Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к оправкам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом намотки и может быть использована для получения длинномерных профильных изделий в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.
Известна разборная оправка для намотки изделий из полимерных композиционных материалов. Разборную оправку применяют для изготовления замкнутых оболочек, из которых, вследствие их формы, нельзя извлечь цельную оправку (цилиндрические и сферические оболочки с днищами). В общем случае, разборная оправка состоит из трех частей, соответствующих профилированным днищам и цилиндрической части оболочки. Каждая из частей разрезана по образующей на тринадцать секторов, один из которых плоский. Части оправки, формирующие днища, устанавливаются в посадочных местах несущего вала, а затем после установки секторов цилиндрической части всю оправку закрепляют гайками. Для демонтажа оправки достаточно извлечь несущий вал и плоские секторы в каждой части, после чего остальные секторы удаляют из отвержденной оболочки через ее полюсные отверстия. Разборная оправка предназначена для многоразового использования и сравнительно легко удаляется из готового изделия. Она обеспечивает достаточную для намотки точность и жесткость намоточного узла (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. - с. 197-198).
К недостаткам известной разборной оправки, следует отнести ее невысокие технологические возможности. Данная разборная оправка не позволяет получать сложнопрофильные изделия из полимерных композиционных материалов с переменным профилем, выпукло-вогнутые, в том числе, гофрированные трубы. Оправка имеет избыточную конструктивную сложность и трудоемкость изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранная в качестве прототипа оправка для намотки сложнопрофильных изделий из полимерных композиционных материалов. Оправка содержит несущий вал с осевым каналом и радиальными сквозными каналами для создания вакуума, оболочку из термостойкой силиконовой резины с цилиндрическими отверстиями в торцевой части, порошкообразный наполнитель в виде мелкозернистого кварцевого песка функционально являющийся дополнительным несущим элементом, торцевые крышки, эксцентриковые зажимы и вакуумные клапаны.
Оправка обеспечивает многократное изготовление сложнопрофильных изделий методом намотки, в частности, длинномерных изделий с переменным профилем, выпукло-вогнутых изделий и гофрированных труб (Патент РФ №120915, опубл. 10.10.2012 г.).
Недостатком известной оправки, в том числе технической проблемой, является низкая работоспособность оправки и низкая производительность процесса намотки, обусловленные засорением радиальных сквозных каналов несущего вала оправки мелкозернистым кварцевым песком. Для устранения этого недостатка требуется частая разборка оправки и обратная продувка сквозных каналов, что увеличивает трудоемкость процесса намотки и снижает его производительность.
В процессе намотки на оболочку и находящийся под ней мелкозернистый кварцевый песок действуют силы намотки от наматываемой ленты или волокон. Попадание в процессе намотки мелкозернистого кварцевого песка, функционально являющегося дополнительным несущим элементом оправки, в радиальные сквозные каналы несущего вала, уменьшает количество песка под оболочкой, искажает наружную форму оправки и снижает точность наматываемого изделия.
В основу заявленной полезной модели положен технический результат - повышение точности наматываемого изделия.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности наматываемого изделия.
Технический результат достигается тем, что оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов, содержащая несущий вал с осевым и радиальными сквозными каналами и оболочку из термостойкой силиконовой резины, выполненную в виде вакуумно-герметичного узла с наполнителем, функционально являющимся дополнительным несущим элементом, расположенным между валом и оболочкой, согласно изобретению, несущий вал выполнен сборным из двух половин, сквозные радиальные каналы выполнены коническими, при этом в качестве наполнителя использован гранулированный металлический порошок с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов.
Полезная модель поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 схематично изображена схема конструкции оправки для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов.
Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов содержит несущий вал 1 с осевым 2 и радиальными 3 сквозными каналами и оболочку 4 из термостойкой силиконовой резины, выполненную в виде вакуумно-герметичного узла с наполнителем 5, функционально являющимся дополнительным несущим элементом, расположенного между несущим валом 1 и оболочкой 4. При этом несущий вал 1 выполнен сборным из двух половин, сквозные радиальные каналы 3 выполнены коническими, а в качестве наполнителя использован гранулированный металлический порошок с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов. Кроме этого, оправка может содержать торцевые крышки 6, эксцентриковые зажимы 7 и вакуумные клапаны 8.
Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов функционирует следующим образом.
Несущий вал 1, состоящий из двух половин, является основной деталью разборной оправки, на которую крепятся все остальные детали. Плоскость разъема несущего вала 1 проходит по горизонтальной оси симметрии, половины несущего вала соединяются между собой винтами (не показаны). Основной функцией несущего вала является создание конструктивной прочности и жесткости оправки в процессе намотки изделия. Помимо этого, несущий вал содержит систему сообщающихся воздушных каналов, состоящую из осевого канала 2 и множества сквозных конических радиальных каналов 3. В каждом сечении несущий вал имеет по шесть радиальных каналов. Воздушные каналы несущего вала предназначены для создания вакуума внутри оправки и через ручные вакуумные клапаны 8 сообщаются с вакуумным насосом (не показан). Гранулированным наполнителем 5 оправки является сухой гранулированный металлический порошок с диаметром гранул 2-3 мм. Диаметр гранул должен превышать наименьший (малый) диаметр сквозных конических радиальных каналов 3 несущего вала 1. Наиболее подходящим для этих целей видом наполнителя являются сферические гранулированные порошки на основе железа, полученные методом распыления. Засыпка наполнителя 5 может осуществляться двумя способами: вручную через воронку в вертикальном положении оправки на встряхивающей машине, или нагнетающим пневмотранспортом с помощью воздуходувки. В обоих случаях для засыпки наполнителя 5 оправка должна быть в полусобранном состоянии: с одной стороны оправки должна быть установлена торцевая крышка 6. Между торцевой крышкой 6 и несущим валом 1 с помощью эксцентрикового зажима 7 должна быть зажата оболочка 4. После уплотнения наполнителя 5 в рабочем пространстве оправки, устанавливается вторая торцевая крышка 6 и поджимается своим эксцентриковым зажимом 7. При этом цилиндрические выступы торцевой крышки 6 должны входить в отверстия оболочки 4. Это способствует созданию между несущим валом 1, оболочкой 4 и торцевой крышкой 6 герметичного стыка и дополнительно уплотняет наполнитель 5 в рабочем пространстве оправки. Между несущим валом 1 и торцевыми крышками 6 устанавливаются резиновые прокладки, также способствующие герметичности конструкции оправки. После сборки оправки с помощью вакуумного насоса в рабочем пространстве оправки создают вакуум и перекрывают его ручным вакуумным клапаном 8. Уровень вакуума зависит от сложности и размеров наматываемого изделия 9, и максимально достигает 10 мбар. Под действием вакуума гранулированный наполнитель 5 уплотняется до монолитного состояния и к нему притягивается оболочка 4. Оправка готова для намотки.
Оболочка 4 разборной оправки изготавливается из термостойкой силиконовой резины, которая имеет хорошую упругость и низкую адгезию к материалам наматываемого изделия. Форма оболочки 4 определяет форму наматываемого изделия 9. Применение предлагаемой оправки наиболее целесообразно для намотки профильных изделий сложной формы, которые нельзя намотать на традиционных разборных оправках. После намотки и отверждения изделия 9, открывается любой из вакуумных клапанов 8. При этом гранулированный наполнитель 5 переходит в сыпучее состояние. После снятия торцевых крышек 6, наполнитель 5 высыпают из оправки. Силиконовую оболочку 4 извлекают из изделия 9 вместе с несущим валом 1. Упругие и эластичные свойства силиконовой оболочки 4 позволяют использовать ее для многократной намотки.
Несущий вал 1 имеет сборную конструкцию, состоящую из двух половин, с плоскостью разъема по горизонтальной оси симметрии. Сборная конструкция несущего вала 1 позволяет выполнить в нем сквозные конические радиальные каналы 3. Коническая форма сквозных радиальных каналов 3 исключает их засорение наполнителем 5, как в процессе сборки оправки, так и в процессе намотки.
В процессе намотки на эластичную оболочку 4 и находящийся под ней гранулированный наполнитель 5, функционально являющийся дополнительным несущим элементом оправки, действуют силы намотки от наматываемой ленты или волокон. Наполнитель 5 в виде сухого гранулированного металлического порошка имеет диаметр гранул 2-3 мм, что превышает наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов 3 несущего вала 1.
При этом исключается попадание гранул наполнителя 5 под действием сил намотки в сквозные конические радиальные каналы 3 несущего вала 1, их засорение и уменьшение количества наполнителя 5 под оболочкой 4, которое в противоположном случае приводит к искажению наружной формы оправки и снижению точности наматываемого изделия.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение точности наматываемого изделия за счет использования сборного несущего вала со сквозными коническими радиальными каналами и гранулированного металлического порошка с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для повышения точности длинномерных профильных изделий в различных отраслях промышленности за счет использования сборного несущего вала со сквозными коническими радиальными каналами и гранулированного металлического порошка с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов;
для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.