Оправка для намотки оболочек из композиционного материала
MANDREL FOR WINDING SHELLS FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области машиностроения, и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления (далее оболочек) из композиционного материала (КМ).
Известно, что оболочки из КМ (органопластика) изготавливаются методом намотки жгута, пропитанного связующим, на удаляемую после завершения полимеризации связующего песчано-полимерную оправку. Корпус из композиционного материала содержит силовую оболочку и узел стыка [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе/ Под общ. ред. Л.Н. Лаврова - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страница 61, рис. 2.18].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является оправка для намотки оболочек из КМ [Патент РФ 2606644]. Оправка для намотки оболочек из композиционного материала (органопластика) на предварительно изготовленное теплозащитное покрытие, скрепленное с фланцами, содержащая на валу формообразующие элементы, фланцедержатели и упоры, установленные на фланцедержателях, контактирующие с внешней поверхностью наматываемой оболочки.
В рассматриваемой конструкции фланцедержатель жестко скреплен с валом для обеспечения целостности оправки (чтобы наматываемый жгут не сдвинул одни части оправки относительно других) и для обеспечения геометрических и точностных параметров. Недостатком данной оправки является то, что из-за различных коэффициентов линейного теплового расширения (положительного у оправки (металла и песчано-полимерной смеси) и отрицательного у оболочки из КМ (органопластика)) на границе оболочка - наружная поверхность фланца, оболочка-теплозащитное покрытие могут образовываться несплошности (расслоения), которые способны привести к смещению и провороту фланца относительно оболочки, ухудшению точностных параметров оболочки, ухудшению герметичности оболочки.
Полимеризация оболочки из КМ (органопластика) обеспечивается за счет термообработки в печи. При нагреве в печи происходит расширение (увеличение) оправки и уменьшение оболочки, т.е. увеличивается контактное давление оболочки из КМ на теплозащитное покрытие и фланец.
При последующем охлаждении происходит обратный процесс. Увеличивающаяся оболочка начинает отходить от уменьшающейся оправки. Если при этом фланцы оболочки скреплены с оправкой, то на границе оболочка из КМ - фланец, оболочка из КМ-теплозащитное покрытие возникает нагрузка, приводящая к ослаблению адгезионной прочности на данных границах и даже к расслоениям. Даже если прочность оболочки от внутреннего давления сохранится, указанные расслоения для оболочки нежелательны, т.к. могут приводить к смещению и провороту фланца относительно оболочки, ухудшению точностных параметров оболочки, ухудшению герметичности оболочки.
Технической проблемой настоящего изобретения является исключение при изготовлении оболочек из КМ (органопластика) несплошностей (расслоений) на границах оболочка - фланец, оболочка - теплозащитное покрытие, а также повышение адгезионной прочности указанных границ.
Технический результат достигается тем, что в оправке для намотки оболочек из композиционного материала (органопластика) на предварительно изготовленное теплозащитное покрытие, скрепленное с фланцами, содержащей на валу формообразующие элементы, фланцедержатели и упоры, установленные на фланцедержателях, контактирующие с наматываемой оболочкой, между фланцедержателями и формообразующими элементами, а также между фланцедержателями и валом расположены демонтируемые фиксаторы, установленные с возможностью раскрепления фланцедержателей между собой перед режимом термообработки. На фланцедержатели могут быть установлены технологические днища, на которые установлены дополнительные упоры.
Сущность изобретения заключается в следующем. После термообработки оболочки из КМ, в процессе охлаждения оболочка из КМ (органопластика), имеющая отрицательный коэффициент линейного температурного расширения, расширяется. Фланец, прочно скрепленный с оболочкой, перемещается наружу вслед за оболочкой. Упор, зафиксированный относительно фланцедержателя (т.е. фланца), не препятствует перемещению фланца совместно с органопластиком оболочки, т.к. осуществляется раскрепление фланца от оправки посредством демонтажа фиксаторов после намотки оболочки (перед ее термообработкой (полимеризацией КМ)) и тем самым исключается появление нагрузки на границе оболочка из КМ - фланец, оболочка из КМ - теплозащитное покрытие. Раскрепление фланца в рассматриваемый момент нужно как относительно формообразующих элементов, так и относительно вала.
Для совместного перемещения фланца и оболочки требуется повышать площадь контакта упора с оболочкой (с учетом меняющейся формы сырого (еще не полимеризованного органопластика). Это проще обеспечить на технологическом (обрезном) днище (если такое существует), на котором можно организовать специальную площадку. Наличие двух упоров (на днище оболочки и на технологическом днище) повышает эффективность контакта. В результате повышается адгезионная прочность границы оболочка - теплозащитное покрытие, оболочка-фланец.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез оправки и оболочки, намотанной на оправку.
Оправка для намотки содержит установленные на валу 1 формообразующие элементы 2, изготовленные из песчано - полимерной смеси. Фланцы 3 скреплены с фланцедержателями 4. Предварительно изготовленное теплозащитное покрытие 5, скрепленное с фланцами 3, установлено на формообразующие элементы 2. В процессе намотки поверх теплозащитного покрытия 5, скрепленного с фланцами 3, наматывается оболочка 6 из КМ. Упоры 7 перед намоткой не установлены (чтобы не мешать намотке). Перед намоткой фланцедержатели 4 зафиксированы относительно формообразующих элементов 2 фиксаторами 8 и относительно вала 1 фиксаторами 9. Для намотки узлов стыка по схеме «второго кокона» оснастка может содержать технологические днища 10. При этом наматываемый КМ на узлы стыка, содержит обрезной припуск 11 («ложное днище»). Устанавливаются дополнительные упоры 12, контактирующие с обрезным припуском 11. Соответственно, часть упоров (дополнительные упоры 12) установлена на скрепленных с фланцедержателями 4 технологических днищах 10.
Устройство работает следующим образом. Собранная на вал 1 оправка сохраняет свою целостность благодаря фиксаторам 8, 9. Методом спирально - кольцевой намотки производится намотка оболочки 6 из органожгута, пропитанного связующим. После намотки оболочки 6 проводится установка упоров 7, и их фиксация относительно фланца 3. Фиксация может осуществляться через промежуточный элемент - фланцедержатель 4. Фланцедержатели 4 (вместе с фланцами 3) зафиксированы относительно упора 7, контактирующего с оболочкой 6. Для намотки узлов стыка («второго кокона») на вал 1 устанавливаются и фиксируются технологические днища 10. После намотки «второго кокона», содержащего обрезной припуск 11, намотанные слои обхватывают оправку, исключая дальнейшую необходимость в фиксаторах 8, 9. Фиксаторы 8, 9 демонтируются. Демонтаж фиксаторов 9 возможно проводить только спереди (или только сзади). При этом, не раскрепленный фланец 3 будет перемещаться вместе с валом 1 и фиксатором 9 в сторону оболочки 6. Фиксаторы 8 необходимо демонтировать оба. Контролируются (при необходимости, затягиваются) упоры 7 и дополнительные упоры 12. Оправка с намотанной оболочкой 6 для полимеризации устанавливается в печь. В печи происходит нагрев. При нагреве оболочка 6, имеющая отрицательный коэффициент линейного температурного расширения, уменьшается, плотно облегая расширяющуюся оправку (формообразующие элементы 2).
Следующая стадия изготовления оболочки - это ее охлаждение совместно с оправкой до исходной температуры.
В процессе охлаждения происходит расширение оболочки 6, имеющей отрицательный коэффициент температурного расширения. Оболочка 6 и обрезной припуск 11 толкают упоры 7 и дополнительные упоры 12. Связанный с упорами 7 и 12 фланец 3 перемещается наружу, т.е. остается прижатым к оболочке 6. При этом внутрь фланец 3 ничего не тянет, т.к. организовано раскрепление фланца 3 от оправки посредством выкручивания фиксаторов 8,9 после намотки оболочки 6. Таким образом, в процессе охлаждения на границах скрепления фланца 3 и оболочки 6, а также на границах скрепления теплозащитное покрытие 5 и оболочка 6 исключено возникновение отрывной нагрузки, которая приводит к снижению адгезионной прочности на указанных границах и расслоениям между оболочкой 6 и фланцем 3, оболочкой 6 и теплозащитным покрытием 5 в районе вершины пера фланца 3. Адгезионная прочность указанных границ, сформированных на этапе полимеризации оболочки, не уменьшается, повышается качество изготовления оболочки 6.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, заключается в исключении при изготовлении оболочек из КМ (органопластика) несплошностей (расслоений) на границах оболочка - фланец, оболочка - теплозащитное покрытие, а также повышении адгезионной прочности указанных границ.