СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТИПА ЛОПАТОК ДЛЯ КАСКАДОВ РЕВЕРСОРА ТЯГИ ФОРМОВАНИЕМ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR MANUFACTURE OF BLADE-TYPE ELEMENTS FOR CASCADES OF THRUST REVERSOR BY MOULDING OF COMPOSITE MATERIAL

Настоящее изобретение относится к способу изготовления ряда последовательно расположенных элементов, отстоящих друг от друга вдоль по меньшей мере части их длины, каковые элементы могут представлять собой, например, лопатки каскада реверсора тяги либо лопасти рабочего колеса или участка рабочего колеса компрессора для авиационного двигателя.
На сегодняшний день каскады реверсоров выполняют либо из подвергнутого механической обработке металла, в результате чего они оказываются относительно тяжелыми, и это составляет их главный недостаток, когда речь идет о разработках в авиационной отрасли, либо из какого-нибудь более легкого композитного материала, но тогда результат достигают за счет применения не совсем подходящей технологии послойной укладки. Дело в том, что при использовании такой технологии не удается получить действительно плавные обтекаемые профили и, кроме того, требуется проведение многочисленных ручных операций, что влечет за собой увеличение себестоимости продукции.
В качестве экономичного решения, которое позволило бы получить действительно плавные обтекаемые профили, можно было бы предложить изготовление подобных элементов методом формования под давлением композитных материалов типа упоминаемых ниже применительно к наполнителю, применяемому в премиксе согласно изобретению, однако попытки, предпринимавшиеся до сих пор в этом направлении, оказались неудачными, поскольку в результате были получены изделия, не обладающие нужной механической прочностью.
Теперь же найден способ, позволяющий устранить указанный недостаток. В соответствии с этим способом, выполняют следующие этапы:
a) в качестве исходного сырья используют премикс (предварительно приготовленную смесь), содержащий в практически однородном объемном соотношении, с одной стороны, по меньшей мере один слой однонаправленных сплошных волокон, предварительно пропитанных смолой, и, с другой стороны, специальный наполнитель;
b) в качестве необходимого оборудования используют штамповочную оснастку, в состав которой входят матрица и крышка, ограничивающие в совокупности ряд полостей, форма которых, имеющая больший размер и меньший разрез, лежащий в плоскости, перпендикулярной к указанному большему размеру, соответствует ожидаемой форме готовых элементов, причем указанные полости сообщаются друг с другом через специальный канал, выполненный между полостями каждой пары полостей, а объем указанных каналов выбран таким, чтобы при штамповке большая часть премикса, находящаяся напротив каналов, форсированно направлялась в сторону полостей;
c) помещают указанный премикс в указанную оснастку таким образом, что он воздействует на указанный ряд полостей, и ориентируют его таким образом, чтобы вдоль каждой полости оказались волокна, проходящие вдоль указанного большего размера и относящиеся к указанному по меньшей мере одному слою;
d) штампуют помещенный таким образом указанный премикс с целью получения ряда последовательно расположенных элементов, имеющих более высокое содержание наполнителя по сравнению с объемным соотношением исходного премикса, каковые элементы соединены друг с другом соединительными полотнами типа «сетчатой основы», которые соответствуют указанным каналам и имеют меньшее содержание наполнителя по сравнению с объемным соотношением исходного премикса;
e) удаляют указанные «сетчатые основы».
В результате сказанного, пользуясь сплошным премиксом, получают отдельные элементы.
Употребив выше и в пунктах формулы изобретения выражение «практически однородное», мы не исключаем возможности того, что в отдельных местах премикса окажется целесообразным предпринять особые меры для учета, например, различий в форме ожидаемых готовых элементов. Однако в любом случае возникающие из-за этого различия в однородности будут несоизмеримы с теми, которые можно наблюдать по окончании штамповки между, с одной стороны, частями полуфабриката, из которых будет образованы готовые элементы, и, с другой стороны, указанными сетчатыми основами.
Формование под давлением в многогнездной форме заключается, как правило, в укладке сырья в каждое из гнезд, или полостей формы, в размягчении материала путем нагрева и в закрытии обеих деталей; под действием создаваемого давления материал принимает форму полостей, при этом, чтобы не приходилось выдавать точно такое же количество сырья, какое строго необходимо и достаточно для заполнения каждой полости, загрузку сырья выполняют с некоторым небольшим запасом, а для лишнего материала предусматривают отводные каналы или проходы, которые могут дополнительно обеспечивать сообщение между полостями.
Благодаря наличию указанных каналов устанавливается соединение отформованных элементов с помощью мостиков или соединительных полотен материала.
Если при использовании упомянутой выше традиционной технологии каналы служат, главным образом, для обеспечения отвода лишнего материала из полостей, в системе согласно изобретению, напротив, излишек материала устремляется из каналов к полостям. Вследствие этого премикс, находящийся напротив каналов в состоянии течения, служит в качестве дополнительного резервуара для заполнения смежных полостей. Однако течение премикса не является гомогенным: тогда как наполнитель течет, сами волокна задерживаются в каналах, причем в ряде случаев вместе с остаточным наполнителем. После штамповки эти волокна с остаточным наполнителем образуют сетчатую основу. Таким образом, по окончании этапа d) получают полуфабрикат, в котором ожидаемые элементы связаны друг с другом указанной сетчатой основой, которую в дальнейшем можно будет удалить посредством водоструйной резки или механической обработки.
Под действием штамповки волокна, образующие указанные выше слои однонаправленных сплошных волокон, расходятся, что позволяет им принять форму полуфабриката, при этом они распределяются с достаточной равномерностью, что позволяет обеспечить, сразу после создания премикса, ту плотность волокон, которой будут обладать готовые элементы. В результате достигается прогнозируемая степень усиления указанных готовых элементов.
Как правило, следует использовать премикс, в котором слой или каждый из указанных слоев однонаправленных сплошных волокон состоит из нескольких наложенных друг на друга пластов таких волокон, ориентированных в одном и том же направлении, при этом под действием штамповки волокна по меньшей мере одного из указанных пластов будут принудительно вводиться между отогнутыми волокнами другого из указанных пластов. В результате, несмотря на расхождение волокон под действием штамповки, будет сохраняться определенная непрерывность параллельного прилегания волокон за счет утончения наложенных пластов, при этом реальная картина будет напоминать ту, которая имела бы место, если бы пласты однонаправленных сплошных волокон структурировались таким образом, чтобы создать направленное перемещение протекающего наполнителя.
В соответствии с первым вариантом осуществления способа согласно изобретению применительно к изготовлению ряда параллельно прилегающих элементов, например лопаток каскада реверсора, премикс, используемый на этапе с), содержит несколько слоев однонаправленных сплошных волокон, между которыми образован, по существу, нулевой угол, и ориентирован таким образом, чтобы волокна, составляющие указанные слои, были, по существу, параллельны большему размеру полостей указанного ряда полостей.
В соответствии со вторым вариантом осуществления способа согласно изобретению применительно к изготовлению ряда расходящихся лучами прилегающих элементов, например лопастей рабочих колес компрессора, способ состоит в использовании премикса, содержащего несколько слоев однонаправленных сплошных волокон, при этом между по меньшей мере некоторыми из указанных слоев образован такой угол, что на этапе с) под прямым углом к каждой полости оказываются волокна, проходящие вдоль большего размера указанной полости и относящиеся по меньшей мере к одному из указанных слоев.
В соответствии с одним из вариантов практического осуществления изобретения, указанные слой или слои однонаправленных сплошных волокон выполняют из одного или нескольких пластов, имеющих каждый толщину в пределах от 1/10 мм до 1 мм.
Наполнитель может иметь любой вид - например, он может быть выполнен в форме гранул, матов, наполненной смолы, фрагментов, полученных из по меньшей мере одного пласта однонаправленных и предварительно пропитанных волокон, либо в виде комбинации этих форм. Фрагменты могут быть получены как из пласта, идентичного тому, который образует указанный по меньшей мере один слой однонаправленных сплошных волокон, так и из пласта, отличающегося от составного пласта (пластов) своим качественным и/или количественным составом и/или своей толщиной.
В качестве смолы для пропитки однонаправленных сплошных волокон следует использовать, как правило, термоотверждаемую смолу. Можно также предусмотреть применение термопластичной смолы.
В практических условиях премикс имеет перед штамповкой форму пластины с практически неизменной толщиной и с размерами в плоскости, перпендикулярной к указанной толщине, которые, по существу, равны размерам в той же плоскости зоны захвата оснасткой ряда подлежащих изготовлению элементов.
Помимо описанного выше способа изготовления изобретение охватывает полуфабрикат, получаемый в результате реализации этапов a), b), c) и d) указанного способа. В этом полуфабрикате сетчатые основы будут иметь толщину, как правило, в пределах от 3/10 мм до 1 мм.
Способ охарактеризован всей совокупностью признаков, раскрытых в пп.1-12 формулы.
Изобретение охватывает также конструкции, включающие элементы, получаемые в результате реализации описанного здесь способа, в частности элементы, каждый из которых имеет обтекаемый профиль, например лопатки каскада для реверсора тяги авиационного двигателя и рабочих колес или участков рабочих колес для компрессора, раскрытые в пп.13-16 формулы.
Сущность изобретения поясняется в ходе нижеследующего детального описания со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
На фиг.1 показан каскад для реверсора тяги;
на фиг.2а-2с проиллюстрирован способ штамповки согласно изобретению для изготовления части изделия, показанного на фиг.1, а на фиг.2d - детальное изображение части конструкции по фиг.2с;
на фиг.3 в увеличенном масштабе приведена схема, иллюстрирующая ориентацию премикса относительно полостей штамповочной оснастки по фиг.2а-2с;
на фиг.4 представлен поперечный разрез части полуфабриката, получаемого на этапе, показанном на фиг.2с;
на фиг.5 показан один из участков рабочего колеса компрессора;
на фиг.6 приведена схема, иллюстрирующая ориентацию слоев однонаправленных волокон премикса применительно к изготовлению лопаток участка рабочего колеса компрессора по фиг.5.
На фиг.1 показано изделие определенного типа, конкретнее - каскад для реверсора тяги, часть которого, обозначенная рамкой Р, может быть с успехом изготовлена с использованием предлагаемого способа. Однако совершенно очевидно, что на практике в ходе единой операции изготавливается целиком весь каскад, показанный на чертеже.
В ходе нижеследующего описания мы для упрощения изложения будем называть эту часть Р просто «деталью». Как можно видеть, эта деталь содержит ряд параллельных лопаток 1, каждая из которых имеет обтекаемый профиль и которые отделены друг от друга пустым пространством 2.
На фиг.2а-2с схематически представлена штамповочная оснастка для изготовления детали Р, показанной на фиг.1.
Эта оснастка образована матрицей 3 и крышкой 4, которая установлена с возможностью скольжения по вертикали, в направлении Z-Z', в матрице 3 и ограничивает совместно с ней камеру сжатия 5. Противолежащие стороны матрицы и крышки имеют выпуклости, соответственно 3a, 3b, 3c и т.д. и 4a, 4b, 4c, 4d и т.д., которые имеют возможность вхождения друг в друга и в сведенном состоянии ограничивают ряд полостей (фиг.2b) типа 6a, 6b, 6c и т.д. Эти полости имеют больший размер в направлении Х-Х' и меньшее сечение в плоскости Y-Y', Z-Z'. Полости 6a, 6b, 6c и т.д. сообщаются друг с другом через каналы 7a, 7b и т.д., причем поверхности, определяющие указанные каналы, не соприкасаются даже тогда, когда крышка 4 находится в конце своего хода в матрице 3 (см. фиг.2d).
Форма и расположение полостей 6a, 6b, 6c и т.д. соответствуют форме и расположению лопаток 1 детали Р по фиг.1.
Как видно из фиг.2a, перед штамповкой между матрицей 3 и крышкой 4 помещают пластину премикса 8. Этот премикс, как показано на фиг.3, образован в данном конкретном примере наполнителем 9, вложенным с образованием структуры типа сэндвича между двумя слоями 10a и 10b однонаправленных волокон, предварительно пропитанных термоотверждаемой смолой. В практических условиях целесообразно, чтобы каждый слой состоял из нескольких отдельных пластов, которые должны быть одинаково ориентированы и наложены один на другой. Объемное соотношение между однонаправленными сплошными волокнами и наполнителем является, по существу, однородным по всему премиксу. Премикс 8 ориентирован таким образом, чтобы его волокна 11 были параллельны (направление Х-Х') большему размеру полостей 6а, 6b, 6 с и т.д., имея в виду, что под действием штамповки волокна 11, не имея возможности удлинения, могут расходиться (направление Y-Y'). Благодаря этому появляется возможность использовать пластину премикса 8, размер I которой будет практически равен размеру L зоны оснастки, соответствующей захвату изготавливаемой детали Р, в то время как вследствие деформации, обусловленной штамповкой, длина результирующей пилообразной поверхности будет значительно большей (см. фиг.4): волокна 11 отойдут друг от друга, и, если каждый из слоев волокон будет образован несколькими наложенными один на другой пластами, как описано выше, то сможет произойти вхождение волокон одного пласта между отошедшими волокнами другого пласта, в результате чего будет обеспечено поддержание непрерывности слоя несмотря на его расползание. Хотя на фиг.3 показан премикс 8 в виде простого «сэндвича», состоящего из одного слоя однонаправленных волокон, наполнителя и второго слоя однонаправленных волокон, можно предусмотреть вложение одного или нескольких слоев однонаправленных волокон между двумя слоями наполнителя или же наложение друг на друга нескольких «сэндвичей».
Вернемся теперь к рассмотрению фиг.2а-2с, на которых видно, что пластина премикса 8 помещена в оснастку, где она подвергается нагреву до заданной температуры. Затем опускают крышку 4, создавая давление на премикс, который вынужден принимать при этом форму полостей 6а, 6b, 6с и т.д. и каналов 7а, 7b и т.д. Учитывая незначительную ширину каналов по достижении конца хода крышки (см. фиг.2d, где, например, d=3-5 десятых долей мм, D=1 мм), премикс, находящийся напротив каналов, оказывается вынужден циркулировать в сторону смежных полостей, однако при этом его течение не является однородным: в то время как наполнитель 9 выходит, сами волокна 11 остаются заключенными в каналах. В результате имеет место перераспределение наполнителя, и соответственно по сравнению с исходным составом тот состав, который находится в полостях 6а, 6b, 6с и т.д., будет содержать больше наполнителя 9, нежели исходный премикс, тогда как состав, находящийся в каналах 7а, 7b и т.д., оказывается теперь состоящим практически только из сплошных волокон 11.
Полуфабрикат, получаемый на этапе штамповки d), имеет вид, представленный на поперечном разрезе фиг.4.
Здесь можно видеть последовательность параллельных элементов 12а, 12b, 12c и т.д., которые соответствуют полостям 6а, 6b, 6с и т.д. и соединены вместе сетчатыми основами 13а, 13b и т.д., которые соответствуют каналам 7а, 7b и т.д. Параллельные волокна 11 входящих в состав изделия слоев 10а, 10b частично изображены на этом чертеже в количестве, с размерами и в выступающей позиции, которые не имеют ничего общего с реальным положением вещей. Мы преследовали лишь цель продемонстрировать ориентацию волокон относительно положения элементов 12а, 12b, 12с и т.д.
Следующий этап заключается в удалении сетчатых основ 13а, 13b и т.д. путем их срезания в позициях 14 и 15 методом либо резки абразивной струей воды, либо механической обработки. Элементы 12а, 12b, 12с и т.д. будут иметь при этом вид лопаток 1 детали Р по фиг.1.
Предлагаемый способ может быть применен при изготовлении и иных рядов элементов, прилегающих друг к другу и разделенных некоторым пространством, например расходящихся лучами элементов типа лопастей 16 рабочего колеса компрессора (см. фиг.5).
В этом случае необходимо применить премикс, состоящий из нескольких ориентированных по-разному слоев однонаправленных сплошных волокон, с тем чтобы после штамповки можно было получить деталь, у которой каждый из элементов 16 содержал бы волокна, ориентированные вдоль их большего размера.
Как видно на фиг.6, где схематически показаны несколько лопастей 16а, 16b, 16с рабочего колеса компрессора, используемый здесь премикс состоит из нескольких слоев ориентированных по-разному однонаправленных сплошных волокон 17 и 18. Если говорить более конкретно, большие размеры лопастей 16а, 16b ориентированы соответственно по осям X1-X1' и Х2-Х2', а в слоях 17 и 18 их волокна ориентированы перед штамповкой параллельно этим осям. Для облегчения восприятия рассматриваемого чертежа слои однонаправленных волокон показаны на нем выходящими за пределы концов лопастей, хотя должно быть совершенно очевидно, что в реальных условиях премикс, в состав которого входят эти слои, не выступает за границы штамповочного оборудования. Под действием штамповки происходит, как показано пунктирными линиями 17', 18', отход друг от друга волокон 17 и 18, которые принимают при этом форму лопастей, образуя между этими последними сетчатые основы. В остальном же все сказанное выше по поводу параллельных лопаток имеет силу и здесь при условии внесения необходимых изменений.