Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

221

использования практически любого связующего: эпоксидного,

эпоксидно-фенольного, фенолформальдегидного, полиимидного.

Способ "мокрой" намотки отличается тем, что пропитка

армирующего волокнистого материала связующим и намотка на

оправку совмещены. Необходимая вязкость связующего в данном

случае обеспечивается выбором соответствующей смолы и

применением подогрева связующего в пропитывающей ванне.

Преимущество способа "мокрой" намотки заключается в более низком

контактном давлении формования, что требует оборудования с мень-

шей мощностью привода и лучшей формуемостью поверхностей

изделия. Поэтому способ "мокрой" намотки применяется

преимущественно для изготовления крупногабаритных оболочек

сложной конфигурации. Для достижения заданных углов армирования

применяют намоточные машины с ЧПУ.

В зависимости от способа создания контактного давления

формования различают следующие методы намотки: формование

методом намотки с технологическим натяжением армирующего

волокнистого материала, формование методом локального прижима

уплотняющим роликом или с применением того и другого

одновременно.

По типу укладки армирующего волокнистого материала в

намотанном изделии различают несколько видов намотки, например

прямую (окружную) намотку, спиральную, спирально-перекрестную,

продольно-поперечную намотку и др. Независимо от способа намотки

технологические стадии и физико-химические процессы образования

структуры армированных волокнами композитов мало отличаются.

Поэтому технологический цикл формования в зависимости от

происходящих

процессов разделен на следующие стадии: намотка и

получение заготовки изделия, нагрев заготовки на оправке до

температуры стеклования связующего, нагрев до температуры отвер-

ждения связующего, выдержка - отверждение связующего при

постоянной температуре, охлаждение до температуры стеклования и

далее до конечной температуры, съем изделия с оправки.

Прямая (окружная) намотка. Ее применяют в тех случаях, когда

необходимо получить оболочку, длина которой равна или меньше

ширины наматываемой ленты. В качестве армирующего волокнистого

материала при прямой намотке используют, как правило, полотна

предварительно пропитанных тканей или тканых лент.

222

В случае, когда методом прямой намотки необходимо получить

изделие, длина которого намного превышает ширину одного полотна

(ленты), применяют намоточные устройства с несколькими узлами

раскладки. Сущность такого процесса заключается в одновременной

укладке предварительно пропитанных связующим полотен ткани на

оправку с нескольких самостоятельных раскладывающих механизмов.

Спиральная (тангенциальная, кольцевая) намотка. Сущность

метода заключается в том, что сформированную ленту волокнистого

материала, пропитанную полимерным связующим (тканая или

однонаправленная), укладывают на поверхность оправки по винтовой

линии (рис. 31). Витки, образованные непрерывной укладкой ленты,

плотно уложены друг к другу или имеют строго постоянный нахлест,

величина которого связана с числом формуемых одновременно слоев

заданной структуры. Для спирально-винтовой намотки возможны два

варианта укладки слоев армирующего материала: однослойная

укладка (рис. 31, а) - формуется слой толщиной, равной толщине

одной ленты, подаваемой на оправку, а ленты укладываются строго

встык друг к другу; многослойная укладка (рис. 31, б) - формируется

многослойная структура за один проход раскладывающего устройства,

при этом лента укладывается на оправке с нахлестом, характери-

зуемым параметром k.

Рис. 31. Схема спирально-винтовой намотки лентой [33]: а - в

один слой за один проход; б - в В/k слоев за один проход: 1 - оправка;

2 - наматываемая лента; 3 — катушка с лентой

В сочетании с другими видами намотки (особенно со спирально-

перекрестной) этот метод используется достаточно широко. Отдельно

метод находит применение в тех случаях, когда необходимо провести

223

усиление в местах, где требуется повышенная кольцевая прочность

или жесткость. К таким случаям относятся: упрочнение

цилиндрической части металлических сосудов давления, металличе-

ских труб различного диаметра, упрочнение артиллерийских стволов,

стволов стрелкового оружия и др. Этот метод намотки применяется в

основном для изделий цилиндрической формы. Однако возможна

намотка изделий на конической оправке с углом конусности

ϕ ≤

20°

для "мокрого" способа и

ϕ ≤

30° для "сухого" способа намотки.

Продольно-кольцевая (продольно-поперечная) намотка.

Наиболее распространенная технологическая схема продольно-

поперечной намотки показана на рис. 32. Вертлюг, на котором по

периметру установлены шпули с ленточным наполнителем, вращаясь

синхронно с вращением оправки, перемещается при этом вдоль оси

оправки, укладывая продольные ленты. Одновременно с

раскладывающего устройства спирально-винтовой намоткой ук-

ладывается ленточный армирующий материал, фиксирующий ленты

продольной укладки. В данном случае намотку полной толщины

стенки изделия осуществляют за несколько сложных проходов. Метод

продольно-поперечной намотки, как правило, применяется при

"сухом" режиме формования изделий.

Рис. 32. Схема продольно

– кольцевой (продольно -

поперечной) намотки [33]: 1 -

оправка; 2 - вертлюг катушек

продольных лент; 3- катушка

продольной ленты; 4 - катушка

кольцевой ленты; 5 -

наматываемая оболочка

Спирально-перекрестная намотка. При этом методе лента

армирующего материала заданной ширины В укладывается на оправку

с подачей S, превышающей ширину ленты в целое число раз. За

прямой и обратный ход раскладывающего устройства (полный

проход) формируется один спирально-перекрестный виток,

закрывающий часть поверхности оправки. При следующем проходе

раскладывающего устройства лента укладывается встык к ранее

намотанной (рис. 33).

224

Рис. 33. Схема

спирально-перекрестной

намотки [33]: 1 - оправка; 2 -

каретка поперечного

перемещения катушки; 3 - лента

Процесс ведут до тех пор, пока не будет закрыта вся

поверхность оправки и, таким образом, сформирован полный двойной

спиральный слой. Для получения заданной толщины стенки фор-

мируемого изделия проводят намотку нескольких таких слоев.

Этот метод намотки наиболее распространен; его широко

применяют для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения

с произвольной образующей - цилиндров, конусов, сфер, баллонов

давления и др.

Метод имеет большой диапазон возможностей по

конструированию различных схем укладки волокнистого

армирующего материала в соответствии с действующими нагрузками.

Меняя угол намотки, можно получить различное распределение

нагрузок в продольном и окружном направлении, т. е,, распределяя

армирующий материал вдоль направления действия главных

напряжений от действующих нагрузок, можно достигнуть макси-

мального использования прочности исходных волокон в изделиях.

Совмещенная спирально-кольцевая намотка. Метод заключается

в одновременной укладке армирующего материала, сформированного

в ленте, на оправку, с двух раскладывающих устройств, движение

которых программирование задается вращением оправки (рис. 34).

Непременным условием данного способа является то, что начало

намотки спирально-винтовым и спирально-перекрестным методами и

их окончание должно быть осуществлено в одно и то же время.

Метод применяют для изготовления намоткой изделий

цилиндрической и конической формы с углом конусности не более

20°.

Разнообразие способов получения изделий, имеющих форму тел

вращения, предоставляет широкие возможности для выбора

225

оптимальных конструктивно-технологических решений для

создания

Рис. 34. Схема

совмещенной спирально-

кольцевой намотки [33]: 1 -

оправка;

2 - суппорт для спиральной

намотки; 3 – лентопропиты-

вающий тракт спиральных

слоев; 4 - суппорт

тангенциальной намотки; 5 -

катушка для кольцевых слоев

прогрессивных конструкций из волокнистых полимерных композитов.

Вместе с этим практика создания изделий из полимерных композитов

позволила выделить целый ряд отработанных и проверенных

решений, определяющих однозначные принципы выбора того или

иного способа намотки. Например, крупногабаритные (диаметром

более 800 мм) цилиндрические однослойные и многослойные

конструкции с кольцевыми местами усиления жесткости

целесообразнее с точки зрения получения лучших технико-

экономических показателей изготавливать методом окружной намотки

из предварительно пропитанных тканых армирующих материалов.

Для получения труб большого диаметра, работающих в условиях

высокого внутреннего давления, хорошие результаты дает способ

продольно-поперечной намотки из предварительно пропитанных лент

с однонаправленной волокнистой структурой. Для получения труб

малого диаметра (менее 400 мм) применяют косослойную продольно-

поперечную спиральную намотку "мокрым" способом с использова-

нием нитей и жгутов армирующего материала и эпоксидных

связующих. Достаточно широкое распространение для производства

напорных труб малой длины получил способ окружной намотки

полотнами предварительно пропитанных тканей.

Создание баллонов высокого давления сферической и

цилиндрической формы со сферическими цельномотаными днищами

стало возможным благодаря созданию и развитию теории и метода

226

спиральной намотки непрерывными лентами из волокнистых

материалов по программируемым траекториям, например по десяти

виткам (рис. 35).

Рис. 35. Схема десятивитковой спиральной намотки баллона

[31]: А, Б – полюсные отверстия; В, Г - своды

Путь волокна за один виток в этом случае составляет одну

десятую суммы длины окружности и ширины полосы; волокно

одиннадцатого витка затем ложится рядом с первым. И в этом случае

каждый слой состоит из двух сложений. Такая конфигурация

обязательно приводит к пересечению волокон (образованию

поперечных полос) в отдельных участках. Число мест с поперечными

полосами зависит от угла намотки. Необходимый рисунок намотки

подбирается регулированием машины методом проб и ошибок или

рассчитывается по геометрии изделия.

227

Г л а в а 6.

ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В машиностроении традиционные древесные материалы

применяются издавна и до сих пор достаточно широко. Широкому

использованию древесины способствуют ее высокие физико-

механические свойства, хорошая обрабатываемость, а также

эффективные современные способы изменения свойств собственно

древесины путем ее упрочнения, либо создания на ее основе

композиционных материалов.

6.1. Строение дерева и древесины

6.1.1. Строение дерева

Части растущего дерева. Растущее дерево состоит из кроны,

ствола и корней. При жизни дерева каждая из этих частей выполняет

свои определенные функции и имеет различное промышленное

применение.

Крона состоит из ветвей и листьев (или хвои). Из углекислоты,

поглощаемой из воздуха, и воды, получаемой из почвы, в листьях

образуются сложные органические вещества, необходимые для жизни

дерева. Промышленное использование кроны невелико. Из листьев

(хвои) получают витаминную муку — ценный продукт для

животноводства и птицеводства, лекарственные препараты, из ветвей

— технологическую

щепу для производства тарного картона и

дрсвесноволокнистых плит.

Ствол растущего дерева проводит воду с растворенными

минеральными веществами вверх (восходящий ток), а с

органическими веществами - вниз к корням (нисходящий ток); хранит

запасные питательные вещества; служит для размещения и

поддержания кроны. Он дает основную массу древесины (от 50 до

90% объема всего дерева) и

имеет главное промышленное значение.

Тонкая верхняя часть ствола называется вершиной, нижняя толстая

часть - комлем.

Корни проводят воду с растворенными в ней минеральными

веществами вверх по стволу; хранят запасы питательных веществ и

228

удерживают дерево в вертикальном положении. Корни

используются как второсортное топливо. Пни и крупные корни сосны

через некоторое время после валки деревьев служат сырьем для

получения канифоли и скипидара.

Главные разрезы ствола. Разрез, проходящий перпендикулярно

оси сствола, образует торцовую плоскость; разрез, проходящий через

сердцевину ствола, — радиальную; а на некотором расстоянии от

нее— тангентальную плоскость Древесина на указанных разрезах

имеет различный вид и не одинаковые свойства.

На поперечном разрезе ствола (рис. 36) можно видеть

сердцевину, кору и древесину с ее годичными

слоями.

Рис. 36. Поперечный разрез

ствола дерева [34]:

–

сердцевина; 2 – сердцевинные

лучи; 3 – ядро; 4 – пробковый слой;

5 – лубяной слой; 6 – заболонь; 7 –

камбий; 8 – годичные слои.

С е р д ц е в и н а 1 — узкая центральная часть ствола,

представляющая рыхлую ткань. На торцовом разрезе она имеет вид

темного (или другого цвета) пятнышка диаметром 2-5мм. На

радиальном разрезе сердцевина видна в виде прямой или извилистой

темной узкой полоски.

К о р а покрывает дерево сплошным

кольцом и состоит из

пробкового слоя 4 и внутреннего лубяного слоя 5, который прово-

дит воду с органическими веществами, выработанными в листьях,

вниз по стволу. Кора предохраняет дерево от механических

повреждений, резких перемен температуры, насекомых и других

вредных влияний окружающей среды.

Вид и цвет коры зависит от возраста и породы

дерева. У

молодых деревьев кора гладкая, а с возрастом в коре появляются

трещины. Кора может быть гладкой (пихта), чешуйчатой (сосна),

229

волокнистой (можжевельник), бородавчатой (бересклет). Цвет коры

имеет множество оттенков, например, белая у березы, темно-серая у

дуба, темно-бурая у ели.

В зависимости от породы, возраста дерева и условий

произрастания у наших лесных пород кора составляет от 6 до 25%

объема ствола. Кора многих древесных пород имеет большое

практическое применение. Она используется

для дубления кож,

изготовления поплавков, пробок, теплоизоляционных и

строительных плит. Из луба коры делают мочало, рогожи, веревки и

др. Из коры добывают химические вещества, применяемые в

медицине. Кора березы служит сырьем для получения дегтя. Между

корой и древесиной располагается очень тонкий, сочный, невидимый

невооруженным глазом слой — камбий,

состоящий из живых клеток.

Д р е в е с и н а в растущем дереве занимает большую часть

ствола и имеет основное промышленное значение.

Термины и определения основных понятий, относящихся к

строению и физико-механическим свойствам древесины,

устанавливает ГОСТ 23431—89 “Древесина. Строение и физико-

механические свойства. Термины и определения”.

6.1.2. Макроскопическое строение древесины

Заболонь, ядро, спелая древесина. Древесина наших лесных

пород окрашена обычно в светлый цвет. При этом у отдельных пород

вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза, граб), у

других центральная часть имеет более темную окраску (дуб,

лиственница, сосна). Темноокрашенная часть ствола называется

ядром 3, а светлая периферическая - заболонью 6.

В том

случае, когда центральная часть ствола отличается

меньшим содержанием воды, т. е. является более сухой, ее называют

спелой древесиной, а породы - спелодревесными. Породы, имеющие

ядро, называют ядровыми. Остальные породы, у которых нет

различия между центральной и периферической частью ствола ни по

цвету, ни по содержанию воды, называют заболонными

(безъядровыми).

Из

древесных пород, произрастающих на территории России,

ядро имеют: хвойные - сосна, лиственница, кедр; лиственные - дуб,

ясень, ильм, тополь. Спелодревесными породами являются из

230

хвойных ель и пихта, из лиственных бук и осина. К заболонным

nо

одам относятся лиственные: береза, клен, граб, самшит.

Однако у некоторых безъядровых пород (береза, бук, осина)

наблюдается потемнение центральной части ствола. В этом случае

темная центральная зона называется ложным ядром.

Молодые деревья всех пород не имеют ядра и состоят из заболони.

Лишь с течением времени образуется ядро за счет перехода

заболонной древесины

в ядровую.

Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины,

закупорки водопроводящих путей, отложения дубильных, красящих

веществ, смолы, углекислого кальция. В результате этого изменяются

цвет древесины, ее масса и показатели механических свойств.

Ширина заболони колеблется в зависимости от породы, условий

произрастания. У одних пород ядро образуется на третий год (тис,

белая акация), у других - на 30-35-й год (сосна). Поэтому заболонь у

тиса узкая, у сосны широкая.

Переход от заболони к ядру может быть резким (лиственница,

тис) или плавным (орех грецкий, кедр). В растущем дереве заболонь

служит для проведения воды с минеральными веществами от корней к

листьям, а ядро выполняет механическую функцию

. Древесина

заболони легко пропускает воду, менее стойка против загнивания,

поэтому при изготовлении тары под жидкие товары использовать

заболонь следует ограниченно.

Годичные слои, ранняя и поздняя древесина. На поперечном

разрезе видны концентрические слои, расположенные вокруг

сердцевины. Эти образования представляют собой ежегодный

прирост древесины. Называются они годичными слоями 8. На

радиальном разрезе годичные

слои имеют вид продольных полос, на

тангентальном - извилистых линий. Годичные слои нарастают

ежегодно от центра к периферии и самым молодым слоем является

наружный. По числу годичных слоев на торцовом разрезе на комле

можно определить возраст дерева. Ширина годичных слоев зависит от

породы, условий роста, положения в стволе. У одних пород

(

быстрорастущих) годичные слои широкие (тополь, ива), у других -

узкие (самшит, тис). В нижней части ствола расположены наиболее

узкие годичные слои, вверх по стволу ширина слоев увеличивается,

так как рост дерева происходит и в толщину и в высоту, что

приближает форму ствола к цилиндру. У одной и той же породы