Способ изготовления изделий из композиционных материалов
METHOD OF MAKING PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из композиционных материалов (КМ), а именно оболочек для силовых конструкций, например вкладышей сопловых блоков ракетных двигателей, для изготовления которых используют эрозионностойкие углеродные наполнители, обладающие незначительной деформативностью, и может быть использовано при изготовлении изделий из КМ в различных областях промышленности.
Известен способ изготовления изделий из КМ, включающий нанесение пропитанного связующим наполнителя на жесткую оправку методом кольцевой намотки с последующим формованием при помощи эластичной диафрагмы под воздействием температуры, вакуума и давления («Технология ракетных и аэродинамических конструкций из композиционных материалов», И.М. Буланов, В.В. Воробей, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, стр. 128, 146-148, 177-182, 448-450).
Известный способ имеет технологические ограничения в части обеспечения прочностных и эрозионных характеристик изделия. Так, например, при изготовлении изделий из КМ на основе углеродного армирующего наполнителя тканой структуры, обладающего незначительной деформативностью, в процессе отверждения происходит усадка исходного материала порядка 30-40%. В результате усадки исходного материала образуются значительные по амплитуде хаотичные искривления наполнителя в структуре КМ, вызванные перемещением слоев наполнителя с большего диаметра, образуемого нанесением исходного материала на оправку, к меньшему диаметру, образующемуся по окончании процесса отверждения. Хаотичность искривлений наполнителя в структуре КМ обусловлена использованием при формовании эластичной диафрагмы. Искривления структуры наполнителя выходят на наружную поверхность изделия в виде складок и гофр, а по внутренней поверхности образуют зоны осмолений в виде заполненных связующим участков между искривлениями наполнителя. Искривление структуры наполнителя КМ, наличие гофр, складок снижает прочность изделия вследствие нарушения целостности наполнителя при перерезании его искривлений в процессе мехобработки, а наличие зон осмолений - его эрозионную стойкость. Кроме того, наличие гофрообразования по наружной поверхности требует увеличения размера технологических припусков под мехобработку, что приводит к дополнительному расходу материала и повышению трудоемкости изготовления.
Известен способ изготовления изделий из КМ в виде оболочек вращения из пропитанной связующим углеродной ленты путем комбинации в процессе намотки лент тканой структуры для намотки внутренних слоев и лент трикотажной структуры для намотки внешних слоев с последующим формованием при помощи эластичной диафрагмы под воздействием температуры, вакуума и давления (патент РФ на изобретение №2215653, МПК В29С 53/56, B29D 22/00, B29K 101/00, B29L 22/00).
Использование указанного способа для изготовления изделий типа силовых оболочек вращения снижает гофрообразование по высоте на наружной поверхности за счет использования при формировании внешних слоев изделия углеленты трикотажной структуры, обладающей большей по сравнению с углелентой тканой структуры деформативностью и позволяющей увеличить при намотке удельное натяжение в 1,5-3 раза, тем самым уплотнив структуру КМ, за счет чего снижается искривление наружных слоев наполнителя при усадочных процессах. Однако это не решает проблему возникновения искривлений наполнителя тканой структуры при формировании внутренних слоев КМ и образование в результате этого зон осмолений по внутренней поверхности изделия, что существенно снижает его прочность и эрозионную стойкость.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления изделий из КМ с угольным наполнителем тканого плетения, включающий нанесение пропитанного связующим наполнителя в виде угольной ленты на жесткую оправку, изготовление двух партий, одинаковых по толщине, но различающихся по конфигурации поперечного сечения и жесткости резиновых жгутов, равномерное размещение их на наружной поверхности пакета исходного материала вдоль образующей изделия путем чередования, скрепление с исходным материалом с целью исключения возможности сползания и отверждение при помощи эластичной диафрагмы под воздействием температуры, вакуума и давления (патент РФ №2373052, МПК В29С 43/30, В29С 70/34).
Размещение резиновых жгутов на наружной поверхности полного пакета исходного материала не решает проблемы гофрообразования по поверхности и наличия искривлений наполнителя в структуре КМ, возникающих в процессе усадки исходного материала, а позволяет лишь упорядоченно их распределить за счет равномерного расположения жгутов вдоль образующей изделия. Наличие искривлений наполнителя, как на наружной поверхности изделия, так и во внутренней структуре КМ снижает прочность изделия вследствие нарушения целостности наполнителя при перерезании его искривлений в процессе мехобработки, что требует увеличения технологических припусков под мехобработку и приводит к дополнительному расходу исходного материала и повышению трудоемкости изготовления изделия. Кроме того, использование резиновых жгутов различных по конфигурации поперечного сечения и жесткости обусловливает необходимость расширения номенклатуры используемых резин, оснастки для их изготовления, а расположение их в направлении образующей изделия равномерно по периметру требует надежной фиксации в целях исключения возможности смещения жгутов относительно друг друга в процессе неконтролируемого обжатия эластичной диафрагмой при режиме отверждения, что предполагает увеличение затрат на изготовление дополнительной оснастки, материалов и трудоемкости.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение прочностных характеристик с сохранением эрозионных свойств изделий из КМ, снижение затрат на их изготовление.
Достигаемый технический результат: исключение гофрообразований по наружной поверхности изделия, уменьшение амплитуды искривлений слоев наполнителя во внутренней структуре КМ, снижение усадки исходного материала за счет обеспечения максимально приближенного положения наполнителя в слоях пакета исходного материала к его положению в изделии, снижение трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из КМ, включающем нанесение пакета пропитанных связующим слоев исходного материала на жесткую оправку, изготовление резиновых жгутов прямоугольного поперечного сечения, размещение их между пакетом исходного материала и эластичной диафрагмой, отверждение под воздействием температуры, вакуума и давления, передаваемым поверхности пакета через эластичную диафрагму и резиновые жгуты, удаление жгутов после отверждения, механическую обработку заготовки на размер, пакет слоев исходного материала наносят последовательно друг на друга группами слоев, каждую группу слоев после нанесения последнего слоя уплотняют кольцевой навивкой резинового жгута, укладывая витки с натяжением вплотную друг к другу и выдерживая в течение времени, необходимого и достаточного для реализации усадочных процессов в исходном материале под воздействием упругих деформаций резины жгута, жгут после уплотнения каждой промежуточной группы слоев удаляют, а после уплотнения последней группы слоев пакета - фиксируют на поверхности.
Перед нанесением первой группы слоев оправку нагревают до температуры, не превышающей температуру начала процесса гелеобразования в связующем, используемом при пропитке слоев исходного материала, с целью повышения деформативности исходного материала в процессе его контакта с разогретой поверхностью оправки и усиления эффективности дальнейшего уплотнения резиновым жгутом.
Нанесение исходного материала последовательно группами слоев с уплотнением каждой резиновым жгутом за счет реализации его упругих деформаций позволяет обеспечить максимально приближенное положение наполнителя в слоях пакета исходного материала к его положению в изделии, снизив амплитуду искривлений структуры КМ при усадочных процессах во время проведения режима отверждения под воздействием вакуума, давления и температуры, передаваемыми через эластичную диафрагму, а навивка резинового жгута в кольцевом направлении позволяет полностью исключить гофрообразование на наружной поверхности и обеспечить надежную фиксацию жгута без дополнительных креплений.
Предлагаемый способ реализован при изготовлении заготовки цилиндрической формы с толщиной стенки 60 мм из пропитанного фенолформальдегидным связующим СФ-010 угольного наполнителя тканой структуры марки УРАЛ-Т22Р ГОСТ 28005 толщиной 0,45-0,65 мм в следующей последовательности:
1. Из резиновой смеси 51-2110 методом прессования изготавливают резиновые жгуты прямоугольного профиля. Параметры профиля жгута подбираются опытным путем исходя из необходимости создания достаточных усилий для уплотнения исходного материала под воздействием упругих деформаций резины. Для удобства укладки жгута на начальном и конечном витках, а также для качественного уплотнения краевых зон заготовки концы жгута подрезают под углом, величина которого зависит от параметров используемого профиля поперечного сечения жгута.
2. Изготавливают исходный материал, пропитывая угольный наполнитель тканевого переплетения марки УРАЛ-Т22Р связующим СФ-010.
3. Определяют расчетным методом ориентировочное количество слоев в пакете исходного материала, исходя из толщин заготовки и угольного наполнителя. Количество слоев составило - 120-130.
4. Исходя из возможности обеспечения максимального приближения положения угольного наполнителя в слоях группы пакета исходного материала к его положению в заготовке под воздействием упругих деформаций резины, опытным путем определяют оптимальное количество слоев в единичной группе пакета - 20-25 слоев.
5. Разогревают оправку до температуры, не превышающей температуру начала процессов гелеобразования в используемом при пропитке наполнителя связующем (в конкретном случае использован разогрев до 70°С), что позволяет увеличить деформативность исходного материала в процессе его контакта с разогретой поверхностью оправки и повысить эффективность дальнейшего уплотнения резиновым жгутом по описанному ниже способу.
6. Наносят первую группу слоев исходного материала в количестве 20-25 шт. на оправку методом кольцевой намотки.
7. По окончании нанесения последнего слоя первой группы слоев навивают резиновый жгут, создавая натяжение и укладывая витки кольцевой навивкой вплотную друг к другу. Фиксация резинового жгута в процессе кольцевой навивки осуществляется за счет плотной укладки витков между собой и ограничительными поверхностями (фланцами) оправки. В результате этого возникает замкнутая система, позволяющая удерживать резиновый жгут в напряженно-деформируемом состоянии, что позволяет преобразовать упругие деформации резины в усилие давления на исходный материал, максимально приближая положение наполнителя в нанесенных слоях к его положению в заготовке после завершения усадочных процессов в процессе режима отверждения.
8. Выдерживают в течение 20-30 мин. Достаточность времени выдержки определена опытным путем в результате периодического измерения периметра заготовки. При выдержке более указанного времени величина периметра оставалась практически неизменной, что подтвердило окончание усадочных процессов в группе слоев нанесенного материала под воздействием упругих деформаций резины жгута.
9. Удаляют жгут, наносят следующую группу слоев исходного материала (20-25) и уплотняют по описанному выше способу. Процесс повторяют до окончательного нанесения всех слоев пакета исходного материала, используя тот же самый жгут, что и при уплотнении первой группы слоев.
10. Наносят фторопластовую ленту на пакет исходного материала, перекрывая его по окончании нанесения последнего слоя, создавая тем самым антиадгезионный слой между пакетом и резиновым жгутом, и антиадгезионную смазку на резиновый жгут с целью беспрепятственного удаления его с поверхности контакта после отверждения.
11. Навивают резиновый жгут по описанному выше способу, образовывая контур заготовки, укладывают слои дренажного материала, закрепляют и устанавливают оправку с заготовкой в эластичную диафрагму, герметично закрепленную в гидроклаве.
12. Проводят окончательную сборку гидроклава, закачивают рабочую жидкость и создают давление, плотно прижимающее эластичную диафрагму к поверхности навитого в кольцевом направлении резинового жгута, формирующего наружную поверхность заготовки. Плотная кольцевая навивка резинового жгута на заготовку препятствует неконтролируемому обжатию пакета исходного материала эластичной диафрагмой в процессе режима отверждения, что позволяет полностью исключить гофрообразование по наружной поверхности.
13. Проводят отверждение исходного материала под воздействием температуры, вакуума и давления по известной технологии.
14. Разбирают гидроклав по окончании отверждения, извлекают оправку с заготовкой, освобождают от дренажных слоев и резинового жгута.
15. Снимают заготовку с оправки и проводят механическую обработку.
Визуальным осмотром заготовки после отверждения зафиксировано отсутствие гофрообразования по наружной поверхности, а после механической обработки торцов - снижение амплитуды искривлений наполнителя в структуре КМ. Физико-механические характеристики отвержденного КМ, определенные из технологического припуска заготовки, подтвердили увеличение прочностных характеристик практически в два раза.
Использование предлагаемого способа позволит по сравнению с прототипом повысить прочностные характеристики отвержденного КМ, снизить усадку исходного материала до 10%, сократить расходы на исходный материал и технологическую оснастку, уменьшить трудоемкость изготовления.