СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ ЗАМКНУТОЙ КОНФИГУРАЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD FOR FORMING LONG-LENGTH CLOSED PROFILES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемая к защите группа изобретений относится к области производства упрочненных труб, длинномерных профилей замкнутой конфигурации из композиционного материала раздуванием в формах. Может найти применение для различных несущих облегченных конструкций, например солнечных батарей, антенн и др.
Из патентной литературы известна экструзионно-раздувная формовочная машина для изготовления изделий раздуванием в формах с подвижными частями заготовок, предварительно отформованных экструзией, из полимерных материалов в пластическом состоянии (RU №2186683, B29C 49/04).
Машина содержит рамную станину, несущую электронагреваемый экструдер с формующей трубчатую бесконечную заготовку головкой, под которой размещен механизм отделения штучной заготовки, вертикально подвижное сопло подачи технологического воздуха в прессформу, состоящую из смыкаемых полуформ, установленных на монтажных плитах, связанных с пневмоцилиндрами позиционирования, и механизм удаления облоя.
Способ формования бесконечной трубчатой заготовки, применяемый в вышеназванной машине, не позволяет производить формование длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов на основе термореактивных пластмасс: стеклопластиков, органопластиков, углепластиков и др., что обусловлено физико-механическими и химическими свойствами этих материалов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой группе изобретений можно считать «Устройство и способ производства молекулярно биориентированных пластмассовых труб» (RU №2429967, B29C 49/16).
Устройство для производства молекулярно биориентированных пластмассовых труб содержит:
- форму, с помощью которой изготавливают ориентированную трубу из трубной заготовки путем расширения. При этом форма образована центральным корпусом, первой верхней частью и второй верхней частью, соединенными на противоположных сторонах центрального корпуса;
- жесткую и перфорированную направляющую, которая центрирована внутри формы, проходит между верхними частями и центральным корпусом, имеет внешний диаметр немного меньше, чем внутренний диаметр трубной заготовки, снабжена отверстиями, выполненными с возможностью пропускания через них текучей среды, которая вызывает расширение трубной заготовки к внутренним стенкам формы;
- камеру охлаждения, каналы, соединяющие центральный корпус с окружающей средой через коллектор, выполненный с возможностью создания вакуума.
Способ производства молекулярно биориентированных пластмассовых труб, в котором использовано устройство для производства молекулярно биориентированных пластмассовых труб, включает следующие стадии:
- введение трубной заготовки через верхнюю часть в продольном направлении, подгоняя ее внутреннюю поверхность к внешней поверхности перфорированной направляющей, при этом до введения трубную заготовку нагревают до температуры формы, а перфорированную направляющую - до такой же температуры, что и температура трубной заготовки перед введением текучей среды для расширения;
- закрепление трубной заготовки в форме, закрытие формы с помощью уплотнительной втулки;
- подача текучей среды через центральное отверстие в отверстия направляющей для расширения трубной заготовки до внутренних стенок формы, и в то же самое время создание вакуума в камере, образованной между формой и трубной заготовкой;
- за счет давления текучей среды трубная заготовка принимает внутреннюю геометрию формы.
Недостаток указанного устройства и реализованного в нем способа заключается в отсутствии равномерного распределения рабочего давления текучей среды на внутреннюю поверхность заготовки трубы, внешняя поверхность которой также неравномерно принимает внутреннюю геометрию формы, что влияет на качество получаемого профиля.
Кроме того, к недостаткам можно отнести и то, что нагрев заготовки, перфорированной направляющей и формы происходит поэтапно, а также необходимость создания вакуума между заготовкой и формой. Все это усложняет конструкцию и способ, не дает возможность формовать длинномерные профили из стеклопластиков, органопластиков, углепластиков и др. термореактивных пластмасс.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, заключается в получении качественных длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов с высокой точностью, эксплуатационной прочностью и надежностью.
Поставленная задача решается тем, что в способе формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов, заключающемся в раздаче заготовки при помощи нагрева и расширяющей среды до размеров формы, смыкаемой из полуформ, путем установки и закрепления этой заготовки на направляющей, перфорированной, соединенной через ее центральное отверстие с источником расширяющей среды, и центрированной в осевом направлении внутри формы, давление расширяющей среды распределяют равномерно по длине перфорированной направляющей, заготовку образуют путем набора пакета из полимерных композиционных материалов с пропиткой их связующим, внутренняя поверхность формы и наружная поверхность направляющей покрывается антиадгезионным слоем в виде фторопластовой пленки, укладываемой по спирали с перехлестом и фиксируемой связующим, идентичным связующему пакета заготовки, на антиадгезионный слой направляющей выкладывают, а затем закрепляют набранный пакет заготовки, на который наносят поглощающий слой из фильтровальной ткани, все предварительно собранное помещают в форму, нагревают до температуры полимеризации, одновременно с нагревом по центральному отверстию перфорированной направляющей подают рабочее давление расширяющей среды, при созданной температуре и рабочем давлении выдерживают заготовку в форме в течение времени полимеризации материала пакета заготовки, охлаждают как при давлении, так и без него и производят демонтаж формы.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в устройстве формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов, содержащем форму, состоящую из смыкаемых полуформ, жесткую перфорированную направляющую, центрированную в осевом направлении внутри формы, имеющую внешний диаметр меньший, чем внутренний диаметр формуемого замкнутого профиля, и соединенную через ее центральное отверстие с источником расширяющей среды, жесткая перфорированная направляющая оснащена герметично установленным на ней трубообразным упругим элементом.
Указанная, отличающая предлагаемый способ формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов, последовательность производимых операций, а именно установка и закрепление этой заготовки на направляющей, соединенной через ее центральное отверстие с источником расширяющей среды, перфорированной и центрированной в осевом направлении внутри формы, смыкаемой из полуформ, раздача заготовки до размеров формы, распределение давления расширяющей среды равномерно по длине перфорированной направляющей, образование заготовки путем набора пакета из полимерных композиционных материалов с пропиткой их связующим, покрытие внутренних поверхностей формы и наружной поверхности направляющей антиадгезионным слоем в виде фторопластовой пленки, укладываемой по спирали с перехлестом и фиксируемой связующим, идентичным связующему пакета заготовки, выкладка на антиадгезионный слой направляющей, а затем закрепление набранного пакета заготовки, нанесение на пакет поглощающего слоя из фильтровальной ткани, размещение всего предварительно собранного в форму, нагрев до температуры полимеризации, одновременная с нагревом подача по центральному отверстию перфорированной направляющей рабочего давления расширяющей среды, выдержка заготовки в течение времени полимеризации материала пакета заготовки в форме при созданной температуре и рабочем давлении, охлаждение как при давлении, так и без него, демонтаж формы.
Оснащение устройства формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов, содержащего форму, состоящую из смыкаемых полуформ, жесткую перфорированную направляющую, центрированную в осевом направлении внутри формы, имеющую внешний диаметр меньший, чем внутренний диаметр формуемого замкнутого профиля, и соединенную через ее центральное отверстие с источником расширяющей среды, герметично установленным на жесткой перфорированной направляющей трубообразным упругим элементом, позволяет обеспечить равномерное распределение рабочего давления на внутренних поверхностях заготовки и, как следствие этого, - равномерное прижатие его внешней поверхности к внутренним поверхностям смыкаемых полуформ.
На чертеже представлена схема устройства формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов.
Способ формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов заключается:
- в предварительном наборе пакета заготовки 1 из полимерных композиционных материалов и пропитке его связующим;
- в создании равномерного распределения давления расширяющей среды по длине перфорированной направляющей путем герметичной установки на жесткую перфорированную 2 направляющую 3 трубообразного упругого элемента 4;
- закрепление на внутренних поверхностях полуформ 5 и 6 и на трубообразном упругом элементе 4 антиадгезионного слоя 7 в виде фторопластовой пленки, укладываемой по спирали с перехлестом и фиксируемой связующим, идентичным связующему пакета заготовки;
- закрепление на антиадгезионном слое 7 набранного пакета заготовки 1, нанесение на него поглощающего слоя 8 из фильтровальной ткани;
- помещение всего предварительно собранного в полуформу 5, смыкание полуформ 5 и 6 в единую форму и нагрев ее до температуры полимеризации материала пакета заготовки 1;
- одновременная подача по центральному отверстию 9 перфорированной 2 жесткой направляющей 3 рабочего давления расширяющей среды, выдержка заготовки 1 при температуре полимеризации и рабочем давлении в форме в течение времени полимеризации материала пакета заготовки, охлаждение как при давлении, так и без него.
Устройство формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов содержит форму, состоящую из смыкаемых полуформ 5 и 6, жесткую направляющую 3 с перфорирацией 2, центрированную в осевом направлении внутри сомкнутых полуформ 5 и 6 и имеющую внешний диаметр меньший, чем внутренний диаметр формуемой заготовки 1.
Жесткая направляющая 3 соединена через центральное отверстие 9 с источником 10 расширяющей среды и имеет герметично установленным на ней трубообразный упругий элемент 4.
Рассмотрим пример формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов на основе стеклопластика Э2-62 ГОСТ 1990-83, углепластика ЛУ-П-0,1А ГОСТ 28006-88, органопластика «Органита-18Т» ТУ 1559-11-2000:
1. Подготавливаем пакет заготовки длинномерного профиля замкнутой конфигурации, производим пропитку его связующим.
2. На жесткую перфорированную направляющую 3 устройства герметично устанавливаем трубообразный упругий элемент 4, например, из эластомера (резины).
3. На образующих поверхностях полуформ 5, 6 и трубообразном упругом элементе 4 жесткой перфорированной направляющей 3 располагаем антиадгезионный слой пленки 7 Ф-4ЭН ГОСТ 24122 по спирали с перехлестом до 5 мм с фиксацией концов липкой фторопластовой лентой, связующим идентичным связующему пакета заготовки 1.
4. Подготовленный пакет заготовки 1 выкладываем на полученный антиадгезионный слой 7 жесткой перфорированной направляющей 3 и прикатываем с помощью ролика.
5. Для удаления излишков связующего на уложенный пакет заготовки 1 наносим поглощающий слой 8 из фильтровальной ткани на основе полиэфирных нитей, ГОСТ 15978-93.
6. Жесткую перфорированную направляющую 3 с надетым на нее трубообразным упругим элементом (резиновой трубкой 4, нанесенным антиадгезионным слоем 7 и выложенным пакетом заготовки 1) устанавливаем в полуформу 5, фиксируем полуформой 6 (скрепляем полуформы при помощи крепежа).
7. Собранную форму помещаем в термопечь, подключаем подачу сжатого воздуха под рабочим давлением (0,6±0,05) МПа.
Температуру в термопечи поднимаем со скорость 2÷3 с/мин до температуры полимеризации заготовки от 165° до 175°C.
Выдерживаем заготовку в термопечи при указанной температуре полимеризации и рабочем давлении в течение 6 часов.
8. Охлаждаем заготовку профиля под рабочим давлением (0,6±0,05) МПа до температуры 120°C.
9. Охлаждаем заготовку профиля без рабочего давления до температуры 30°÷40°C.
10. Производим демонтаж формы.
11. Проводим контроль.
-0,2
-0,2
пр.при сжатии
Полученный на предлагаемом устройстве и предлагаемым способом длинномерный замкнутый профиль из полимерных композиционных материалов на основе стеклопластика Э2-62 ГОСТ 1990-83, углепластика ЛУ-П-0,1А ГОСТ 28006-88, органопластика «Органита-18Т» ТУ 1559-11-2000 обладает высокой точностью диаметра ⌀ 18,2, ⌀I6, плоскостностью 0,3÷0,5 мм на длине 600 мм, высокими физико-механическими характеристиками: σ=(350÷400) МПа, модулем упругости при сжатии (65000÷70000) МПа.
Таким образом, технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой группы изобретений для формования длинномерных профилей замкнутой конфигурации из полимерных композиционных материалов, заключается в высоких точностных характеристиках получаемых профилей, упрощении и снижении трудозатрат за счет исключения дополнительных операций, повышении эксплуатационной надежности за счет технологической стабильности параметров.