ГИБРИДНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
HYBRID FIXTURE FOR COMPOSITE PARTS SOLIDIFICATION

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к оснастке для отверждения композитных деталей и, более конкретно, к выполненной из стали и термореактивного сплава гибридной оснастке для отверждения композитных деталей.
Предпосылки создания изобретения
Для отверждения композитной детали необходимо уложить материал слоями и затем отвердить его в автоклаве в форме, придавая ему геометрию конечной детали. Во время цикла отверждения между молекулами смолы образуются связи, придающие материалу необходимые механические свойства. Для этого материал нужно подвергнуть циклу воздействия температуры и давления внутри автоклава, ограничивая лист кожухом на герметичной оснастке и закрыв его вакуумным мешком.
Геометрия оснастки при температуре отверждения смолы должна соответствовать геометрии готовой детали, учитывающей коэффициенты теплового расширения самого материала и оснастки. Для учета этого эффекта применяются поправочные коэффициенты геометрии оснастки, что усложняет ее конструкцию. Для изготовления оснастки идеально было бы использовать материал, имеющий такой же коэффициент теплового расширения, что и отверждаемая деталь так, чтобы таким образом с момента, когда смола отвердеет, и во время ее охлаждения, геометрия детали идеально соответствовала оснастке, и опорные точки, выполненные на оснастке, были бы отмечены на детали в правильном положении.
Это должно быть совместимо с тем фактом, что материал, применяемый для изготовления оснастки, должен иметь наименьшую возможную тепловую массу, сохраняя определенные механические характеристики и характеристики долговечности, что позволяет применять такую оснастку в промышленном производстве, в частности, для циклической обработки в автоклаве, без ухудшения таких характеристик.
Применение термореактивных металлических материалов, например, среди прочих, имеющих коммерческое наименование INVAR 36, NILO 36, позволяет достичь характеристик, необходимых для производства оснастки для отверждения в автоклаве, хотя они обладают некоторыми недостатками по сравнению с другими обычными металлическими материалами, также используемыми в оснастке, такими как конструкционные стали. Среди наиболее важных сравнительных недостатков, влияющих на процесс, следует отметить следующие: худшие механические характеристики, меньшая температуропроводность, большая тепловая масса и значительно более высокая стоимость сырья.
Краткое описание изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается оснастка, которая удовлетворительно решает ранее упомянутые проблемы, особенно в отношении крупногабаритной оснастки, применяемой в самолетостроении.
Согласно настоящему изобретению оснастка содержит:
- опорную структуру, выполненную из металлического материала с высокой температуропроводностью, такого как конструкционная сталь;
- плиту основания с геометрией поверхности, идентичной геометрии отверждаемой детали, выполненную из термореактивного металлического материала, такого как INVAR 36 или NILO 36;
- промежуточную структуру между опорной структурой и плитой основания, имеющую ячеистую конфигурацию типа картонной упаковки для яиц, выполненную из термореактивного материала, такого как INVAR 36 или NILO 36; при этом стороны каждой ячейки достаточно облегчены, чтобы обеспечить поток воздуха под плитой основания во время цикла отверждения; и
- средства для крепления промежуточной структуры к опорной структуре, которые обеспечивают возможность их свободного расширения.
Оснастка выполнена с одной стороны из недорогих материалов с высокой температуропроводностью для достижения нужных термомеханических характеристик, а с другой стороны из термореактивных металлических материалов на ее полезной поверхности, что позволяет производить детали из композита без ограничений, налагаемых разными коэффициентами расширения детали и оснастки.
Упомянутая конфигурация позволяет получить оснастку с наименьшей тепловой массой, снизить количество необходимого сырья, в свою очередь, иметь достаточную конструктивную жесткость, так, чтобы геометрия детали была правильной, что особенно желательно для крупногабаритной оснастки, применяемой в самолетостроении.
Промежуточная структура, предпочтительно, выполнена посредством облегченных продольных кронштейнов и поперечных кронштейнов.
Опорная структура может быть образована двумя продольными двутавровыми балками, соединенными посредством поперечных элементов, при этом упомянутые балки могут содержать множество выравнивающих пластин, выполненных из стали, приваренных к их фланцам так, чтобы образовать ее нижнюю опорную поверхность и опорную плоскость на ней для промежуточной структуры.
Средства крепления промежуточной структуры к опорной структуре, предпочтительно, содержат скользящие полозья на выравнивающих пластинах, присоединенные винтами к уголковым элементам, приваренным к поперечным кронштейнам, и болты, проходящие сквозь них и сквозь выравнивающие пластины на верхнем фланце балок, сквозь отверстия в полозьях и уголковых элементах, имеющие конфигурацию прорези, продольная ось которой ориентирована в направлении центра расширения плиты основания.
Плита основания, предпочтительно, содержит блоки из термореактивного сплава, приваренные в отверстиях, выполненных в ней, для обеспечения возможности крепления оснастки на плите без потери герметичности.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания иллюстративного варианта выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг.1 - схематический вид трех основных элементов, образующих оснастку по настоящему изобретению;
фиг.2 - вид в перспективе угла оснастки по настоящему изобретению с собранными компонентами;
фиг.3 - вид в перспективе опорной структуры оснастки по настоящему изобретению;
фиг.4 - деталь углового участка опорной структуры оснастки по настоящему изобретению;
фиг.5 и 6 - виды в перспективе и сверху соответственно промежуточной структуры оснастки по настоящему изобретению;
фиг.7 - деталь углового участка промежуточной структуры оснастки по настоящему изобретению;
фиг.8 - вид в перспективе, иллюстрирующий крепление промежуточной структуры к опорной структуре;
фиг.9 - покомпонентное изображение в перспективе разных элементов, образующих средства крепления промежуточной структуры к опорной структуре;
фиг.10 - вид сбоку разных элементов, образующих средства крепления промежуточной структуры к опорной структуре;
фиг.11 - схематически показывает конфигурацию прорезей для болтов, используемых для крепления промежуточной структуры к опорной структуре.
Подробное описание изобретения
Оснастка 1 для отверждения по настоящему изобретению в первую очередь содержит опорную структуру 3, выполненную из металлического материала, предпочтительно, из конструкционной стали, имеющую две продольные балки 5, 7 с шестигранными облегчающими отверстиями 9 в перемычках, поперечные трубы 11 и диагональные трубы 13, предпочтительно выполненные из стали методом электросварки, и поперечные балки для усиления области такелажных узлов (не показаны).
На опорной структуре 3 расположена расчаленная промежуточная структура 21, выполненная из термореактивного материала, предпочтительно, из термореактивного сплава, такого как INVAR 36 или NILO 36 или подобного, и находящаяся на ней плита 31 основания, также выполненная из металлического материала, предпочтительно, из конструкционной стали, и обработанная под геометрию детали, отверждаемой на поверхности в контакте с оснасткой.
Выравнивающие пластины 17, 19, предпочтительно выполненные из стали и обработанные при формировании опорной структуры 3, приварены к фланцам 15 балок 5, 7 опорной структуры и под ними так, чтобы получить посредством нижних пластин 17 опорную плоскость опорной структуры 3, а посредством верхних пластин 19 - опорную и эталонную плоскость для промежуточной структуры 21.
Выравнивающие пластины 17, приваренные под балками, следовательно, определяют опорные, нивелировочные и центрирующие точки опорной структуры 3.
Плита 31 основания, сформированная из сваренных пластин из термореактивного сплава, предварительно сформированных так, чтобы адаптировать ее к конечной требуемой поверхности, приварена к промежуточной структуре 21. После обработки плиты 31 она должна быть устойчива к высокой температуре на всей своей поверхности.
Промежуточная структура 21 должна быть спроектирована так, чтобы обеспечить возможность потока воздуха под плитой 31 основания во время всего цикла обработки в автоклаве. Предпочтительная конфигурация структуры, подробно показанная на фиг.7, сформирована из поперечных кронштейнов 23 и продольных кронштейнов 25 с большими внутренними облегчающими отверстиями.
Поддержка и сварка плиты 31 основания на поперечных кронштейнах 23 производится раздельно. Форма кронштейна между опорными точками составляет дугу окружности 29, которая обеспечивает минимальные заданные расстояния между облегчающими отверстиями и контуром кронштейна. Поддержка и сварка плиты 31 основания на продольных кронштейнах 25 производится так же, как и на поперечных кронштейнах.
Кронштейны, проходящие по периметру, идеально адаптируются к форме плиты 31 основания по всему периметру нижней поверхности, поскольку приварены к ней прерывистым сварным швом.
Промежуточная структура 21 поддерживается на опорной структуре 3 посредством скользящих полозьев 35, предпочтительно выполненных из бронзы, которые прикреплены к промежуточной структуре 21 через стальные уголки 37, приваренные (прерывистым сварным швом) к поперечным кронштейнам 23. Полозья соединены со стальными уголками 37 винтами 39.
Указанная поддержка промежуточной структуры 21 на опорной структуре 3 осуществляется на выравнивающих пластинах 17, приваренных и обработанных на верхнем фланце 15 балок 5, 7 опорной структуры 3, образуя общую опорную плоскость для всех скользящих полозьев 35.
Крепление промежуточной структуры 21 на опорной структуре 3 осуществляется болтами 41, проходящими сквозь стальные уголки 37, скользящие полозья 35, выравнивающие пластины 17 и фланец 15 балок 5, 7, и гайкой, затянутой со стороны балки, при этом между скользящими полозьями 35 и выравнивающей пластиной 17, поддерживающей их, оставлен зазор А.
Конфигурация болтов 41 должна допускать свободное независимое расширение двух структур 3, 21 так, чтобы при любом состоянии расширения направление продольной и поперечной осей оснастки (центр расширения плиты основания во время расширения остается неподвижным) сохранялось. Это достигается за счет выполнения прорезей 45 в скользящих пластинах и в стальных уголках. Для определения размера прорезей 45 следует учитывать тот факт, что их направление должно совпадать с соединяющей линией между центром 47 расширения и центром болта 41.
Прорези 45 в скользящих полозьях 35 и в стальных уголках 37 должны иметь достаточную длину, чтобы ось болта 41, закрепленного в выравнивающей пластине 17 и фланце 15 балки 5, 7, могла скользить без помех во время всего цикла отверждения.
Плита 31 основания должна содержать приваренные (плотно приваренные) блоки из термореактивного сплава в отверстиях, выполненных в плите, чтобы обеспечить возможность сверления точек крепления оснастки в плите без потери ее герметичности.
В описанный выше предпочтительный вариант выполнения могут вноситься любые модификации, входящие в объем защиты изобретения, определяемый приложенной формулой изобретения.