ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ГРЕБНЫХ ВАЛОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область техники
Полезная модель относится к оснасткам для изготовления методом намотки заготовок гребных валов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе перспективных углеродных армирующих материалов.
Уровень техники
При создании перспективных гребных валов из ПКМ на основе новейших стекло- и углеродных армирующих материалов с улучшенными весовыми и вибро-шумопоглощающими характеристиками возникает необходимость изготовления оснастки для формирования заготовок валов.
Традиционно в качестве оснастки для изделий из ПКМ, изготовленных методом намотки, применяют стальные цилиндрические оправки (дорны). Что в свою очередь затрудняет снятие отвержденной заготовки с оснастки даже при наличии антиадгезивного покрытия, и, в нередких случаях, возникновению механических повреждений вплоть до разрушения заготовки и/или оснастки, так как прилагаются значительные механические усилия, как к оснастке, так и к заготовке.
Известны различные варианты и технические решения улучшения и облегчения процесса снятия отвержденной заготовки из ПКМ с оснастки.
Известна сегментированная гибкая цилиндрическая укладочная оправка (SEGMENTED FLEXIBLE BARREL LAY-UP MANDREL) (патент США компании Боинг US 7166251 (B2), МПК B29C 70/44, опубл. 23.01.2007). Самолетная цилиндрическая укладочная оправка включает цилиндрическую оправочную сборку, имеющую прилегающую внешнюю цилиндрическую укладочную поверхность. Малый элемент цилиндрической внешней поверхности перемещается между цилиндрическим местом соединения и цилиндрическим местом разъединения и образует малую часть прилегающей внешней цилиндрической укладочной поверхности, находясь в соединенном положении. Основной элемент цилиндрической внешней поверхности перемещается между основным цилиндрическим местом соединения и основным цилиндрическим местом разъединения. Элемент основной цилиндрический внешней поверхности имеет первый торец основной цилиндрической поверхности и второй торец основной цилиндрической поверхности, перемещаемые вместе, чтобы уменьшить эффективную окружность основной цилиндрической внешней поверхности в основном, цилиндрическом разъединенном положении. Композитная слоевая сборка формируется вокруг окружности цилиндрической оправки и отверждается при совпадении, чтобы образовать композитный цилиндрический элемент. Композитный цилиндрический элемент снимается с указанной цилиндрической оправочной сборки путем перемещения основного элемента цилиндрический внешней поверхности в основное цилиндрическое разъединительное положение так, чтобы образовался скользящий зазор для облегчения процесса снятия отвержденной заготовки с оснастки.
Однако данное устройство является слишком сложным в конструктивном плане.
Известна оправка для изготовления изделий из композиционного материала (патент RU 2107623, МПК B29C 53/82, B29C 33/48, опубл. 27.03.1998). Описание оправки дается применительно к изготовлению корпуса коническо-оживальной формы с теплозащитным покрытием совместно с сопловым блоком. Ступени вала выполнены по нисходящей переменного диаметра, а башмаки закреплены на каждой ступени по восходящей диаметров башмаков до упора в последующую ступень. Поскольку каждый опорный башмак установлен с превышением один над другим и выполнен меньшим диаметром аксиального отверстия изделия, то обеспечивается беспрепятственная разборка оправки внутри готового изделия при вытягивании центрального вала в сторону большего аксиального отверстия. Техническим результатом является упрощение сборки оправки и обеспечение беспрепятственной разборки оправки внутри готового изделия сложной формы.
Данное устройство также является слишком сложным в конструктивном плане.
Также известна оправка для изготовления изделий из композиционных материалов (патент RU 2445207, МПК B29C 41/02, опубл. 20.03.2012). Техническим результатом является повышение качества изделий из композиционных материалов в гидроклаве с эластичной диафрагмой и облегчение съема с оправки каркаса материала после отверждения. Технический результат достигается оправкой для изготовления изделий из композиционных материалов, которая содержит формообразующую часть, выполненную в виде полого усеченного конуса, крышку и фланец, соединенные, соответственно, с малым и большим торцами формообразующей части. Наличие съемного отжимного кольца, скрепляемого с фланцем при установке каркаса материала и открепляемого от фланца перед съемом каркаса с оправки, позволяет при взаимодействии кольца с фланцем облегчить съем каркаса с оправки.
Однако, в данном устройстве предусмотрена технология не намотки ПКМ, а укладывания каркаса изделия и его пропитки ПКМ.
Также известна оправка для изготовления труб из композиционных материалов (патент RU 95290, МПК B29C 53/82, опубл. 27.06.2010). Полезная модель решает задачу облегчения отрыва изделия с поверхности оправки и тем самым повышения эффективности ее работы, а также обеспечения стабильности ее наружного диаметра. При подаче давления в пневмокамеру наружная поверхность оправки натягивается и выравнивается, приобретая требуемую форму, которая поддерживается стабильной давлением среды. Продольные ребра удерживают оболочку от смещения при кручении, тем самым повышая сопротивление оправки действию скручивающих нагрузок, что делает возможным применение оправки при намотке труб из композиционных материалов. Нерастяжимость оболочки обеспечивает стабильность ее наружного диаметра. После сброса давления и создания разрежения в пневмокамере, оболочка прогибается между ребрами, образуя волнистую поверхность, при этом из-за загиба оболочки отрывающие усилия концентрируются, что облегчает отрыв оболочки от внутренней поверхности изготовленной трубы. При этом оболочка может быть выполнена из материала с низкой адгезией к материалу изготавливаемых труб, например из армированной тефлоновой пленки, либо с наружным покрытием из этого материала, что облегчает отрыв.
Однако, данное устройство использует сжатый воздух в оправке для облегчения отрыва трубы, что усложняет конструкцию оснастки и требования к обеспечению технологического процесса в целом и пневматического процесса в частности.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения можно признать оправку для изготовления труб из композиционных материалов с формообразующей поверхностью конической формы (патент RU 2152874, МПК B29C 53/82, опубл. 20.07.2000), причем коническая формообразующая поверхность несущего элемента выполнена с конусностью в пределах от 1 до 5 мм на 8 метров длины. Выполнение формообразующих поверхностей несущего элемента и формователя раструба коническими позволяет производить беспрепятственное снятие с оправки сформированного на ней изделия путем первоначального опирания изделия в упорную плиту съемного устройства и последующего вытягивания оправки из внутренней полости изделия посредством съемного устройства. Оправка позволяет сократить трудоемкость изготовления изделий.
Однако, и в данном устройстве-прототипе, достаточно сложном по конструкции, не задействованы все предлагаемые в новом техническом решении возможности для упрощения и облегчения процесса снятия отвержденной заготовки с дорна (оправки) оснастки.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом разработки предлагаемого устройства является улучшение процесса снятия отвержденной заготовки с оснастки.
Технический результат достигается за счет расширения ассортимента физических средств и свойств, облегчающих процесс снятия заготовки с оснастки, а именно за счет не только придания образующей поверхности (дорну) конусности (как в прототипе), но и также наличия разности температурной инертности материалов заготовки из ПКМ и алюминиевого дорна оснастки.
Конкретнее, оснастка для изготовления заготовок гребных валов из ПКМ включает металлическую оправку (или дорн) с конической формообразующей поверхностью. Эта конусность дает возможность беспрепятственного снятия с оправки отвержденного на ней изделия с помощью съемного устройства. В качестве материала дорна используется алюминий, поэтому имеет место наличие существенной разности коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) и тепловой (или температурной) инертности материалов дорна и заготовки гребного вала на основе перспективных углеродных армирующих материалов. Процесс полимеризации связующего заготовки намотанной на оснастку происходит на дорне в электропечи под действием температуры, поэтому в результате линейного термического расширения происходит увеличение размеров оснастки (в первую очередь, дорна) и заготовки. После процесса полимеризации происходит естественное охлаждение оснастки и изделия до комнатной температуры, что, как следствие, приводит и к уменьшению их линейных размеров. Однако, в результате наличия существенной разности температурной инертности материалов дорна и заготовки охлаждение, изменение (уменьшение) габаритов алюминиевого дорна происходят дольше, чем изделия. Таким образом, происходит разрыв механических связей на границе раздела оснастки с заготовкой гребного вала, что минимизирует механические усилия, необходимые для снятия термоотвержденной заготовки вала с оснастки.
Таким образом, оснастка для изготовления заготовок гребных валов из полимерных композиционных материалов включает металлическую оправку-дорн с формообразующей поверхностью конической формы с возможностью беспрепятственного снятия посредством дополнительного съемного устройства с оправки-дорна заготовки, сформированной на ней методом мокрой намотки, последующей температурной полимеризации в термокамере и естественного охлаждения. Причем оправка-дорн выполнена из материала, преимущественно алюминия, с наличием существенной разности коэффициентов линейного термического расширения и температурной инертности в сравнении с полимерным материалом заготовки, преимущественно на основе углеродных армирующих материалов с эпоксидной смолой в качестве связующего. Преимущественно конусность оправки-дорна составляет 1…2 угловые минуты на нескольких метрах осевой длины.
Оправка-дорн установлена между двух одинаковых фланцев и закреплена радиальными винтами, предварительно смазанных клеевым гелем и с герметиком в отверстиях над ними. Разделительная лента из фторопластового уплотнительного материала намотана в местах будущей обрезки заготовки вала по ее краям на фланцах. Фланцы снабжены глухими осевыми резьбовыми отверстиями на торцах для ввинчивания болта съемного устройства при съеме заготовки с оправки-дорна со стороны ее большего диаметра конуса.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные или эквивалентные заявленному, а, следовательно, заявленное устройство соответствует условию патентоспособности «новизна».
Перечень фигур
Сущность решения поясняется фиг. 1 - чертежом оснастки в сборе.
Осуществление полезной модели
Оснастка состоит из: 1 - конусного алюминиевого дорна; 2 - двух одинаковых съемных фланцев (с глухими резьбовыми отверстиями 6 на торцах) с обеих сторон дорна; 3 - фиксирующих винтов в общих отверстиях дорна и фланцев; 4 - герметика (обычно силиконового) над винтами в отверстиях; 5 - разделительной ленты (из фторопластового уплотнительного материала (ФУМ)).
Процесс сборки оснастки осуществляют следующим образом: в дорн (1) вставляют фланцы (2); совместно в них просверливают начальные отверстия для фиксирующих винтов (3); выполняют угловые риски на фланцах (2) в соответствии с рисками на дорне (1) (на фиг. 1 - не показаны); доводят просверленные начальные отверстия в дорне (1) и фланцах (2) до заданных на чертеже; фланцы (2) в соответствии с ответными угловыми рисками на дорне (1) закрепляют с помощью винтов (3), предварительно смазанных клеевым гелем для фиксации резьбовых соединений; отверстия в дорне (1) над фиксирующими винтами (3) заполняют герметиком (4); разделительную ленту из ФУМ (5) наматывают в местах будущей обрезки по краям полученного вала-заготовки из ПКМ.
Далее на дорн (1) наматывают методом «мокрой намотки» волокна углепластика с пропиткой полимерным связующим. Формование углепластика на оснастке подразумевает температурное воздействие (в печи до температуры полимеризации (отверждения) связующего), для обеспечения оптимальной сшивки связей полимерного связующего. При использовании предлагаемой оснастки процесс полимеризации связующего в намотанном на оснастку углепластике происходит на алюминиевом дорне, ощутимо расширенном под воздействием температуры в печи. После прекращения нагрева происходит снижение температуры дорна и изделия, что, как следствие, приводит и к уменьшению их размеров.
Из-за значительной разницы тепловой инертности материалов и разности величин коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) алюминиевого дорна (1) и полимерного материала заготовка успевает остыть и зафиксировать свои размеры в остывшем состоянии гораздо раньше, чем остынет дорн (1), который и далее продолжает уменьшается в размерах и диаметрах конуса (обычно конусность составляет порядка 1…2 угловых минут при нескольких метрах длины дорна) при снижении температуры до комнатной. При этом происходит разрыв механических связей на границе раздела оснастки (в первую очередь дорна) с заготовкой гребного вала, что минимизирует механические усилия, необходимые для снятия (извлечения) термоотвержденной заготовки вала с оснастки и повышает вероятность съема заготовок без дефектов. После охлаждения заготовки и оснастки заготовку обрезают с двух краев по разделительным лентам (5); удаляют с краев заготовки отрезанный материал; со стороны большего диаметра края конуса дорна устанавливают съемное устройство (не показано); болт которого ввинчивают в глухое резьбовое отверстие (6) соответствующего фланца (2) оснастки; подтягивают гайку съемного устройства, что приводит к движению заготовки гребного вала с ее снятием с алюминиевого дорна (1) в сторону уменьшения конуса дорна.
-6
о
-1
-6
о
-1
Как показали проверочные экспериментальные измерения, КЛТР алюминиевого дорна, равный 22,2*10С, ниже КЛТР полимерной заготовки, равного 55*10С, а температурная инертность алюминиевого дорна выше температурной инертности полимерной заготовки в 1,5 раза.