УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области ракетной техники, преимущественно к изготовлению антенных обтекателей из кварцевой керамики, может быть использована в других отраслях промышленности.
Из уровня техники известны устройства для изготовления оболочки антенного обтекателя из кварцевой керамики, в которых применяются литьевые формы для шликерного литья с использованием гипсовых влагопоглощающих матриц из гипса.
В патенте РФ №2207949, опубликованном 10.07.2003 по индексу МПК В28В 1/26, заявлено устройство для формования керамических изделий из водных шликеров, содержащее влагопоглощающую матрицу, сердечник, узлы для их взаимной соосной установки и подпитки. Наружная поверхность сердечника имеет слой из пористого влагопоглощающего материала с увеличивающейся толщиной от вершины к основанию. В данном устройстве обеспечивается снижение градиента скорости формирования стенок изделий по высоте и повышение их качества. Однако сформированное изделие требует тщательной механической обработки.
2
3
В патенте РФ №2644453, опубликованном 12.02.2018 по индексу МПК H01Q 1/42, заявлена группа изобретений «Антенный обтекатель ракеты из кварцевой керамики и способ его изготовления». Способ включает формование керамической заготовки методом шликерного литья в гипсовой форме из водного шликера кварцевого стекла с содержанием SiO не менее 99,9% при влажности 13-16% полидисперсного зернового состава с размером частиц в пределах 0,1-500 мкм, спекание оболочки по режиму, исключающему образование в материале кристаболита до плотности 1,97-2,01 г/см, после чего производят механическую обработку изделия алмазным инструментом дозаданных параметров и толщины стенки с утолщением в зоне шпангоута и носка, а также нанесение и пропитку пористой оболочки органополимером, например, ТМФТ, МФСС-8, по внутренней поверхности и фторопластовыми или кремнийорганическими эмалями по наружной поверхности до общей толщины не более 0,1 λ. В данном техническом решении уделено особое внимание нанесению наружного влагозащитного покрытия оболочки, а также механической обработке изделия после выемки его из литьевой формы. Данный способ характеризует применение соответствующего устройства для формования керамической заготовки методом шликерного литья в гипсовой форме.
В патенте РФ №2452618, опубликованном 10.06.2012 по индексу МПК В28В 1/26, заявлено устройство для формования керамических изделий из водных шликеров, которое содержит гипсовую влагопоглощающую матрицу, пассивный сердечник, узлы их взаимной соосной установки, систему подачи и подпитки шликера с подпиточными емкостями, литниковое кольцо и заливочный штуцер. Контуры формующих поверхностей матрицы и сердечника выполнены, исходя из условия постепенного уменьшения зазора между ними к носку на 2-4 мм, сердечник размещен относительно литникового кольца с зазором 2-3 мм. Литниковое кольцо установлено в матрице по цилиндрической посадке. В литниковом кольце имеется сообщающаяся с заливочной полостью матрицы круговая полость, у которой внутренняя боковая стенка выполнена с уклоном в сторону сердечника, а торец литникового кольца расположен в зоне влагопоглощающей матрицы.
В данном изобретении заявлено улучшение качества изделий с уменьшением припуска на механическую обработку. Таким образом, изготовление изделия требует тщательной механической обработки, что затрудняет получение качественного обтекателя, включая его возможное растрескивание. Кроме того, к недостаткам относится:
- недостаточная точность получаемой в процессе шликерного литья заготовки, увеличенные допуски по толщине заготовки (толщина заготовки, не менее 20 мм) ведут к необходимости ее последующей механической обработки в размер и, соответственно, к возможному появлению концентраторов напряжения и дополнительному снижению прочности оболочки;
- значительная влажность и неоднородность структуры по высоте и диаметру, что требует повышенной температуры и длительного процесса сушки заготовки, вследствие чего возникают напряжения при усадке материала;
-значительная неоднородность структуры готового изделия по высоте и диаметру, вызванная повышенной пористостью полученной заготовки, при этом неоднородность еще возникает вследствие длительного набора черепка, так как взвешенные частицы в шликере оседают;
-длительный цикл изготовления, включающий операции неоднократной сушки отформованных заготовок при ограничении скорости роста температуры не более 1,5°С/мин на 1 мм толщины оболочки, механической обработки, многократной пропитки кремнийорганической смолой.
Патент РФ №2452618 выбран за прототип новой полезной модели - установки для изготовления керамической оболочки антенного обтекателя.
Конструкция полезной модели направлена на получение изделия оболочки антенного обтекателя, где не требуется механической обработки отформованных заготовок и обеспечивается высокое заданное качество антенного обтекателя.
Технический результат достигается за счет специальной конструкции установки, где в литьевой форме использована влагопоглощающая матрица из полимерного материала, который обеспечивает точность формы матрицы, т.к. имеет постоянный коэффициент усадки, который учитывается при изготовлении литьевой формы. В результате данного свойства полимерной матрицы увеличена точность получаемого изделия - оболочки, а также сохранение формы матрицы за счет прочности и износостойкости позволяет осуществить ее многократное использование, что сокращает технологический цикл при изготовлении серии изделий.
Задача полезной модели решается в установке для изготовления керамической оболочки антенного обтекателя, содержащей корпус с фланцами вершины и основания корпуса, внутри которого расположена литьевая форма, включающая влагопоглощающую матрицу и сердечник, выполненные из пассивного материала, а также узлы герметизации и систему подачи и подпитки шликера. В отличие от прототипа, установка снабжена вакуумной системой, сообщающейся с литьевой формой со стороны носовой части сердечника через вакуумный штуцер, литьевая форма дополнительно содержит матрицу для формирования носика оболочки, при этом влагопоглощающая матрица и матрица носика оболочки выполнены из полимерного материала, влагопоглощающая полимерная матрица выполнена высокоточной, в которой участок для формирования носовой части оболочки обтекателя выполнен в виде усеченного конуса с выточенным при вершине контуром носовой части оболочки обтекателя. В данный участок вставлена матрица носика оболочки обтекателя, к основанию сердечника вплотную прикреплен распределительный фланец с заливочными отверстиями, выполненных по окружности в его рабочей периферической части относительно сердечника, а уступ распределительного фланца образует посадочную поверхность для соосного соединения его с фланцем основания корпуса, узлы герметизации выполнены в виде герметизирующих фланцев, установленных с обеих торцевых сторон литьевой формы и соединенных с фланцами корпуса с помощью креплений, расположенных по окружности фланцев корпуса. Герметизирующий фланец, расположенный со стороны носика сердечника, включает съемный штуцер для соединения с вакуумной системой, а второй герметизирующий фланец, расположенный со стороны основания сердечника, является заливочным, и сообщается с системой подачи и подпитки шликера, представляющей собой шаровой кран, соединенный через подводящую магистраль с заливочной емкостью, которая выполнена с возможностью подачи шликера под давлением.
В установке использовано съемное юстировочное устройство; в соединениях герметизирующих фланцев с корпусом целесообразно дополнительно включать уплотнители.
Количество заливочных отверстий распределительного фланца по сумме площадей сечений приближено к площади сечения подводящей магистрали шликера. Подводящая магистраль представляет собой трубу, жестко соединяющую шаровой кран и заливочную емкость.
На Фиг. 1 представлен чертеж, поясняющий в разрезе конструкцию установки для изготовления керамической оболочки антенного обтекателя методом шликерного литья, подготовленную к заливке шликером.
На Фиг. 2 - вид распределительного фланца сверху.
На Фиг. 3 - вид распределительного фланца в разрезе А-А.
На фигурах 1-3 обозначены:
1. Корпус
2. Полимерная влагопоглощающая матрица.
3. Сердечник.
4. Распределительный фланец с заливочными отверстиями.
5. Герметизирующий фланец со стороны носика сердечника.
6. Герметизирующий фланец заливочный.
7. Матрица носика оболочки.
8. Заливочные отверстия распределительного фланца.
9. Винт котировочный.
10. Крепление распределительного фланца с сердечником.
11. Крепление распределительного фланца с корпусом.
12. Вакуумный штуцер.
13. Крепление заливочного фланца с корпусом.
14. Крепление фланца со стороны носика сердечника с корпусом.
15. Уплотнитель корпуса с заливочным фланцем.
16. Уплотнитель корпуса с фланцем со стороны носика сердечника.
17. Шаровой кран.
18. Подводящая магистраль.
19. Заливочная емкость.
20. Фланец вершины корпуса.
21. Фланец основания корпуса.
22. Уступ распределительного фланца (поверхность скользящей посадки).
В соответствии с Фиг. 1 литьевая форма, расположенная в корпусе 1 с фланцами 20 и 21, представляет собой емкость в форме усеченного конуса, внутри которой соосно сформирована полимерная влагопоглощающая матрица 2 для образования внешнего контура заданной формы оболочки антенного обтекателя. Сердечник 3 соосно установлен внутри полимерной влагопоглощающей матрицы 2. Поверхность сердечника 3 имеет заданную форму внутреннего контура будущей керамической оболочки. К основанию сердечника 3 вплотную прикреплен распределительный фланец 4 с заливочными отверстиями 8, выполненных по окружности в его рабочей периферической части относительно сердечника 3. Уступ 22 распределительного фланца 4 образует круговую посадочную поверхность для соосного соединения его с фланцем 21 корпуса 1. Посадочные поверхности фланца 21 и распределительного фланца 4 выполнены высокоточно по скользящей посадке. Узлы герметизации выполнены в виде герметизирующих фланцев, установленных с обеих торцевых сторон литьевой формы и соединенных с фланцами 20 и 21 корпуса 1 с помощью креплений, расположенных по окружности фланцев 20 и 21. Герметизирующий фланец 5, расположенный со стороны носика сердечника 3, включает съемный вакуумный штуцер 12 для соединения с вакуумной системой, а второй герметизирующий фланец 6, расположенный со стороны основания сердечника 3, является заливочным, и сообщается с системой подачи и подпитки шликера, представляющей собой шаровой кран 17, соединенный через подводящую магистраль 18 с заливочной емкостью 19, которая выполнена с возможностью подачи шликера под давлением.
Распределительный фланец 4 с заливочными отверстиями 8 отдельно представлен на Фиг. 2 - вид сверху и на Фиг. 3 - вид в разрезе А-А. На данных фигурах для наглядности изображена оригинальная конструкция распределительного фланца 4, который обеспечивает соосную установку сердечника 3 с полимерной влагопоглощающей матрицей 2, а также заливку шликера в образованный между ними зазор.
Заливочные отверстия 8 имеют величину и количество, определяющие оптимальную технологическую целесообразность заливки шликера в пространство между сердечником 3 и полимерными матрицами 2 и 7 при условии оптимального поступления шликера, для чего целесообразно использование заливочной емкости 19 с регулируемым давлением.
Новая установка снабжена вакуумной системой (на чертеже не показана), сообщающейся посредством вакуумного штуцера 12 с литьевой формой со стороны носовой части сердечника 3, вставленного в полимерную влагопоглощающую матрицу 2, выполненной высокоточной, в которой участок для формирования носовой части оболочки обтекателя выполнен в виде усеченного конуса с выточенным при вершине контуром носовой части оболочки обтекателя. В данный участок вставлена матрица 7 носика оболочки.
Все крепления: крепление 10 распределительного фланца 4 с сердечником 3, крепление И распределительного фланца 4 с фланцем 21 корпуса 1, крепление 13 заливочного герметизирующего фланца 6 с фланцем 21 корпуса 1 и крепление 14 герметизирующего фланца 5 со стороны носика сердечника 3 с фланцем 20 корпуса 1 выполнены в виде болтовых соединений, количество которых обусловлено целесообразностью технологических условий для обеспечения точной установки и общими размерами литьевой формы для изготовления заданного размера изделия - оболочки антенного обтекателя.
Участок в толще полимерной влагопоглощающей матрицы 2 со стороны носовой части будущей оболочки в виде усеченного конуса сформирован для точной установки юстировочного приспособления (на чертеже не показано), сосной установки сердечника 3, замыкания контура литьевой формы установкой матрицы носика 7.
Юстировочное приспособление - оптический визир, например микроскоп, используется перед заливкой оболочки, для обеспечения соосности сердечника 3 с полимерной влагопоглощающей матрицей 2. Работы по юстировке производятся с помощью юстировочных винтов 9. После завершения юстировочных работ сердечник 3 фиксируется креплением распределительного фланца 11 к фланцу корпуса 21. Затем вместо юстировочного устройства устанавливается матрица 7 носика оболочки, которая фиксируется герметизирующим фланцем 5 с вакуумным штуцером 12 болтами 14. Минимальное количество юстировочных винтов 9 должно быть три, а большее количество может быть целесообразно при изготовлении соответствующего изделия.
К фланцу 21 корпуса 1 литьевой формы крепится герметизирующий заливочный фланец 6 с помощью крепления 13. Герметизирующий заливочный фланец 6 сообщается с шаровым краном 17, который через трубу подводящей магистрали 18 сообщается с заливочной емкостью 19, которая выполнена с возможностью подачи шликера под давлением, что обусловлено техническим требованием производителя к материалу полимерной матрицы 2 (пористый материал представляет собой трехкомпонентную полимерную смолу для изготовления форм для литья под давлением в санитарно-керамической промышленности).
Процесс изготовления керамической оболочки антенного обтекателя происходит следующим образом: предварительно изготавливается технологическая оснастка, одной из основных частей которой является высокоточная полимерная влагопоглощающая матрица 2, расположенная в корпусе 1. Внутренняя поверхность полимерной матрицы 2 формируется с помощью съемной матрицы внешнего контура оболочки (на чертеже не показано), изготовленной предпочтительно из алюминия, на станке с числовым программным управлением (ЧПУ), и с высокой точностью повторяющим контур формы внешнего контура оболочки антенного обтекателя. После формирования внешнего контура оболочки вставляется сердечник 3, изготовленный предпочтительно из алюминия, на станке с ЧПУ, и с высокой точностью повторяющим контур формы внутренней оболочки антенного обтекателя. Сердечник 3 прочно фиксируется креплениями 11 распределительного фланца 4 с фланцем корпуса 21.
В результате установки сердечника 3 между его поверхностью и внутренней полостью полимерной формы матрицы 2 образуется фигурная полость для формирования заданной формы оболочки антенного обтекателя с добавлением по основанию удаляемой технологической части.
После завершения юстировки технологическую оснастку готовят к процессу заливки шликера из кварцевой керамики. Вначале устанавливается заливочный герметизирующий фланец 6 с шаровым краном 17 со стороны основания сердечника 3 и крепится к фланцу 21 корпуса 1 болтами 13.
2
2
Готовится шликер из кварцевого стекла. В емкость 19 заливается шликер и через трубу подводящей магистрали 18 подсоединяется к закрытому шаровому крану 17. Шаровой кран 17 обеспечивает подготовку оснастки к заливке. В закрытом положении крана 17 перед заливкой шликера и в процессе набора его массы с помощью вакуумного устройства (на чертеже не показано) через штуцер 12 удаляется воздух из литьевой формы до разряжения 0,05-0,15 кгс/см. После этого в заливочной емкости 19 создается избыточное давление шликера 4-6 кгс/см.
Подготовленным водным шликером из кварцевого стекла из заливочной емкости 19 по подводящей магистрали 18 через кран 17 и распределительные заливочные отверстия 8 распределительного фланца 4 заполняется внутреннее свободное пространство литьевой формы в объеме от 7,0 л до 8,5 л приготовленного шликера на одно изготавливаемое изделие, что обусловлено параметрическими заданиями продукта. Объем приготавливаемого шликера рассчитывается с учетом остатка шликера в емкости 19 для создания избыточного давления из-за того, что жидкость продавливается через полимерную матрицу, в результате чего на стенках полимерной формы начинают формироваться стенки изделия. Уровень жидкости в форме понижается, поэтому необходима постоянная подпитка формы шликером.
По истечении 1,5 часов залитый шликер застывает, кран 17 закрывается, из емкости 19 сбрасывается давление, снимается подводящая магистраль 18 с емкостью 19. С заливочной емкости 19 сливается лишний шликер, затем сливается лишний шликер из оснастки, открытием крана 17. После этого, снимается герметизирующий фланец 6 и извлекается сердечник 3. Затем отключается откачивающий воздух насос (на чертеже не показан), отсоединяется герметизирующий фланец 5 с матрицей 7 носовой части оболочки. Изготовленный сырец оболочки антенного обтекателя подсушивается сжатым воздухом комнатной температуры и созданием избыточного давления со стороны носовой части, заготовка-сырец оболочки извлекается из технологической оснастки, затем производят сушку сырца оболочки антенного обтекателя при температуре 150°С в течение 3 часов (темп нагрева 1°С/мин). Затем осуществляется термообработка заготовки при температуре 1100-1200°С в течение 1,5-2 часов. От основания заготовки отделяют технологическую часть.
Заготовку оболочки обтекателя пропитывают погружением в ванну с этилсиликатом на 3 часа, затем она вынимается и ставится на сито для стекания излишков этилсиликата (около 2-3 минут), после чего помещается на 48 часов в водный аммиачный раствор с концентрацией 1-4.5% для гидролиза этилсиликата. Затем оболочка обтекателя вынимается из ванны и ставится для просушки при комнатной температуре на 24 часа, после чего помещается в печь на 2-4 часа с температурой 150-200°С. По истечении времени остывания готовая оболочка обтекателя достигает комнатной температуры.
Сравнение заявляемой полезной модели с известными техническими решениями показывает, что новая установка имеет следующие отличительные особенности:
- использование в технологической оснастке высокоточной полимерной матрицы, изготовленной с учетом усадки кварцевой керамики и усадки пористого полимера матрицы, а также с применением юстировочного приспособления, позволяет достичь равнотолщинности по поперечному сечению тела оболочки и изготавливать изделия из кварцевой керамики точно в размер без дальнейшей механической обработки;
- оснастка из пористого полимера обладает стабильным коэффициентом усадки, в отличие от гипса, который дает набухание, величина которого зависит от содержания влаги в гипсе;
- применение пористого полимера ввиду прочности и износостойкости поверхности позволяет производить до 600-800 съемов оболочек, что в 12-16 раз больше чем на гипсовой оснастке;
- изделие не подвергается механической обработке, что в свою очередь исключает образование микротрещин в процессе, тем самым повышается прочность изделия;
- использование вакуума и избыточного давления в процессе шликерного литья позволяет достичь одинаковой плотности изделия как по высоте, так и по диаметру, и обеспечить бесконтактный съем изделия.
Предложенная установка для реализации способа решает поставленную задачу за счет оригинально разработанных конструктивных элементов и точности их выполнения и компоновки.
Технические решения, реализованные в изобретении, разработаны на уровне конструкторской документации и изготовления опытного образца.