Оглавление
Введение 1
Расчет цилиндрической зубчатой передачи 9
Применение композитных материалов 14
Заключение 15
Список использованной литературы 16
Введение
Композиционный материал – это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В своем проекте мы рассмотрим простую планетарную передачу, произведем расчет зубчатой передачи по заданным характеристикам, а так же заменим рабочие детали механизма композиционными материалами.
В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении в основном связаны с разработкой и широким применением композиционных материалов (композитов).
Комбинирование различных веществ остается сегодня одним из основных способов создания новых материалов. Большинство современных конструкционных материалов представляют собой композиции, например железобетонные конструкции, стеклопластиковые баллоны давления, автомобильные шины и т.п. Во всех случаях – это система разных материалов, каждый из составляющих которой имеет свое конкретное назначение применительно к рассматриваемому готовому изделию. Ни резина, ни корд автомобильной шины не могут выполнять своей функции независимо, они используются совместно и должны рассматриваться как единая композиция. Таким образом, композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.
Композиционные материалы делают с использованием “композитной” технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних.
Гоночные яхты, легкие и прочные, делают из другого композита – стеклопластика: полимера, армированного стекловолокном. Это, можно сказать, классический пример современного подхода к композитам. Чтобы его создать, технологам пришлось отыскивать новые свойства традиционного материала. Например, из одного кубического сантиметра стекла можно вытянуть тончайшую нить в 450 километров. При этом свойства стекла разительно меняются. Оно совершенно теряет хрупкость, легко гнется и …растворяется в воде. Приходится прятать стеклянные нити от воздействия влаги внутрь фенолформальдегидных, эпоксидных и других водонепроницаемых смол. Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали, которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных.
Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем, из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие (микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее распространенных материалов для получения композитов в наши дни. Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют нитевидные структуры, которые образуются при направленной кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти идеальный – отсюда и высочайшая прочность.
В недалеком будущем можно представить: конструктор садится к компьютеру, набрасывает эскиз зубчатого колеса или другой детали, задает размеры, допуски, указывает, какими прочностными, температурными и прочими характеристиками должна обладать данная деталь в том или ином сечении. ЭВМ в своей памяти отыскивает композиционный материал, отвечающий заданным требованиям, и разрабатывает технологический процесс получения детали. Полученный техпроцесс передается на автоматизированную технологическую линию, где без участия человека изготавливается спроектированная деталь.
Уже сегодня на вертолетах Камова доля композитов составляет более половины их веса, благодаря чему ресурс машины увеличился вдвое, а трудоемкость изготовления снизилась в 1,5-2,0 раза.
По мнению специалистов, сверхзвуковые пассажирские самолеты второго поколения, которые появятся в небе уже в начале следующего столетия, будут на 60-70% состоять из композитов.
Японские инженеры готовы начать выпуск автомобилей с керамическими двигателями, которым не нужна система охлаждения – ведь керамика выдерживает нагрев в тысячи градусов. А это позволит на 20-30% облегчить двигатель, уменьшить его габариты.
Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.
В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.
Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица.
У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его деформировании обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Другая отличительная особенность волокнистой композиционной структуры – анизотропия свойств.
По типу матриц композиционные материалы можно классифицировать (рис.1) как материалы с полимерной матрицей, углеродной и металлической.
Рисунок 1. Детали конструкции автомобиля из композиционных
Композиты с полимерной матрицей в качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. В качестве армирующих элементов используют непрерывные и дискретные волокна различной природы (стеклянные, углеродные, органические, борные и т.д.), ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы.
Достоинства композитов с полимерной матрицей следующие: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность, радиопрозрачность стеклопластиков и т.п. К достоинствам этих материалов следует отнести также и то, что при их изготовлении относительно легко при умеренных температуре и давлении удается соединить армирующие элементы с матрицей.
К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкие тепловая и радиационная стойкость, гигроскопичность, подверженность изменению физико-механических характеристик при старении и под действием климатических факторов.
Композиты с углеродной матрицей. Низкая тепловая и эрозионная стойкость, а также некоторые другие недостатки полимерных композитов в основном определяются полимерной матрицей. Качественно новый уровень свойств материала позволяет получить карбонизация полимерной матрицы, реализуемая при образовании углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), представляющих собой систему углеродное волокно – углеродная матрица, подобную по физико-механическим свойствам углеродным волокнам, позволяющую наиболее полно реализовать в композите универсальные свойства углеродного волокна.
УУКМ обладают рядом ценных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью, хорошей стойкостью к термоудару, низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам (возможность использования в химическом машиностроении, атомной энергетике и др.).
В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще. Для них характерны высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости; эти материалы сохраняют стабильность своих характеристик в более широких температурных интервалах, чем материалы с полимерными матрицами.
Для конструкционных композитов в качестве матричных составляющих преимущественно применяются алюминий, титан, сплавы на основе этих металлов, а также магниевые сплавы.
В производстве и обработке рассматриваемых материалов необходимо различать получаемые на предварительной стадии полуфабрикаты композита (препреги), к которым относятся волокна с покрытиями, предварительно пропитываемые жгуты волокон, плетеные “ремни”, сетки, пористые ленты с одним слоем волокон. Впоследствии их используют в качестве элементов сборных многослойных заготовок, которые затем подвергаются процессам формообразования, раскроя, сварки, механической обработки.
Технология получения композиционных материалов достаточно сложна, энергоемка и требует специальных вакуумных установок. Армирующие элементы волокнистых композитов (волокна) получают многими методами: механическими – вытягивание тонкой проволоки, разрезание фольги (как правило, из нержавеющей стали) и т.п.; из расплавленных металлов – фонтанирование через сопло, вытягивание из расплавленной капли и т.п.; химическими – выращивание нитевидных кристаллов (окислы алюминия, нитраты и карбиды кремния, волокна бора, волокна углерода).
Реальная прочность металлических конструкционных материалов в 4-5 раз меньше теоретической, что во многом определяется нарушениями в кристаллической решетке этих материалов, объясняемыми дислокациями. Причем у цилиндрических поверхностей (волокон) чем меньше диаметр, тем количество дислокаций меньше и относительная прочность волокон выше, например, предельное напряжение на разрыв нити диаметром 22 мкм – 22 кг/мм2, а у нити диаметром 2,5 мкм – 560 кг/мм2. Примерно в 25 раз прочностные характеристики выше, потому что в тонких нитях дефектов меньше. Дислокации определяют характер пластического деформирования кристаллов, прочность металлов. Поэтому разработка новых технологий создания бездислокационных структур и использование нитевидных кристаллов являются перспективными. Оказывается, что максимальная прочность не у стальных волокон, а у волокон углерода. Будучи в 5 раз легче стали, они в 3 раза превосходят по прочности ее лучшие сорта.
Покажем порядок выполнения технологических операций при получении композиционного материала с полимерной матрицей. В качестве упрочнителя используются арамидные волокна типа кевлар, которые вытягивают из синтетической смолы, родственной нейлону (или капрону). Технология сложна:
· смолу (микромолекулы) растворяют в серной кислоте, удаляют примеси и пузырьки воздуха, пропускают через фильеру (нитеобразователь), затем нити направляют в осадительную машину (для термообработки). Получаем прочное и жесткое волокно;
· из нитей плетут ткани различного переплетения;
· готовят препрег (ткани арамидных волокон, пропитанные наполнителями и связующими);
· препрег раскраивают и помещают в “стапели” – технологическую оснастку;
· “стапель” помещают в автоклав (вакуумную установку) и в течение требуемого времени выдерживают при заданных температуре и давлении; при этом формируются деталь и сам композит, то есть совмещаются производство детали и материала.
Покажем свойства композиционных материалов на примере углепластиков (упрочнитель – углеродные волокна, а матрица – полимерная смола):
· высокая прочность,
· радиационная стойкость,
· высокая плотность,
· морозостойкость,
· низкий коэффициент термического расширения,
· химическая стойкость,
· регулируемые электрофизические характеристики,
· вибропрочность в 5 раз выше, чем у металлов,
· низкая энергоемкость при производстве,
· недостатки: высокая стоимость.
Углепластики находят применение от конструктивных элементов деталей машин до медицинского оборудования. Так использование композитов в самолете СУ-26М (до 50 % детали из углепластиков) привело к увеличению ресурса в 1,5-2 раза.
Экономическую эффективность применения композитов можно представить из следующих рассуждений:
· разница по удельному весу в 4 раза по сравнению со сталью, поэтому использование одной тонны стеклопластиков заменяет 4 тонны стали;
· при изготовлении деталей методами резания до 50% материала идет в стружку, у композиционных материалов в отход уходит до 10%, что также дает экономию примерно в 2 раза. Следовательно, 1 тонна стеклопластика экономит 8 тонн выплавляемой стали;
· вибропрочность, коррозионная стойкость композитов выше примерно в 2 раза, что делает их более долговечными.
В конечном итоге при правильной эксплуатации на 1 тонну композитов приходится экономия 16-25 тонн выплавляемой стали. Спрос на композиционные материалы растет. Так, в странах западной Европы в 1977 г. использовано 350 тыс. тонн композитов, в 1986 г. – 1000 тыс. тонн, а к 2000 г. планируется использование 2000 тыс. тонн. В перспективе использование так называемых “интеллектуальных” композитов. Они более экономичны, чем материалы, получаемые металлургическими способами.