СТЕНД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАЛАДКИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ НАМОТКИ

Полезная модель относится к машиностроительному оборудованию для производства композитных деталей методом намотки, специфичных для изделий с поверхностями вращения правильной цилиндрической или сферической формы, а также, и в большей степени - к изделиям, имеющим наружную поверхность, состоящую из сопряжений нескольких поверхностей, огибаемых по дугам различного (изменяющегося) радиуса. По международному патентному классификатору полезная модель относится к устройствам для покрытия или обвертывания сердечников при намотке полотнищ, лент или нитевидных материалов.
н
п
п
н
н
Конкретно полезная модель относится к оборудованию для изготовления ориентированных по продольной оси симметрии деталей типа; «лоток» и двухосно симметричных деталей типа «полусфера» с открытым верхом. Такие детали не представляют собой изделие с наружной поверхностью вращения, поэтому изготавливаются методом намотки на лейнер, состоящий из двух полуоболочек, стыкуемых по образующей. Кроме того, полезная модель относится к оборудованию для изготовления намоткой деталей, имеющих изменяемую кривизну по продольной осевой линии: фрагмент крыла летательного аппарата, оголовок ракеты, обтекатель кабины транспортного средства, элемент водоотводного канала и т.п. Основным методом изготовления деталей типа «лоток» и «полусфера» в настоящее время является ручное формование методом нанесения стеклоткани на оправку и пропитки ее связующими смолами. Этот метод достаточно трудоемок, а качество изделия при его применении существенно зависит от квалификации и добросовестности специалистов («человеческого фактора»), занимающихся приготовлением смолы, раскроем ткани, нанесением ее на матрицу и уплотнением слоев ткани. Этого недостатка лишен метод намотки композитных изделий, при котором на специальную профилированную оправку наматывается шлейф из прядей ровинга или стеклотканевой ленты. Натяжение линейного наполнителя F при изготовлении намотанных изделий - один из наиболее эффективных технологических факторов регулирования механических свойств конечного изделия. При этом сила прижатия намоточного армирующего элемента F к ниже лежащим слоям или оправке (лейнеру) определяется как равнодействующая сил натяжения в точке прилегания к поверхности: F=F+F (сумма двух векторов).
н
В свою очередь при постоянной величине F для изделий переменной кривизны или при перекрестно-радиальной намотке сила прижатия меняется за счет изменения угла набегания волокна.
Известны намоточное станки и линии для радиально-перекрестнсй намотки композитных изделий типа оболочек вращения (баллон, труба, сосуд). Такие станки содержат станину с вращающейся оправкой (для баллонов она называется - лейнер), шпулярник С бобинами ровинга, пропиточную ванну, формирователь прядей (в виде шлейфа из нескольких ровингов) и раскладчик прядей (RU 3417, 1997). Такое решение невозможно применить для лейнеров, имеющих составной профиль из двух деталей, не являющихся поверхностями вращения или имеющими изменяющуюся кривизну поверхности, например, детали типа «лоток».
Из уровня техники известно техническое решение оснастки для изготовления деталей с замкнутым контуром сечения с применением лейнера, состоящего из нескольких продольно разъемных элементов (RU №2153983, 2000 г.). Оснастка - лейнер выполнена составной из четного количества секторных планок с механизмом возвратно-поступательного перемещения для обеспечения непрерывности процесса. За счет этого получаемое трубчатое изделие перемещается вдоль оси вращения лейнера, обеспечивая непрерывность процесса. Необходимая длина изделия обеспечивается отрезкой. Известная конструкция разъемного лейнера сложна и громоздка, требует применения в ней приводов и дополнительных механизмов. Кроме того, она обеспечивает получение изделия постоянной формы и сечения материала по толщине композитного слоя, образующего; на поверхности лейнера, а для водоотводных лотков специфично применение усиливающих профилей, кольцевых стыковочных фланцев и т.п. Это делает невозможным его применение для изготовления деталей водоотводных систем из композиционного материала методом намотки, а тем более, не предусматривает регулирование параметров технологического процесса.
В качестве прототипа полезной модели принято техническое решение устройства для изготовления оболочек из композиционного материала по авторскому свидетельству на изобретение СССР №1299931, 1987 г. По этому изобретению устройство намотки снабжено датчиком длины выкладки армирующего материала, установленным на головке укладчика, следящие приводы вращения оправки, перемещения каретки в продольной относительно оправки оси и поперечном направлении, блоком программного управления, датчики угла поворота материала и датчики положения оправки и каретки по двум осям, блок программного управления, к которому подключены эти датчики и приводы основных элементов. Программное управление позволяет регистрировать параметры укладки армирующего материала и, после наладки процесса, воспроизводить его в серийном изделии. Признаки известного технического решения по прототипу позволяют повысить точность выкладки армирующего материала, наматываемого на оправку, а в конечном итоге - качество изделия.
Однако, как указано выше, качество изделия из композиционного материала, изготавливаемого намоткой, зависит от ряда других факторов, кроме геометрического расположения армирующего материала при укладке:
рецептуры термореактивной смолы и режима пропитки армирующего материала (продолжительности и глубины окунания);
степени пропитки армирующего слоя в изделии термореактивной смолой, определяемой соотношением массы армирующего материла к массе смолы в единице объема композиционного слоя;
усилия прижатия армирующих слоев к лейнеру и друг к другу (второго армирующего слоя к первому, третьего ко второму и т.д.).
Известное техническое решение не позволяет контролировать и регулировать указанные параметры, делает невозможным наладку технологического процесса, гарантирующую стабильное качество изделия.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении качества технологической наладки оборудования для изготовления композиционных изделий методом намотки.
Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что стенд технологической наладки оборудования для изготовления композиционных изделий методом намотки, содержащий ровингопитатель, станок щи вращения лейнера, каретку продольного хода, на которой установлен ровингопитатель, каретку поперечного хода, на которой установлен станок с лейнером, и блок управления к которому подключены привод станка и каретка поперечного хода станка, он снабжен камерой отжига ровинга с нагревателем, ванной пропитки ровинга, дозатором смолы, натяжителем ровинга, смонтированными на каретке продольного хода, ровингопитатель снабжен тензовесами, камера отжига имеет регулируемый нагреватель, ванна тензоподвеску, а натяжитель тензометр, причем дозатор смолы, станок, тензовесы ровингопитателя, регулируемый нагреватель, тензоподвеска ванны пропитки и тензометр натяжителя также подключены к блоку управления.<
При этом приготовление термореактивной смолы, пропитка ровинга смолой и режимы намотки ровинга на оправку (скорость, сила прижатия, угол намотки, толщина покрытия) контролируются и регулируются автоматически.
Конструктивное устройство стенда показано на фиг. 1-2:
на фиг. 1 - вид стенда сбоку;
на фиг. 2 - вид узла лейнера сверху (вид А, фиг. 1).
Реальное выполнение отдельных узлов показано на фотографиях, приведенных на фиг. 3-5:
на фиг. 3 - тензовесовая платформа ровингопитателя;
на фиг. 4 - ванна пропитки с узлом натяжения прядей ровинга;
на фиг. 5 - узел приготовления и порционный (циклический) подачи термореактивной смеси в ванну пропитки.
Стенд технологической наладки оборудования для изготовления композиционных изделий методом намотки содержит ровингопитатель 1, камеру отжига 2, ванну пропитки 3, дозатор смолы 4, натяжитель ровинга 5, станок 6 вращения лейнера 7, смонтированные на каретке 8 поперечного хода. Ровингопитатель 1 снабжен тензовесами 9, камера отжига 2 имеет регулируемый нагреватель 10, ванна 3 тензоподвеску 11, а натяжитель 5 тензометр 12.
Дозатор 4, станок 6, тензовесы 9, регулируемый нагреватель 10, тензоподвеска 11 и тензометр 12 подключены к блоку управления 13. К этому же блоку управления 13 подключены каретка 14 продольного хода (на которой смонтированы ровингопитатель 1, камера отжига 2, ванна пропитки 3, дозатор 4 и натяжитель 5) и привод поперечного хода 15 станка 6.
В качестве ровингопитателя 1 может быть использован питатель ленточного намоточного материала, привод хода станка 6 на каретке 8 может быть гидравлическим, электромеханическим или каким-либо другим, соответствующим наладочным характеристикам оборудования.
Величина хода ΔL каретки 14 (фиг. 1) в продольном направлении должна быть такой, чтобы угол раскрытия траектории намотки ровинга а мог изменяться в пределах от 0° до 45° (например, ΔL=2000 мм, как показано на фиг. 1). Величина хода Δh каретки 8 (фиг. 2) в поперечном направлении должна быть такой, чтобы охватывалась вся поверхность рабочая зона детали по ширине лейнера 7, например, Δh=1000 мм.
Целью использования стенда является обеспечение отработки технологического регламента изготовления композиционных деталей методом намотки, например, при изменении поставщика исходных материалов, модернизации конструкции изделия, корректировке режимов выполнения отдельных операций и т.п. При этом режимы и параметры регламента отрабатываются на фрагменте делали в виде вырезки мерной длины (например, 1 м) с сечением, которое по форме полностью совпадает с сечением натурального изделия.
В общем случае стенд работает следующим образом.
см(0
1
2
ко
см
cм
л
к
В исходном положении лейнер 5 устанавливают на станок 6, бобины ровинга в ровингопитатель 1, ванну пропитки 3 наполняют смолой до заданного уровня и фиксируют массу смолы в ванне М), г, дозатор смолы 4 подключают к линиям подачи компонентов (не показаны). При этом фиксируют и регулируют их соотношение, например для двухкомпонентной смолы массы компоненты 1 к массе компоненты 2 m/m. Пряди ровинга заправляют в каналы камеры отжига 2, затем в ванну пропитки 3 и натяжитель 5, после чего закрепляют их на лейнере 7. Оператор задает температуру нагрева в камере отжига 2, путем включения регулируемого нагревателя 10 на температуру Т, режим подпитки ванны смолой (величину порций смолы ΔМ и частоту их подачи Δt), скорость вращения лейнера 5 в станке 6 ω и скорость перемещения каретки 8 поперечного хода путем V задания режима возвратно-поступательного движения за счет привода поперечного хода 15.
Оператор через блок управления 13 задает, также, усилие натяжения прядей ровинга через натяжитель 5.
л
к
max
После запуска стенда по команде «ПУСК» станок 6 начинает вращать лейнер 7 с заданной угловой скоростью ω, 1/с, а привод поперечного хода 15 начинает перемещать каретку поперечного хода 8 со скоростью V, м/с. Сочетание величин этих скоростей определяет угол выкладки пряди ровинга на лейнер α, град, частоту выкладки пряди ровинга и нахлест прядей каждого последующего витка. Поскольку предельный угол раскрытия прядей составляет α=45 град, то в центральной части лейнера 5 возможно образование текстуры стеклоткани с перпендикулярным направлением перекрестных нитей основы.
p
ко
Пряди ровинга с ровингопитателя 1 разматываются с бобин и масса ровингопитателя 1 начинает уменьшаться, что фиксируется тензовесами 9 в блоке управления 13 в виде градиента расхода массы ровинга Δm, г/с. Далее пряди ровинга попадают в камеру отжига 2, где подвергаются тепловой обработке - удалению замасливателя - при заданной температуре Т,°С, что также фиксируется блоком управления 13.
в
см(min)
см(0
см(д)
см(0
см(min)
см(д)
При поступлении ровинга в ванну пропитки 3 пряди погружаются ниже поверхности зеркала смолы в ванне до уровня Δh, м. Происходит обволакивание нитей ровинга термореактивной смолой, которая выносится из ванны пропитки 3. Через некоторое время работы уровень смолы в ванна снижается до допустимой величины М, что регистрируется тензоподвеской 11 и сравнивается в блоке управления 13 с требуемой М). При этом дозатор 4 подает в ванну порцию смолы ΔМ после чего масса смолы в ванне опять становится равно заданной начальной, т.е.: М)= М+ ΔМ. Таким образом, поддерживается постоянным режим пропитки ровинга по глубине окунания прядей и продолжительности их пребывания в ванне пропитки 3.
см(д)
см(д)
см
По величине дозы долива смолы ΔМ (по сути - массы удаленной смолы из ванны) и времени достижения этого момента в блоке управления 13 Δt рассчитывается расход смолы в единицу времени Δm, г/с.
см
p
Соотношение расхода ровинга и смолы Δm/Δm определяет качество пропитки и соответствие режима пропитки заданному технологическому регламенту. I
н
Далее пропитанные смолой пряди ровинга подаются на лейнер 7 за счет его вращения станком 6, а натяжитель 5 через тензодатчик 12 передает сигнал на блок управления 13, который фиксирует величину силы натяжения F., сравнивает ее с заданной (нормативной) и выдает команду на ускорение или замедление процесса намотки, тем самым изменяя усилие прижатия пряди к лейнеру 7.
После окончания намотки станок 6 останавливают, лейнер 7 снимают с опор и вынимают получившуюся деталь. Далее из детали вырезают образцы для проведения стандартных испытаний.
При каждой намотке фиксируются и регулируются следующие параметры:
см
p
сл
н
В зависимости от целей наладочных испытаний проводят следующую намотку, изменяя один из параметров влияния: соотношение массы ровинга и смолы в изделии Δm/Δm, количество слоев намотки N, силу натяжения F или другие параметры, влияющие на прочностные характеристики изделия.