Формообразующая оправка для намотки композиционного материала

Полезная модель относится к технологии изготовления деталей из композиционных материалов, а именно оболочек для силовых конструкций.
При изготовлении оболочек из композиционных материалов осуществляют кольцевую намотку предварительно пропитанной связующим ленты материала на формообразующую оправку.
После чего производят отверждение пакета композиционного материала в гидроклаве с охватывающей оправку эластичной диафрагмой, через которую на пакет материала передается давление и температура рабочей среды.
Известна формообразующая оправка для намотки композиционного материала, выполненная в виде полого усеченного конуса, (см., например, И.М. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г. - стр. 197, 449, 452).
Известная оправка позволяет при изготовлении оболочки получить пакет композиционного материала требуемой толщины и обладает достаточной прочностью для последующего отверждения пакета композиционного материала в гидроклаве под воздействием давления и температуры рабочей среды.
Недостатками данной оправки являются сложность с обеспечением надежного закрепления ленты на оправке в начале намотки и наличие возможности сползания пакета композиционного материала с оправки в процессе намотки из-за отсутствия ограничителей у торцов полого усеченного конуса.
Указанные недостатки устранены в другой известной формообразующей оправке, выполненной в виде полого усеченного конуса, содержащего входной конический поясок, сопряженный с выходной конической частью, включающей крышку и фланец, соединенные, соответственно, с входным коническим пояском и выходной конической частью полого усеченного конуса (см. патент РФ №2445207), являющейся наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели.
Наличие входного конического пояска на полом усеченном конусе позволяет надежно закрепить ленту композиционного материала на оправке в начале намотки.
Наличие крышки и фланца, соединенных, соответственно, с входным коническим пояском и выходной конической частью полого усеченного конуса, играющих роль ограничителей у торцов полого усеченного конуса, позволяет исключить возможность сползания пакета композиционного материала с оправки в процессе намотки.
Однако, как показало практическое применение данной оправки, при изготовлении крупногабаритных оболочек для силовых конструкций, на входном торце оболочки после обрезки припуска и механической обработки в зоне соединения входного конического пояска и выходной конической части оболочки, как правило, имеются внутриструктурные складки материала по окружности и в осевом направлении, расположение которых носит случайный характер.
Таким образом, при использовании известной оправки не удается получить требуемое качество материала входного торца оболочки и в зоне сопряжения конических поверхностей входного пояска и выходной части изготавливаемой оболочки, что недопустимо для силовых конструкций, работающих в особо напряженных условиях, и может приводить к разрушению оболочки.
Технической проблемой данной полезной модели является разработка усовершенствованной конструкции формообразующей оправки, позволяющей обеспечить высокое качество изготовления оболочек из композиционных материалов.
При разработке полезной модели решалась также техническая проблема по расширению арсенала формообразующих оправок для изготовления оболочек из композиционных материалов.
Технический результат заключается в повышении прочности материала входного торца оболочки и в зоне сопряжения конических поверхностей входного пояска и выходной части изготавливаемой оболочки за счет улучшения структуры материала.
Технический результат достигается тем, что формообразующая оправка для намотки композиционного материала, выполненная в виде полого усеченного конуса, включающего входной конический поясок, сопряженный с выходной конической частью, содержащая крышку и фланец, соединенные, соответственно, с входным коническим пояском и выходной конической частью, снабжена кольцевой вставкой, установленной в зоне сопряжения конических поверхностей входного пояска и выходной части и выполненной с возможностью снятия с оправки совместно с пакетом намотанного композиционного материала, при этом кольцевая вставка охватывает входной конический поясок оправки и примыкает скошенным торцом к выходной конической части с образованием кольцевого зазора между вторым торцом и крышкой оправки.
Толщина кольцевой вставки может составлять 0,3-0,4 требуемой толщины пакета намотанного композиционного материала в зоне сопряжения конических поверхностей входного пояска и выходной части.
Ширина кольцевого зазора между торцом кольцевой вставки и крышкой составляет 0,7-0,8 длины входного конического пояска оправки.
Наличие кольцевой вставки позволяет получить гладкую поверхность в зоне сопряжения конического входного пояска и выходной конической части изготавливаемой оболочки и улучшить структуру материала входного торца оболочки за счет осуществления кольцевой намотки ленты на наружную поверхность кольцевой вставки.
Наличие кольцевой вставки позволяет также получить монолитную входную часть оболочки без расслоений и достичь повышенной прочности в этой зоне за счет исключения возможности образования трещин, расслоений и вспучиваний материала, при отверждении намотанной на оправку оболочки и при обрезке припуска вместе с кольцевой вставкой и последующей механической обработке входного торца изготовленной оболочки.
Выполнение кольцевой вставки с толщиной, составляющей 0,3-0,4 требуемой толщины пакета намотанного композиционного материала в зоне сопряжения конических поверхностей входного пояска и выходной части является оптимальным для последующего качественного формирования входного торца оболочки после обрезки припуска и механической обработки.
Выполнение кольцевого зазора между торцом кольцевой вставки и крышкой с шириной, составляющей 0,7-0,8 длины входного конического пояска оправки является наиболее целесообразным для обеспечения надежного закрепления ленты композиционного материала на оправке в начале намотки.
На фиг. 1 приведена оправка с установленной кольцевой вставкой.
На фиг. 2 приведена схема намотки ленты композиционного материала на оправку.
Формообразующая оправка для намотки композиционного материала выполнена в виде полого усеченного конуса, включающего входной конический поясок 1, сопряженный с выходной конической частью 2.
Формообразующая оправка содержит крышку 3 и фланец 4.
Крышка 3 соединена с входным коническим пояском 1 полого усеченного конуса.
Фланец 4 соединен с выходной конической частью 2 полого усеченного конуса.
Формообразующая оправка снабжена кольцевой вставкой 5, устанавливаемой перед намоткой композиционного материала в зоне 6 сопряжения поверхностей входного конического пояска 1 и выходной конической части 2 полого усеченного конуса.
Кольцевая вставка 5 охватывает входной конический поясок 1 оправки и примыкает скошенным торцом 7 к выходной конической части 2 с образованием кольцевого зазора между вторым торцом 8 и крышкой 3 оправки.
Ширина 1 кольцевого зазора между торцом 8 кольцевой вставки 5 и крышкой 3 составляет 0,7-0,8 длины L входного конического пояска 1 оправки.
Толщина h кольцевой вставки 5 составляет 0,3-0,4 требуемой толщины Н пакета намотанного композиционного материала в зоне сопряжения поверхностей входного конического пояска 1 и выходной конической части 2.
При подготовке оправки к работе соединяют фланец 4 с выходной конической частью 2 полого усеченного конуса.
Устанавливают кольцевую вставку 5 в зоне сопряжения поверхностей входного конических пояска 1 и выходной конической части 2 оправки.
После чего соединяют крышку 3 с входным коническим пояском 1 полого усеченного конуса.
Устанавливают оправку на намоточный станок.
Закрепляют входной конец предварительно пропитанной связующим ленты композиционного материала на поверхности входного конического пояска 1 у крышки 3.
Производят оборот оправки вокруг своей оси для надежного закрепления ленты на оправке, далее осуществляют кольцевую намотку ленты на поясок 1, кольцевую вставку 5 и выходную коническую часть 2 оправки.
В процессе намотки формируют многослойную оболочку в несколько приемов, с получением на коническом пояске 1 припуска материала для изготовления образцов материала, на которых определяют физико-механические характеристики материала изготовленной оболочки.
После намотки производят отверждение материала оболочки в гидроклаве с охватывающей оправку эластичной диафрагмой под воздействием давления и температуры рабочей среды.
После отверждения оболочки в гидроклаве производится частичная разборка оправки, при этом отсоединяют крышку 3 и снимают изготовленную оболочку с оправки совместно с кольцевой вставкой 5.
Производят механическую обработку оболочки и отрезают припуск вместе с кольцевой вставкой 5.
После обрезки припуска и механической обработки в зоне соединения входного конического пояска и выходной конической части оболочки материал входного торца оболочки монолитен, без расслоений с улучшенной структурой.
Практическое применение полезной модели подтвердило высокую надежность работы оправки для намотки композиционного материала.