уважаемый Юрий Ружинский,
Спасибо за материал. Ваши идеи созвучны с моими, а также с коллегами из ЦАГИ, еще 20-летней давности. Говорилось об использовании "заклепок", а точнее, штифтов малого диаметра при соединении композитов. Давнишние эксперименты ЦАГИстов показали большие перспективы такого рода технологии. Правда, трудоемко все это. За рубежом французы уже лет 5 назад сделали робота для Z-pin соединений, т.е. вставки в недоотвержденну ю структуру композита стержней малого диаметра. Результаты хорошие. Так что - эти идеи следовало бы патентовать давно... Кстати, есть ли у Вас публикации, на которые можно сослаться? Буду рад продолжить контакты, чтобы объединить усилия не только в идейном плане, но, и может быть на практике...
Цитировать
 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Комментарии