Способ изготовления крупногабаритных тел вращения с поверхностью переменной кривизны многослойной разборной конструкции из полимерных композиционных материалов
METHOD OF MANUFACTURE OF LARGE-SIZED BODIES OF ROTATION WITH SURFACE OF VARIABLE CURVATURE OF A MULTI-LAYER DESIGNED CONSTRUCTION FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к технологии изготовления крупногабаритных изделий в виде тел вращения с поверхностью переменной кривизны многослойной разборной конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано при изготовлении оболочек, оправок и других изделий.
Известен способ изготовления оболочек с внутренними радиальными полостями, включающий кольцевую намотку предварительно пропитанной связующим угольной трикотажной ленты на оправку с радиальными выступами, в котором сначала осуществляют намотку конической части, а затем осуществляют намотку цилиндрической части детали перед радиальными выступами оправки до диаметра, равного диаметру выступов, с образованием зазора между торцом намотанного пакета и торцами радиальных выступов оправки, и последующую намотку ленты на цилиндрическую часть пакета материала и выступы оправки с перекрытием зазора между их торцовыми поверхностями. Из пропитанной связующим углеродной ткани вырезают ряд заготовок, контур которых представляет собой прямоугольник, сопряженный с основанием равнобедренного треугольника с острым углом при вершине, после намотки цилиндрической части детали до толщины, равной половине высоты радиальных выступов оправки, на край намотанной цилиндрической части укладывают заготовки, ориентируя их вершиной треугольника по направлению к выступам оправки, совмещая при этом ось симметрии заготовки с осью симметрии выступа оправки, последовательно по периметру цилиндрической части и по высоте пакета заготовок, закрепляют поочередно каждую из заготовок наматываемой лентой, затем наматывают дополнительный слой материала на цилиндрическую часть и на выступы оправки, загибают поочередно заготовки и укладывают их на дополнительный слой материала, заматывая загнутые части заготовок лентой, поочередно по периметру оправки и по высоте пакета заготовок, после чего производят намотку ленты на уложенные заготовки до требуемого диаметра детали (патент на изобретение №2571794, МПК7 В29С 53/56).
Данный способ относится к технологии изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, а именно оболочек переменного сечения для силовых конструкций с внутренними радиальными полостями.
Общими признаками для аналога и заявленного изобретения являются:
- послойная кольцевая намотка предварительно пропитанной связующим ленты на оправку;
- укладка на оправку заготовок и их фиксация.
Недостатками известного способа являются:
- ограниченные технологические возможности - известный способ не позволяет получить полимерную оболочку с переменной кривизной внутренней поверхности, т.к конструкцию оболочки получают цельной, разборке не подлежит;
- данный способ не может быть использован для изготовления крупногабаритных оболочек, силовой конструкции т.к. не предусматривает операции по упрочнению оболочки, например вматывание закладных элементов, кроме того радиальные полости также не усилены элементами жесткости, что может привести к разрушению конструкции в зонах этих полостей в процессе дальнейшей механической обработки оболочки или в процессе эксплуатации.
Ближайшим к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из полимерных композиционных материалов в виде оболочек переменной кривизны с алюминиевым сотовым заполнителем заключающийся в том, что на полноразмерную форму выкладывают препрег внутреннего несущего слоя и зон усиления из углепластика в виде пропитанного связующим углеродного наполнителя, перфорированную пленку клеевую, алюминиевый сотовый заполнитель с закладными элементами, перфорированную пленку клеевую и препрег наружного несущего слоя из углепластика в виде пропитанного связующим углеродного наполнителя. Алюминиевый сотовый заполнитель и закладные элементы фиксируют стеклянными лентами, сдублированными с полосами пленки клеевой. Полученную конструкцию склеивают под вакуумным давлением в термопечи с одновременным отверждением препрегов несущих слоев и зон усиления (патент на изобретение №2355583, МПК В32В 37/00). Общими существенными признаками для прототипа и заявленного изобретения являются:
- послойная выкладка на поверхность полноразмерной формы внутреннего несущего слоя в виде пропитанной связующим угле- или стеклоткани с закладными элементами, облегченного заполнителя и наружного несущего слоя в виде пропитанной связующим угле- или стеклоткани, склеивание слоев с одновременным отверждением их с облегченным заполнителем и закладными элементами.
Известный способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из полимерных композиционных материалов имеет следующие недостатки:
- утяжеление конструкции оболочки, обусловленное выполнением сотового заполнителя из алюминия;
- разнородность материалов - алюминиевый сотовый заполнитель, закладные элементы из металла, полимерный композиционный материал, входящие в конструкцию оболочки, приводит к возникновению внутренних температурных напряжений внутри слоя обусловленных разными величинами их линейного расширения, что снижает прочность конструкции;
- способ предусматривает ручную выкладку, что трудоемко в изготовлении, ухудшает условия труда, снижает точностные и качественные характеристики изделия;
- ограниченные технологические возможности - известный способ не позволяет получить полимерную оболочку с переменной кривизной внутренней поверхности, т.к формообразующая оправка и изготовленная конструкция оболочки по данному способу являются цельными, что не позволит осуществить процесс снятия готовой оболочки с формообразующей оправки в случае выполнения оправки с наружной поверхностью переменной кривизны.
Задачей предложенного технического решения является разработка технологии изготовления крупногабаритных тел вращения разборной многослойной, облегченной конструкции из ПКМ с поверхностью переменной кривизны.
При решении поставленной задачи достигается следующий технический результат - расширение технологических возможностей изготовления и подготовки к эксплуатации крупногабаритных разборных конструкций из ПКМ, как с наружной так и внутренней поверхностями переменной кривизны за счет выполнения разборными полноразмерной формы и оболочки, разделенной на сектора. Снижение массы конструкции с сохранением ее прочности за счет использования сотового заполнителя из ПКМ в теле оболочки.
Полученная конструкция тела вращения может быть использована в качестве оправки многоразового использования для изготовления крупногабаритных оболочек из ПКМ с переменными внутренней и (или) наружной поверхностями.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления крупногабаритных тел вращения с поверхностью переменной кривизны многослойной разборной конструкции из ПКМ, включающий послойное нанесение на поверхность полноразмерной формы внутреннего несущего слоя в виде пропитанной связующим угле - или стеклоткани с закладными элементами, облегченного заполнителя и наружного несущего слоя в виде пропитанной связующим угле - или стеклоткани, склеивание слоев угле- или стеклоткани и облегченного заполнителя производят с одновременным отверждением, после отверждения производят разрезку полученного пакета слоев из полимерного композиционного материала на его толщину вдоль оси на сектора с последующим усилением их продольных стыковочных поверхностей, причем закладные элементы закреплены разъемным соединением на полноразмерной форме, выполненной разборной, а сборку-разборку конструкции производят начиная с элементов полноразмерной формы, а затем секторов последовательно, в качестве облегченного заполнителя применяют сотовый заполнитель из ПКМ.
Нанесение на поверхность полноразмерной формы полимерного композиционного материала может быть осуществлено поочередной намоткой слоев ровинга и стеклоткани или стеклоленты, предварительно пропитанными связующим.
Предлагаемый способ изготовления крупногабаритных разборных конструкций из ПКМ в виде тела вращения с поверхностями переменной кривизны многослойных изделии поясняется чертежами.
На фиг.  1 представлен общий вид изделия, на фиг.  2 - сектор.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности операций:
- изготовление и подготовка разборной полноразмерной формы 1;
- установка и закрепление разъемным соединением (например болтовым) на полноразмерную форму съемных закладных элементов 2 (шпангоутов), число рядов рассчитывается из условия прочности конструкции;
- выкладка пленки клеевой на поверхность закладных элементов 2 для обеспечения сцепления с ПКМ;
- формирование внутреннего несущего слоя намоткой поочередно на полноразмерную форму слоев ровинга и стекло- углеткани, пропитанных связующим (фиг. 2);
- установка сотового заполнителя 3 из ПКМ;
намотка поочередно слоев ровинга и стекло- углеткани, пропитанных связующим;
- поочередное повторение слоев ровинга и стекло- углеткани со слоями сотового заполнителя 3 из ПКМ;
- склеивание слоев угле - или стеклоткани и облегченного заполнителя 3 производят в печи с одновременным отверждением;
- разрезка слоя полимерного композиционного материала на его толщину вдоль оси на сектора 4;
- разборка секторов 4 путем расфиксирования крепежа съемных закладных элементов 2,
- механическая обработка продольных стыковочных поверхностей секторов 4,
- усиление продольных стыковочных поверхностей секторов 4 окантовочным материалом, например, стальной лентой,
- сборка конструкции путем установки секторов 4 на полноразмерную форму 1 и чистовая доработка наружной поверхности,
Сборку-разборку конструкции тела вращения с внутренней поверхностью переменной кривизны производят начиная с элементов полноразмерной формы 1, а затем секторов 4 из ПКМ последовательно.
Полученная конструкция тела вращения может быть использована в качестве оправки для получения крупногабаритных оболочек из ПКМ с переменными внутренней и (или) наружной поверхностями.
Преимущества предлагаемого способа изготовления разборной конструкции из ПКМ с поверхностью переменной кривизны по сравнению с прототипом - расширение технологических возможностей, заключающихся в изготовлении оболочек из слоистых ПКМ облегченной конструкции с поверхностями переменной кривизны, как внутренней, так и наружной; возможность многоразового использования полученной оболочки в качестве оправки для изготовления крупногабаритных оболочек (емкостей) из слоистых ПКМ с поверхностью переменной кривизны.