СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ОСНАСТКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PRODUCING LARGE-SIZED TOOLING FROM COMPOSITION MATERIAL

Изобретение относится к области изготовления крупногабаритных изделий из композиционных материалов, в частности обшивок и панелей аэродинамических поверхностей летательных аппаратов, лемнискантных входов газотурбинных двигателей, коков обтекателей, мотогондол и может быть использовано в авиационной и ракетной технике.
Известна «Оправка для изготовления оболочек из композиционного материала» по патенту РФ на изобретение №2329896, содержащая центральный вал с опорами, имеющий возможность вращения вокруг своей оси, установленный на опорах соосно валу без возможности вращения технологический кожух, состоящий по крайней мере из двух частей, с внутренней формообразующей поверхностью, контактирующей с наружной поверхностью формуемой оболочки, при этом опоры выполнены со съемными наружными кольцами, на которые опирается технологический кожух, опоры установлены на центральном валу на подшипниках и соединены с центральным валом, например, штифтами, прижим формуемой оболочки к формообразующей поверхности технологического кожуха осуществлен установленной на центральном валу между опорами спиральной пружиной, с надетым на эту пружину растягивающимся чехлом, прилегающим к внутренней поверхности формуемой оболочки, в растягивающемся чехле установлены равномерно по окружности относительно оси центрального вала по крайней мере шесть трубок, в которых установлены штанги, которые зафиксированы в отверстиях, расположенных в опорах на окружности совпадающей с окружностью расположения трубок в растягивающемся чехле.
Недостатком известного устройства по патенту РФ на изобретение №2329896 является высокая трудоемкость изготовления оболочек с криволинейной образующей, так как технологический кожух, контактирующей с наружной поверхностью формуемой оболочки, должен состоять из большого числа частей, обеспечивающих высокую точность размеров внутренней формообразующей поверхности.
Известен «Способ изготовления крупногабаритной полимерной оснастки» по патенту РФ на изобретение №2375185, заключающийся в том, что изготавливают первый негативный неметаллический болван, для чего обрабатывают его номинальную поверхность до получения рабочей поверхности эквидистантно заниженной от номинальной поверхности, напыляют на рабочую поверхность слой полимочевины или полиуретана и подвергают механической обработке до размера номинальной поверхности первого негативного болвана, после чего на него поверх слоя из полимочевины или полиуретана наносят антиадгезионный состав, затем по поверхности первого негативного болвана изготавливают позитивный болван, для чего на готовый первый негативный болван напыляют слой полимочевины или полиуретана, аналогичный наносимым при изготовлении первого негативного болвана, наносят слой стеклопластика, приформовывают и отверждают его в вакуумном мешке, затем снимают позитивный болван с первого негативного болвана, и по позитивному болвану изготавливают второй негативный болван, для чего на готовый позитивный болван напыляют слой полимочевины или полиуретана, аналогичный наносимым при изготовлении позитивного болвана, затем наносят слой стеклопластика, приформовывают и отверждают его в вакуумном мешке, причем второй негативный болван используют в качестве оснастки.
Недостатком известного «Способ изготовления крупногабаритной полимерной оснастки» по патенту РФ на изобретение №2375185 является высокая трудоемкость изготовления первого негативного неметаллического болвана, так как обеспечение высокой точности размеров рабочей поверхности эквидистантно заниженной от номинальной поверхности негативного неметаллического болвана при его механической обработке требует постепенного уточнения размеров, а следовательно, значительного времени на обработку и контроль получаемых размеров.
Известен «Корпус гидроциклона» по патенту РФ на изобретение №2561366, принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий многослойную оболочку вращения с конической или конической совместно с цилиндрической в верхней части формой внутренней поверхности, выполненный из композиционных материалов с полными и зонными слоями из перекрестных спиральных нитей, уложенных по геодезическим траекториям и скрепленных полимерным связующим, при этом полюса зонных слоев располагаются в верхней части конической поверхности оболочки, полюсные части зонных слоев располагаются на внутренней поверхности оболочки.
Недостатком известного «Корпуса гидроциклона» по патенту РФ на изобретение №2561366 является высокая трудоемкость изготовления многослойной оболочки вращения с полными и зонными слоями из перекрестных спиральных нитей, наматываемых автоматизированной намоткой на высокоточную крупногабаритную металлическую оправку, так как намотка каждого слоя требует значительного времени на подготовку и настройку оборудования.
Перед заявляемым изобретением поставлена задача снижения трудоемкости изготовления крупногабаритной оснастки из композиционного материла с геометрическими формами высокой точности.
Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что способ изготовления крупногабаритной оснастки из композиционного материала включает изготовление первого негативного болвана, заключающееся в напылении на рабочую поверхность покрытия первого негативного болвана с припуском на механическую обработку, отверждение покрытия первого негативного болвана, механическую обработку покрытия первого негативного болвана до размера номинальной поверхности, нанесение на номинальную поверхность антиадгезионного состава, затем изготовление по первому негативному болвану позитивного болвана, заключающееся в напылении на номинальную поверхность первого негативного болвана покрытия позитивного болвана, отверждение покрытия позитивного болвана, нанесение на покрытие позитивного болвана слоя композиционного материала, его формование и отверждение, снятие позитивного болвана с первого негативного болвана, нанесение на номинальную поверхность позитивного болвана антиадгезионной композиции, затем изготовление по позитивному болвану второго негативного болвана, заключающееся в напылении на номинальную поверхность позитивного болвана покрытия второго негативного болвана, отверждение покрытия второго негативного болвана, нанесение на покрытие второго негативного болвана массива композиционного материала, его формование и отверждение, снятие второго негативного болвана с позитивного болвана и его использование в качестве оснастки, при этом первый негативный болван изготавливают послойным синтезом со стенкой рабочей поверхности равной толщины δ и подкрепляющим ее силовым набором, позитивный болван изготавливают со слоем композиционного материала равной толщины δ1 и подкрепляющим его силовым набором из того же композиционного материала, второй негативный болван изготавливают с массивом композиционного материала равной толщины δ2 и подкрепляющим его силовым набором из того же композиционного материала, толщина δ1 слоя композиционного материала позитивного болвана и толщина δ2 массива композиционного материала второго негативного болвана равны (δ1=δ2), при изготовлении позитивного болвана и второго негативного болвана используют одинаковый композиционный материал.
Заявленное изобретение отличается от известного «Способа изготовления крупногабаритной полимерной оснастки» по патенту РФ на изобретение №2375185 тем, что первый негативный болван изготавливают послойным синтезом со стенкой рабочей поверхности равной толщины δ и подкрепляющим ее силовым набором, позитивный болван изготавливают со слоем композиционного материала равной толщины δ1 и подкрепляющим его силовым набором из того же композиционного материала, второй негативный болван изготавливают с массивом композиционного материала равной толщины δ2 и подкрепляющим его силовым набором из того же композиционного материала, толщина δ1 слоя композиционного материала позитивного болвана и толщина δ2 массива композиционного материала второго негативного болвана равны (δ1=δ2), при изготовлении позитивного болвана и второго негативного болвана используют одинаковый композиционный материал.
Указанное отличие позволило получить технический результат, а именно, обеспечило снижение трудоемкости изготовления крупногабаритной оснастки из композиционного материла с геометрическими формами высокой точности.
На фиг. 1 представлен продольный разрез оснастки при изготовлении позитивного болвана по первому негативному болвану.
На фиг. 2. представлен продольный разрез оснастки при изготовлении второго негативного болвана по позитивному болвану.
На фиг. 3. представлен продольный разрез первого негативного болвана с напыленным на рабочую поверхность покрытием первого негативного болвана и с припуском на механическую обработку.
На фиг. 4 представлено аксонометрическое изображение стенки рабочей поверхности равной толщины δ и подкрепляющей ее силового набора первого негативного болвана, изготовленного послойным синтезом.
На фиг. 5 представлено аксонометрическое изображение слоя композиционного материала равной толщины δ1 и подкрепляющего его силового набора из того же композиционного материала позитивного болвана.
На фиг. 6 представлено аксонометрическое изображение массива композиционного материала равной толщины δ2 и подкрепляющего его силового набора из того же композиционного материала второго негативного болвана.
На фиг. 7 представлен продольный разрез второго негативного болвана, используемого в качестве оснастки.
Способ изготовления крупногабаритной оснастки из композиционного материала (фиг. 1-7) включает изготовление первого негативного болвана 1, заключающееся в напылении на рабочую поверхность 2 покрытия 3 первого негативного болвана 1 с припуском 4 на механическую обработку, отверждение покрытия 3 первого негативного болвана 1, механическую обработку покрытия 3 первого негативного болвана 1 до размера номинальной поверхности 5, нанесение на номинальную поверхность 5 антиадгезионного состава 6, затем изготовление по первому негативному болвану 1 позитивного болвана 7, заключающееся в напылении на номинальную поверхность 5 первого негативного болвана 1 покрытия 8 позитивного болвана 7, отверждение покрытия 8 позитивного болвана 7, нанесение на покрытие 8 позитивного болвана 7 слоя 9 композиционного материала, его формование и отверждение, снятие позитивного болвана 7 с первого негативного болвана 1, нанесение на номинальную поверхность 5 позитивного болвана 7 антиадгезионной композиции 10, затем изготовление по позитивному болвану 7 второго негативного болвана 11, заключающееся в напылении на номинальную поверхность 5 позитивного болвана 7 покрытия 12 второго негативного болвана 11, отверждение покрытия 12 второго негативного болвана 11, нанесение на покрытие 12 второго негативного болвана 11 массива 13 композиционного материала, его формование и отверждение, снятие второго негативного болвана 11 с позитивного болвана 7 и его использование в качестве оснастки, при этом первый негативный болван 1 изготавливают послойным синтезом со стенкой 14 рабочей поверхности 2 равной толщины δ и подкрепляющим ее силовым набором 15, позитивный болван 7 изготавливают со слоем 9 композиционного материала равной толщины δ1 и подкрепляющим его силовым набором 16 из того же композиционного материала, второй негативный болван 11 изготавливают с массивом 13 композиционного материала равной толщины δ2 и подкрепляющим его силовым набором 17 из того же композиционного материала, толщина δ1 слоя 9 композиционного материала позитивного болвана 7 и толщина δ2 массива 13 композиционного материала второго негативного болвана 11 равны (δ1=δ2), при изготовлении позитивного болвана 7 и второго негативного болвана 11 используют одинаковый композиционный материал.
Работу по предлагаемому способу осуществляют следующим образом (фиг. 1-7). Первый негативный болван 1 содержит стенку 14 рабочей поверхности 2 равной толщины δ и подкрепляющий ее силовой набор 15, на рабочую поверхность 2 напыляют покрытие 3 первого негативного болвана 1 с припуском 4 на механическую обработку (фиг. 3). Рабочая поверхность 2 представляет собой криволинейную поверхность, например, лемнискантный вход газотурбинного двигателя. Стенку 14 рабочей поверхности 2 и подкрепляющий ее силовой набор 15 изготавливают из полимера, например, из АБС-пластика, с геометрическими формами высокой точности послойным синтезом по электронной модели на 3D-принтере при минимальном расходе материала (фиг. 4). Равная толщина δ стенки 14 рабочей поверхности 2 обеспечивает равномерность нагрева и охлаждения при термообработке, а, следовательно, минимизацию внутренних напряжений и отсутствие короблений в первом негативном болване 1. Уменьшение внутренних напряжений в первом негативном болване 1 обуславливает высокую размерную точность рабочей поверхности 2 стенки 14. Стенка 14 рабочей поверхности 2 равной толщины δ и подкрепляющий ее силовой набор 15 обеспечивают минимальную массу первого негативного болвана 1 при максимальной жесткости и прочности. Минимальная масса стенки 14 рабочей поверхности 2 равной толщины δ и подкрепляющего ее силового набора 15 обуславливает минимальный расход материала на их изготовление, а, следовательно, минимизацию времени послойного синтеза на 3D-принтере. Механическая обработка рабочей поверхности 2 стенки 14 не требуется, так как послойный синтез на 3D-принтере обеспечивает ее высокую размерную точность. На рабочую поверхность 2 стенки 14 напыляют покрытие 3 первого негативного болвана 1, например, из полимочевины или полиуретана, с припуском 4 на механическую обработку. Так как рабочая поверхность 2 стенки 14 имеет высокую размерную точность, то припуск 4 на механическую обработку покрытия 3 минимален. После отверждения покрытия 3 его механически обрабатывают, снимая припуск 4, до размера номинальной поверхности 5, которая является эталонной поверхностью и эквидистантна рабочей поверхности 2. На номинальную поверхность 5 наносят антиадгезионный состав 6, например, на восковой или фторопластовой основе, сушат и полируют его. Трудоемкость изготовления первого негативыного болвана 1 заметно сокращается по сравнению с традиционной технологией механической обработки заготовки с последовательным уточнением размеров рабочей поверхности 2 стенки 14.
Затем по первому негативному болвану 1 изготавливают позитивный болван 7, который содержит покрытие 8 позитивного болвана 7, отформованное со слоем 9 композиционного материала, например, стеклопластика, равной толщины δ1 и подкрепляющий его силовым набором 16 из того же композиционного материала (фиг. 1). Позитивный болван 7 изготавливают, напыляя на номинальную поверхность 5 покрытие 8, например, из полимочевины или полиуретана. После отверждения покрытия 8 на него наносят слой 9 композиционного материала равной толщины δ1 и устанавливают подкрепляющий его силовой набор 16 из того же композиционного материала (фиг. 5). После чего всю сборку приформовывают и отверждают, например, в вакуумном мешке или в автоклаве. После отверждения сборку извлекают из вакуумного мешка или автоклава. Позитивный болван 7 снимают с первого негативного болвана 1. На номинальную поверхность 5 наносят антиадгезионную композицию 10, например, на восковой или фторопластовой основе, сушат и полируют ее. Равная толщина δ1 слоя 9 композиционного материала обеспечивает равномерность нагрева и охлаждения при термообработке, а, следовательно, минимизацию внутренних напряжений и отсутствие короблений в позитивном болване 7. Уменьшение внутренних напряжений в позитивном болване 7 обуславливает высокую размерную точность номинальной поверхности 5. Слой 9 равной толщины δ1 и подкрепляющий его силовой набор 16 обеспечивают минимальную массу позитивного болвана 7 при максимальной жесткости и прочности.
Затем по позитивному болвану 7 изготавливают второй негативный болван 11, который содержит покрытие 12 второго негативного болвана 11, отформованное с массивом 13 композиционного материала, например, стеклопластика, равной толщины δ2 и подкрепляющим его силовым набором 17 из того же композиционного материала (фиг. 2). Второй негативный болван 11 изготавливают, напыляя на номинальную поверхность 5 покрытие 12, например, из полимочевины или полиуретана. После отверждения покрытия 12 на него наносят массив 13 композиционного материала равной толщины δ2 и устанавливают подкрепляющий его силовой набор 17 из того же композиционного материала (фиг. 6). После чего всю сборку приформовывают и отверждают, например, в вакуумном мешке или в автоклаве. После отверждения сборку извлекают из вакуумного мешка или автоклава. Второй негативный болван 11 снимают с позитивного болвана 7. Равная толщина δ2 массива 13 композиционного материала обеспечивает равномерность нагрева и охлаждения при термообработке, а, следовательно, минимизацию внутренних напряжений и отсутствие короблений во втором негативном болване 11. Уменьшение внутренних напряжений во втором негативном болване 11 обуславливает высокую размерную точность номинальной поверхности 5. Массив 13 равной толщины δ2 и подкрепляющий его силовой набор 17 обеспечивают минимальную массу второго негативного болвана 11 при максимальной жесткости и прочности. Проводят обмер номинальной поверхности 5 на втором негативном болване 11 на соответствие требованиям чертежа, при отсутствии отклонений вне поля допуска второй негативный болван 11 запускают в производство.
Толщина δ1 слоя 9 композиционного материала позитивного болвана 7 и толщина δ2 массива 13 композиционного материала второго негативного болвана 11 равны (δ1=δ2). Это условие обеспечивает одинаковую жесткость позитивного болвана 7 и второго негативного болвана 11 при формовании и отверждении, а, следовательно, уменьшение внутренних напряжений и отсутствие короблений номинальной поверхности 5. Изготовление оснастки в три перехода, а именно, первого негативного болвана 1 послойным синтезом по электронной модели из полимера, а также позитивного болвана 7 и второго негативного болвана 11 из одинакового композиционного материала позволяют получить высокую размерную точность номинальной поверхности 5 за счет схожести коэффициента линейного температурного расширения.
Второй негативный болван 11 используют в качестве оснастки (фиг. 7). При этом предполагают, что формуемое от номинальной поверхности 5 второго негативного болвана 11 изделие изготавливают из такого же композиционного материала, как и композиционный материал массива 13 и подкрепляющего его силового набора 17. Одинаковость материалов обеспечивает высокую размерную точность изделия.
Изобретение позволило получить технический результат, а именно, обеспечило снижение трудоемкости изготовления крупногабаритной оснастки из композиционного материла с геометрическими формами высокой точности.