Способ получения труб из волокнистых композиционных материалов с продольным армированием

 

Изобретение относится к области обработки давлением волокнистых композиционных материалов (ВКМ) и может применяться в аэрокосмической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что армированные трубы получают путем сборки заготовки непосредственно на оправке, жесткого закрепления на ней и совместного протягивания их через волоку в изотермических условиях за один переход. Перед протягиванием на заготовку дополнительно надевают технологическую оболочку, а рабочую поверхность волоки выполняют из двух зон, протяженность которых выбирают следующим образом: L1 = 12,3-0,67α-0,198h, где α - угол конусности волоки, h - толщина технологической оболочки, длину второй зоны L2 выбирают в интервале: L_min < L2 < L_max, L_min = tV, где t - время адгезионного взаимодействия, V - скорость процесса волочения; L_max = σ_cS_c/μP_cp2πRʹ, где σ_c - временное сопротивление волокнистого композиционного материала при растяжении, S_c - площадь сечения технологической оболочки, μ - коэффициент трения, p_ср - среднее напряжение на поверхности ВКМ, R - внешний радиус технологической оболочки. Во второй зоне волоки предусматривают наличие продольных полостей. Технический результат: применение предлагаемого метода позволяет избежать течения поверхностных слоев ВКМ в полости во второй зоне волоки, сохранять сплошность волокон, получать материалы компактного строения при качественной поверхности изделия. 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области обработки давлением волокнистых композиционных материалов (ВКМ) и служит для производства продольно армированных труб различного типоразмера.

Известен способ получения труб из ВКМ с продольным армированием за счет многопереходного протягивания сборной заготовки через конусную волоку с использованием плавающей оправки. Компактирование заготовки осуществляется в изотермических условиях путем радиальной деформации и не сопровождается ее осевым удлинением. Компактирование за несколько переходов необходимо в связи с отсутствием постоянного подпора заготовки со стороны оправки. Для осуществления процесса необходимо предварительное частичное компактирование заготовки. Недостатком способа является то, что из-за многопереходности имеют место ускоренный износ оснастки, недостаточно высокое качество поверхности получаемых труб и невысокая производительность процесса [1].

Наиболее близкими к предлагаемому является способ получения труб из ВКМ с продольным армированием [2], заключающийся в том, что получение труб осуществляют за счет сборки заготовки непосредственно на оправке, жесткого крепления ее на оправке и совместного протягивания заготовки и оправки через волоку, осуществляя компактирование заготовки в изотермических условиях за один переход, причем длину рабочей зоны волоки выбирают в интервале: L_min < L_рз < L_max, где L_рз - длина рабочей зоны волоки: где Δr - требуемое абсолютное обжатие заготовки по толщине стенки; α - угол конусности волоки; D_тр и d_тр - соответственно внешний и внутренний диаметры трубы; σ_c - временное сопротивление волокнистого композиционного материала при растяжении; σ^*_scp - среднее напряжение течения матричной составляющей при компактировании волокнистого композиционного материала.

Недостатком способа является высокая себестоимость труб из-за сложности изготовления термоупругого пресса, недостаточно высокое качество поверхности изделия и большая продолжительность процесса.

Задачей предлагаемого способа является повышение качества поверхности изделия.

Поставленная задача получения труб из волокнистых композиционных материалов с продольным армированием решается путем сборки заготовки непосредственно на оправке, жесткого закрепления на ней и совместного протягивания их через волоку в изотермических условиях за один переход. Перед протягиванием на заготовку дополнительно надевают технологическую оболочку, а рабочую поверхность волоки выполняют из двух зон, протяженность которых выбирают следующим образом: L1 = 12,3-0,67α-0,198h, где α - угол конусности волоки; h - толщина технологической оболочки; длину второй зоны L2 выбирают в интервале: L_min < L2 < L_max,
L_min = tV,
где t - время агдезионного взаимодействия, V - скорость процесса волочения:

где σ_c - временное сопротивление волокнистого композиционного материала при растяжении, S_с - площадь сечения технологической оболочки, μ - коэффициент трения, Р_ср - среднее напряжение на поверхности ВКМ, R - внешний радиус технологической оболочки.

Во второй зоне волоки предусматривают наличие продольных полостей.

Первая зона волоки протяженностью L1 служит для уплотнения материала сборной заготовки, во второй зоне длиной L2 обеспечивается формирование прочного соединения между компонентами. Протяженность второй зоны L2 характеризуется временем образования соединения и лимитируется силовой нагрузкой на волокна. Технологическая оболочка из пластичного материала располагается между инструментом и заготовкой и обеспечивает управление уровнем силового воздействия на заготовку, а также получение качественной поверхности изделия.

Компактирование трубной заготовки ВКМ сопровождается только радиальным обжатием материала без его осевого удлинения, в то время как формоизменение технологической оболочки особенно во второй зоне, где материал ВКМ уже скомпактирован, происходит как в радиальном, так и в осевом направлениях, т.е. во время деформации ее длина изменяется, тем самым нарушается совместное перемещение материалов ВКМ и технологической оболочки.

Продольные пазы во второй зоне волоки служат для удаления излишков материала оболочки с целью уменьшения ее осевого удлинения при деформировании.

Размеры пазов и их количество при волочении труб с толщиной стенки 2 мм приведены в таблице 1. Сводные значения длины первой зоны, угла конусности волоки и толщины технологической оболочки представлены в таблице 2.

Описываемый способ поясняется чертежом. Заготовка 3 размещается методом намотки на оправке 4. Оправка фиксируется между основанием-захватом 6 и волокой 2 с пазами 8 стойками-стяжками 5. Между заготовкой и волокой присутствует технологическая оболочка 9. Для облегчения сборки установки волока имеет конусную зону, где и размещается в начальный момент заготовка. Заготовка дополнительно крепится к оправке фиксатором 7. Установка размещается в очковой печи и устанавливается на прессе, где крепится с помощью захвата 1 и основания-захвата 6. После нагрева установки начинается процесс компактирования заготовки за счет протягивания оправки с заготовкой через конусную волоку. Профиль отверстия волоки рассчитывается таким образом, чтобы величина напряжений в ВКМ в первой зоне деформации не превышала критической величины. Это обеспечивается, если длина рабочей зоны волоки находится с помощью вышеприведенных формул.

ПРИМЕР. На лабораторной установке, изготовленной из стали 5ХНВ, в изотермических условиях деформации получена партия труб из бороалюминия диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм. Толщина технологической оболочки составляла 4 мм. Угол конусности волоки составлял 5 градусов, протяженность первой зоны деформации 8,7 мм, протяженность второй зоны деформации 5 мм. Во второй зоне деформации выполнены шесть продольных полостей шириной 1 мм. Процесс компактирования обеспечил получение труб с прочным соединением компонентов материала, с сохранением сплошности волокон. Механические свойства ВКМ соответствовали расчетным значениям.

ПРИМЕР. На лабораторной установке, изготовленной из стали 5ХНВ, в изотермических условиях деформации получена партия труб из бороалюминия диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм. Толщина технологической оболочки составляла 4 мм. Угол конусности волоки составлял 5 градусов, протяженность рабочей зоны 8,7 мм, протяженность второй зоны деформации 5 мм. Во второй зоне деформации выполнены шесть продольных полостей шириной 2 мм. В ходе технологического процесса наблюдалось усиленное течение внутренних слоев материала технологической оболочки в продольные полости во второй зоне волоки. Данное явление привело к недостаточному силовому воздействию на ВКМ и затягиванию верхних слоев заготовки вместе с материалом технологической оболочки в продольные полости, вследствие чего на поверхности ВКМ наблюдались риски в осевом направлении. Процесс компактирования не обеспечил получение труб с прочным соединением компонентов материала и качественной поверхностью.

Применение предлагаемого метода позволяет избежать течения поверхностных слоев ВКМ в полости во второй зоне волоки, сохранять сплошность волокон, получать материалы компактного строения при качественной поверхности изделия.

Источники, принимаемые во внимание при составлении описания
1. А. И. Колпашников, Б.А. Арефьев, В.Ф. Мануйлов "Деформирование композиционных материалов", М., Металлургия, 1982, 248 с.

2. Патент N 2083338, кл. 6 B 23 K 20/60.

Формула изобретения

Способ получения труб из волокнистых композиционных материалов с продольным армированием, заключающийся в том, что заготовку собирают непосредственно на оправке, жестко закрепляют на ней и совместно протягивают их через волоку в изотермических условиях за один переход, отличающийся тем, что перед протягиванием на заготовку дополнительно надевают технологическую оболочку, а рабочую поверхность волоки выполняют из двух зон, протяженность которых выбирают следующим образом:
L₁ = 12,3-0,67α-0,198h,
где α - угол конусности волоки;
h - толщина технологической оболочки,
длину второй зоны L 2 выбирают в интервале
L_min < L 2 < L_max,
L_min = tV,
где t - время адгезионного взаимодействия;
V - скорость процесса волочения;

где σ_c - временное сопротивление волокнистого композиционного материала при растяжении;
S_c - площадь сечения технологической оболочки;
μ - коэффициент трения;
p_ср - среднее напряжение на поверхности ВКМ;
R - внешний радиус технологической оболочки,
причем во второй зоне волоки предусматривают наличие продольных полостей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3