Оснастка для изготовления замкнутых пустотелых оболочек с криволинейной образующей из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к оснастке для формования оболочек из полимерных композиционных материалов (ПКМ), получаемых ручной послойной выкладкой пакета наполнителя, в частности к производству замкнутых пустотелых оболочек с криволинейной образующей, и может быть использована в производстве оболочек для корпусов летательных аппаратов (ЛА), в том числе мотогондол авиационных двигателей.
В настоящее время при изготовлении пустотелых оболочек из ПКМ, получаемых ручной послойной выкладкой пакета наполнителя, формуемых в оснастке, существует проблема, заключающаяся в том, что вследствие уплотнения оснасткой слоистого пакета наполнителя оболочки в структуре материала возникают дефекты в виде складок в поверхностных слоях пакета наполнителя, влияющие на механическую прочность оболочки из ПКМ [1. Ханин М.В. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов / М.В. Ханин, Г.П. Зайцев. - М.: Химия, 1990. - с. 219-220].
Известно устройство [2. Пат. 2458791 RU, МПК (2006.01) В29С 63/14, В29С 44/12, В29С 51/12. Способ и оснастка для изготовления осесимметричных пустотелых оболочек (оболочек вращения) из полимерных композиционных материалов / Литвинов В.Б. и др. - Заявл. 05.08.2010; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23] для термоформования изделий с наполнителями путём навивки при производстве замкнутых осесимметричных оболочек с прямолинейной или пологой криволинейной образующей, имеющей постоянный знак гауссовой кривизны по всей своей длине. Оснастка содержит оправку, состоящую из центральной жёсткой части и размещённой на ней упругой оболочки из терморасширяющегося материала, имеющей внешний диаметр, превышающий внутренний диаметр получаемой оболочки, и разборную пресс-форму, установленную на оправке с образованием полости для размещения композиционного материала. Техническое решение [2.] ограничено областью применения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для изготовления изделий из ПКМ путём термокомпрессионного формования слоистого пакета наполнителя, набранного ручной послойной выкладкой препрега, размещённого на эластичном формующем элементе пресс-формы [3. Пат. на ПМ 9 53 11 RU, МПК (2006.01) В64С 27/64. Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов / Пнёв А.Г. и др. - Заявл. 25.09.2009; опубл. 27.06.2010, Бюл. №18.], в котором внутри препрега устанавливают вкладыш из силикона, содержащий отвердитель. Недостатком данного устройства является образование глубоких складок на наружной поверхности детали из ПКМ вследствие уплотнения препрега смыканием прессформы и прессования нагретым вкладышем из силикона, так как толщина пакета препрега, полученного послойной выкладкой, превышает толщину готовой детали. Глубокие поверхностные складки материала являются дефектами структуры материала и негативно влияют на механические свойства [1.].
Задачей заявляемой полезной модели является создание оснастки, предназначенной для снижения дефектности структуры материала оболочек из ПКМ, влияющей на механическую прочность.
Заявляемая оснастка для изготовления замкнутых пустотелых оболочек с криволинейной образующей из ПКМ состоит из пуансона и жёсткой разборной матрицы. Пуансон включает жёсткую оправку и размещённый на ней формующий элемент из эластичного терморасширяющегося материала. Внешняя поверхность формующего элемента выполнена с занижением контура относительно внутреннего контура отформованной оболочки. Формующая поверхность матрицы содержит систему натяжения поверхностных слоёв наполнителя заготовки оболочки, выполненную в виде выступающих рёбер округлой формы.
Полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1).
Оснастка для изготовления замкнутых пустотелых оболочек с криволинейной образующей из ПКМ состоит из пуансона, включающего жёсткую оправку 1 и размещённый на ней формующий элемент 2, выполненный из эластичного терморасширяющегося материала, и жёсткой разборной матрицы 3 из четырёх частей. Формующая поверхность матрицы 3 содержит систему 4 натяжения поверхностных слоёв наполнителя заготовки 5 оболочки. Система 4 выполнена в виде выступающих рёбер округлой формы, разнесённых относительно друг друга. Внешняя поверхность формующего элемента 2 выполнена с занижением контура относительно внутренней поверхности отформованной оболочки.
Заготовка 5 размещается на формующем элементе 2 пуансона, затем накрывается разборной матрицей 3. Смыканием стыковочных поверхностей матрицы 3 обеспечивается уплотнение слоёв наполнителя заготовки 5 и геометрическая форма оболочки. Формование изделия в оснастке завершается выдержкой заготовки 5 по режиму отверждения связующего. Система 4 воздействует давлением на поверхностные слои заготовки 5 и препятствует образованию глубоких складок материала в процессе уплотнения. Размеры формующего элемента 2 выбираются с учётом свойств объёмного термического расширения материала элемента 2 и температуры отверждения связующего. Для исключения складкообразования при уплотнении наполнителя заготовки 5 и придания изделию заданных геометрических параметров занижение внешнего контура формующего элемента 2 относительно внутреннего контура оболочки рассчитано так, чтобы при нагреве растянуть поверхностные слои заготовки 5 внутреннего контура термическим расширением формующего элемента 2.
Величина выступания отдельного ребра за контур матрицы, оптимальный контур ребра, обеспечивающий наибольшую площадь соприкосновения системы натяжения поверхностных слоёв наполнителя с заготовкой оболочки, фактическое расположение рёбер, количество рёбер определяются расчётным путём.
Техническим результатом полезной модели является снижение дефектности структуры материала оболочек из ПКМ.
Указанный технический результат достигается тем, что пуансон с размещённым на нём формующим элементом, выполненным из эластичного терморасширяющегося материала, имеет занижение внешнего контура относительно внутреннего контура отформованной оболочки, а формующая поверхность матрицы содержит систему натяжения поверхностных слоёв пакета наполнителя из ПКМ, выполненную в виде выступающих рёбер округлой формы.
Заявленное техническое решение можно применять для производства замкнутых пустотелых оболочек, не имеющих постоянный знак гауссовой кривизны и в продольном, и в поперечном направлении по всей своей длине.
Устройство может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание:
1. Ханин М.В. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов / М.В. Ханин, Г.П. Зайцев. - М.: Химия, 1990. - 256 с.
2. Пат. 2458791 RU, МПК (2006.01) В29С 63/14, В29С 44/12, В29С 51/12. Способ и оснастка для изготовления осесимметричных пустотелых оболочек (оболочек вращения) из полимерных композиционных материалов / Литвинов В.Б. и др. - Заявл. 05.08.2010; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.
3. Пат. на ПМ 95311 RU, МПК (2006.01) В64С 27/64. Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов / Пнёв А.Г. и др. - Заявл. 25.09.2009; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.
4. Пат. 4683099 US, МПК В29С 33/38 и др. Moulding of composite materials / Buxton F.A., Barraclough D.J. - Заявл. 20.02.1986; опубл. 28.07.1987.
5. Пат. 1479299 SU, МПК (2000.01) B29C 43/10, B29C 33/76, B29C 43/36. Пресс-форма для изготовления изделий из полимерных материалов / Шишков Г.М. и др. - Заявл. 23.07.1987; опубл. 15.05.1989, Бюл. № 18.
6. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: Уч. пос. / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин; Под ред. А.А. Берлина. - 3 изд., испр. - СПб: Профессия, 2011. - 560 с.
7. Пат. 2083367 RU, МПК (1995.01) В29С 43/12 и др. Способ формования осесимметричных пустотелых изделий из композиционных материалов / Артемьев А.В., Волосов Д.Р., Мовчан А.А. - Заявл. 14.12.1993; опубл. 10.07.1997.