Композитная формообразующая оснастка
COMPOSITE MOLDING TOOLS

Изобретение относится к области машиностроения, авиадвигателестроения, ракетостроения, а именно к композитной формообразующей оснастке и может быть использовано для изготовления конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Ближайшим по технической сущности и достигаемому результату к изобретению относится известная в уровне техники композитная формообразующая оснастка, представляющая собой тонкие обшивки толщиной 0,8…2,0 мм, например, из стеклотекстолита или металла, устанавливаемые на формуемую поверхность изделия по окончании процесса укладки композиционного материала на формообразующую оправку одним из известных способов, например, намоткой/выкладкой перед режимом отверждения, фиксируемые, при необходимости, и имеющие формообразующую поверхность идентичную профилю формуемого изделия (И.М. Буланов, В.В. Воробей «Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из КМ», стр. 143. прототип).
При использовании двух и более обшивок данной конструкции обшивки устанавливают на формуемую поверхность изделия последовательно друг за другом с зазором по сопрягаемым боковым сторонам, величина которого необходима и достаточна для обеспечения их беспрепятственного перемещения в процессе режима отверждения при уменьшении профиля изделия вследствие усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия, возникающей под воздействием температуры и давления.
Величина зазора определяется опытным путем в зависимости от свойств используемого при изготовлении изделия полимерного композиционного материала.
Преимуществом данной конструкции оснастки является возможность обеспечения формуемого профиля изделия без механической обработки.
Недостатком данной конструкции оснастки является наличие сопоставимых по величине с толщиной обшивок переформовок (отпечатков) композиционного материала на формуемой поверхности изделия по сопрягаемым боковым сторонам обшивок вследствие вдавливания их контура под воздействием внешнего давления и температуры в процессе режима отверждения.
Общими признаками прототипа и заявленного технического решения являются: композитная формообразующая оснастка состоит из обшивки одинаковой по толщине, имеющей формообразующую поверхность идентичную профилю формуемого изделия.
Задачей изобретения является создание композитной формообразующей оснастки для формования изделий из ПКМ,обеспечивающей точность и качество изготовления.
Достигаемый технический результат:
повышение геометрических и качественных характеристик формуемого изделия:
- исключаются переформовки (отпечатки) композиционного материала на формуемой поверхности изделия по сопрягаемым боковым сторонам обшивок оснастки;
- обеспечивается заданная точность профиля изделия.
Технический результат достигается тем, что композитная формообразующая оснастка, состоящая из обшивки одинаковой по толщине, имеющей формообразующую поверхности идентичную профилю формуемого изделия, согласно изобретению содержит не менее 2-х обшивок, на части толщины которых по сопрягаемым между собой боковым сторонам выполнены равномерные занижения толщины со стороны формообразующей поверхности в виде идентичных по профилю скосов, предназначенных для установки обшивок внахлест с обеспечением возможности их перемещения относительно друг друга с условием сохранения одинаковой толщины обшивок и сплошности формообразующей поверхности в процессе формообразования под воздействием давления и температуры в процессе режима отверждения в пределах, необходимых и достаточных для компенсации уменьшения профиля изделия вследствие термической усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия.
По сопрягаемым боковым сторонам обшивок у одной обшивки уменьшение толщины выполнено в направлении к формообразующей поверхности до минимально возможной толщины кромки обшивки, а у другой - в направлении от формообразующей поверхности.
Поверхности сопрягаемых обшивок вне профиля занижения толщины параллельны друг другу и предназначены для ограничения перемещения обшивок в пределах необходимых и достаточных для компенсации уменьшения профиля изделия вследствие усадки полимерной матрицы композиционного материала под воздействием давления и температуры в процессе режима отверждения.
Заявляемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем, так как содержит существенные отличительные признаки по сравнению с прототипом, характеризуется новой совокупностью и взаимосвязью существенных признаков общих и отличительных, проявляющих при использовании новые технические свойства, достигаются новые результаты, не присущие аналогам.
На рисунке представлен общий вид композитной формообразующей оснастки для варианта формования изделий из ПКМ замкнутого контура.
Композитная формообразующая оснастка состоит из трех одинаковых по толщине обшивок 1, 2 и 3 с формообразующими поверхностями 4, идентичными профилю формуемого изделия. Обшивки 1, 2 и 3 на части толщины сопрягаемых между собой боковых сторон имеют равномерные занижения в виде выполненных со стороны формообразующей поверхности 4 идентичных по профилю скосов 5 и 6. С одной боковой стороны обшивок 1, 2 и 3 по поверхностям сопряжения выполнены равномерные занижение толщины в направлении к формообразующей поверхности 4 до минимально возможной толщины кромки обшивки - скосы 5, а с другой - в направлении от формообразующей поверхности 4 - скосы 6. Обшивки 1, 2 и 3 по сопрягаемым боковым сторонам устанавливаются внахлест и имеют возможность перемещения друг относительно друга в процессе уменьшения профиля изделия под воздействием давления и температуры в пределах усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия без нарушения сплошности формообразующей поверхности 4 с сохранением одинаковой толщины обшивок 1, 2, 3. Поверхности 7 и 8 обшивок 1, 2, 3 вне профиля занижения толщины параллельны друг другу и препятствуют выходу обшивок из сопряжения при уменьшении профиля изделия вследствие усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия под воздействием температуры и давления в процессе режима отверждения, обеспечивая заданную согласно конструкторской документации точность профиля изделия.
На формуемую поверхность изделия из ПКМ по окончании процесса укладки композиционного материала на формообразующую оправку одним из известных способов, например намоткой/выкладкой, устанавливают обшивку 1. Обшивку 2 устанавливают внахлест на обшивку 1, сопрягая поверхность скоса 6 обшивки 2 с поверхностью скоса 5 обшивки 1 и формируя зазор между поверхностями 7 и 8. Обшивку 3 устанавливают аналогично установке обшивки 1, сопрягая поверхность скоса 5 обшивки 3 с поверхностью скоса 6 обшивки 1, при этом поверхность скоса 6 обшивки 3 сопрягается внахлест с поверхностью скоса 5 обшивки 2. Обшивки на поверхности изделия закрепляют одним из известных способов, например хомутами, создают давление, необходимое и достаточное для формования ПКМ изделия. Зазоры, образованные между поверхностями 7 и 8 сопрягаемых обшивок 1, 2 и 3, в сумме составляют величину не менее величины термической усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия.
В процессе режима отверждения под воздействием температуры и давления вследствие уменьшение профиля изделия обшивки 1, 2 и 3 перемещаются друг относительно друга по поверхностям скосов 5, 6, сближаясь между собой по поверхностям 7 и 8 в пределах, необходимых и достаточных для компенсации уменьшения профиля изделия вследствие усадки полимерной матрицы композиционного материала изделия, сохраняя при этом одинаковую толщину обшивок и сплошность формообразующей поверхности 4, вследствие чего обеспечивается точность профиля и качество формуемой поверхности изделия согласно конструкторской документации.
Таким образом, заявленная конструкция оснастки исключает переформовки ПКМ изделия на формуемой поверхности, т.к. отсутствует эффект вдавливания контура сопрягаемых кромок обшивок в ПКМ изделия за счет обеспечения одинаковой толщины обшивок и сплошности формообразующей поверхности на протяжении всего цикла формования изделия за счет установки обшивок внахлест по сопрягаемым боковым сторонам и перемещения их в процессе формования по равномерно заниженным по толщине сопрягаемым боковым поверхностям обшивок в виде идентичных по профилю скосов в пределах термоусадки ПКМ, за счет чего обеспечивается качество и точность формуемого профиля изделия в соответствии с требованиями конструкторской документации.
При использовании предлагаемой конструкции оснастки для формования изделий незамкнутого контура или при формовании изделия с использованием 2-х обшивок заявленное конструктивное решение применяется только для сопрягаемых боковых сторон.
Заявленная в качестве изобретения конструкция композитной формообразующей оснастки по сравнению с прототипом обеспечивает при формовании изделий из ПКМ качество формуемой поверхности, точность геометрии готового изделия без механической обработки при формовании как замкнутого, так и незамкнутого профиля без ограничения по габаритам.
Предлагаемая конструкция оснастки реализована при формовании поверхности наружного покрытия в виде цельнотканой многослойной заготовки толщиной 5 мм, пропитанной эпоксидным связующим, нанесенной на поверхность изделия в виде трубы диаметром порядка 700 мм, при изготовлении которого переформовки композиционного материала не допускаются. Заявленный технический результат и заданные параметры по качеству и точности готового изделия достигнуты.