МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Формование изделий методами намот­ки. Формование структуры композиционного материала методом намотки тесно связано с конструированием самого изделия. При этом должны учитываться реальная форма оболоч­ки, наличие в ней комбинированных частей в виде инородных материалов внутренних слоев и закладных деталей, а также размеры конст­рукции. Формование совершенной структуры намотанного композиционного материала пре­дусматривает равнонапряженность всех воло­кон арматуры. Это условие реализуется при их укладке на поверхности наматываемого изде­лия волокон по геодезическим линиям, опреде­ляющим на поверхности произвольной формы кратчайшее расстояние между двумя точками. По ряду причин это условие на практике не реализуется [16].

Наименьшие сложности возникают при изготовлении цилиндрических оболочек (труб). Самый простой метод формования - прямая (радиальная или окружная) намотка рулонного наполнителя на вращающуюся оправку. В этом случае угол намотки а, т. е. угол между обра­зующей оболочки и касательной к плоскости рулонного наполнителя в месте его укладки на оправку составляет 90°. В простейшем вариан­те такой намотки длина изготовляемой оболоч­ки равна ширине рулонного наполнителя.

Если длина трубы превышает ширину ру­лона, прямую намотку ведут одновременно с
нескольких рулонов параллельно, с небольшой нахлесткой по краям (5...50 мм). Для нивели­ровки утолщений в местах нахлестки оправке сообщается кроме вращательного незначитель­ное возвратно-поступательное движение на величину, несколько превышающую размер нахлестки. Схемы станков прямой тканевой намотки даны на рис. 7.7.7. При таком методе можно не только формовать трубы постоянной толщины, но и оформлять специальные утол­щения (например, бурты для фланцевых со­единений), прекращая подачу на оправку на­полнителя с некоторых рулонов. Современные станки позволяют получать силовые оболочки диаметром 3 и длиной в 20 м. Прочность стек­лопластиков в таких оболочках не превышает 600 МПа, однако они отличаются хорошей герметичностью, высокими технологическими и экономическими показателями.

Трубы из композиционных материалов можно изготовлять методом спиральной на­мотки рулонного наполнителя В этом случае возможно организовать непрерывный и дис­кретный способ получения труб соответст­венно бесконечной длины и ограниченных размеров.

При непрерывном способе наполнитель подается на оправку с двух рулонов, что позво­
ляет осуществлять поступательное перемеще­ние намотанной трубы по поверхности непод­вижной оправки (или движение трубы вместе с наращиваемой оправкой) и взаимно - противоположное вращение планшайб с распо­ложенными на них раскладчиками рулонного наполнителя (рис. 7.7.8). Станки, осуществ­ляющие эти процессы, различаются располо­жением транспортирующих валков: при нара­щиваемой оправке (рис. 7.7.8, а) имеются по­дающие и центрирующие валки, при непод­вижной оправке (рис. 7.7.8, б) - только тяну­щие.

При дискретном методе арматура подает­ся на вращающуюся оправку только с одного рулона, установленного на каретке станка (рис. 7.7.9). Взаимно-перекрестное ориентиро­вание волокон осуществляется при возвратно - поступательном перемещении каретки вдоль оправки. Широкого применения такие методы тканевой намотки труб не нашли ввиду слож­ности и ненадежности станков, при этом свой­ства получаемых труб не отличаются от свойств труб, изготовленных методом прямой намотки.

Наиболее совершенным способом изго­товления качественных труб является намотка не тканевого наполнителя, а армирующего материала в виде пряди нитей или лент. Для реализации этого способа используют станки, работающие по схемам продольно-поперечной и спиральной намотки.

При реализации схем продольно - поперечной намотки каждый несущий слой образуется двумя системами нитей, одна из которых укладывается с заданным шагом вдоль образующей оправки с углом намотки а = 0...50, нити другой системы наматываются практически по окружности (а = 85... 90°). Необходимые местные утолщения создаются дополнительной окружной намоткой. При этом методе намотки используют станки двух типов (рис. 7.7.10). Станки обоих типов снабжены оправкой 2, кареткой /. планшайбой 5 и ка­тушками с лентами для продольной укладки. Отличие их состоит в следующем. В одном типе станков продольные слои укладывают на неподвижную оправку с помощью захватов и фиксаторов при осевом перемещении каретки, а ленты для окружной намотки располагаются на вращающейся планшайбе (рис. 7.7.10, а). В другом типе станков расположение катушки с лентами обратное: ленты для окружной намот­ки расположены на возвратно-поступательно движущейся каретке, а ленты для продольной укладки - на синхронно вращающейся с оправ­кой планшайбе. При этом обеспечивается бо­лее высокое качество изделия и непрерывность процесса намотки, хотя станки для этих целей сложны и громоздки. Продольно-поперечная намотка используется также для изготовления изделий конической формы.

При формовании структуры композици­онного материала со спиральной намоткой пряди нитей за каждый оборот оправки или нитераскладчика станка образуется система двух слоев со взаимно-перекрестным ориенти­рованием армирующих волокон (спирально- перекрестная намотка). Эти слои характеризу­ются углами намотки оц и а 2 = 180°— cXj. Для оболочек, работающих в условиях осесиммет- ричных нагрузок, эти углы равны и отличаются

Только знаком. Спиральная намотка может осуществляться под углом oti = 25...85° в за­висимости от направления главных напряже­ний при нагружении оболочек эксплуатацион­ными нагрузками. Кроме того, она может быть многозаходной, когда стенки изделия форми­руются нитями, наматываемыми под разными углами в каждом из несущих слоев и уклады­ваемыми одновременно или последовательно.

Спиральная намотка труб однонаправ­ленным наполнителем, как самостоятельный метод их изготовления, не получил широкого распространения, так как по комплексу техни­ко-экономических показателей уступает ранее рассмотренным методам намотки изделий про­стой геометрической формы.

Однако спиральная намотка приобретает особое значение для изготовления оболочек сложной формы и является практически един­ственным и универсальным способом их полу­чения. К такой группе изделий можно отнести напряженные замкнутые оболочки в виде сфер, эллипсоидов, цилиндров со сферическими и эллиптическими днищами, полюсными и непо­лярными отверстиями различного диаметра, а также несимметричными профилями днищ. Такие конструкции можно получить методом спиральной намотки. На рис. 7.7.11 даны неко­торые кинематические схемы станков, осуще­ствляющих спиральную намотку оболочек двойной кривизны.

Конструкции намоточных станков отли­чаются разнообразием, что обусловлено преж­де всего разнообразием форм и размеров изго­товляемых оболочек и типов армирующих материалов, непрерывностью или дискретно­стью процесса. Различаются они и конструк -

Тивным исполнением пропиточно-формующе - го тракта, кинематикой движений различных элементов, типом привода, степенью автомати­зации и системами программного управления, а также степенью универсальности. Подробные сведения о станках можно найти в [16].

Основным элементом аппаратурно-тех - нологического оформления процесса намотки изделий является технологическая оправка. Ее форма и размеры с заданной точностью долж­ны соответствовать форме и размерам внут­ренней поверхности изделий и быть стабиль­ными под действием силовых и температурных воздействий при намотке и отверждении ком­позиции. К оправкам предъявляются требова­ния прочности, жесткости, технологичности в изготовлении и извлечении готового изделия, малой массы и невысокой себестоимости.

В зависимости от объема изготовляемых изделий оправки могут быть одноразового, многоразового использования и комбиниро­ванные (часть ее элементов используется мно­гократно, а часть - одноразово). Оправки мно­горазового применения, как правило, разбор­ные. выполненные из легких алюминиевых сплавов или стали. Эти оправки более удобны для организации внутреннего обогрева, без которого редко обходятся при намотке изде­лий, особенно толстостенных. В последние годы для снижения массы оправок в их конст­рукциях стали использовать композиционные материалы, например, углепластики, стекло­пластики.

Оправки одноразового использования из­готовляют из легко удаляемых материалов (вымыванием, разрушением, выплавлением), таких как гипс, смеси спирта с песком, гипса и соли с высокой температурой плавления, гипса с песком, песка с поливинилацетатным латек­сом, песка с поваренной солью с раствором столярного (костного) клея, а также высокопа­рафиновую смесь и сплав Вуда [16].

Для улучшения качества стенок намотан­ного изделия как по «мокрому», так и по «су­хому» способу иногда осуществляют дополни­тельную его пропитк> связующим непосредст­венно на оправке. Этот прием особенно эффек­тивен при формировании заготовки изделий из непропитанного волокнистого наполнителя, которое может быть осуществлено с высокими скоростями, не лимитированными присутстви­ем связующего. В представленной на рис. 7.7.12 схеме осуществления такого про­цесса пропитки оправка с намотанным издели­ем помещается в замкнутую форму, в которую затем под давлением нагнетается связующее. Естественно, что при этом в самой оправке должны быть предусмотрены дренажи, облег­чающие процесс пропитки. Необходимые тех­нологические расчеты такого процесса даны в [16].

Формование изделий контактным ме­тодом, наполнением и прессованием в замк­нутой форме. Общим для всех этих методов является наличие формующего инструмента, соответствующего профилю и размерам фор­муемого изделия. Оформляемая поверхность должна по точности размеров, шероховатости и другими параметрам соответствовать рабо­чей поверхности изделия - негативная (матри­ца) и позитивная (пуансон) форма (рис. 7.7.13). Для придания дополнительной плотности стенкам изделий, изготовляемым контактным формованием и напылением после прикатки роликами, на изделие можно передать давление с помощью эластичного вкладыша (цулаги).

В случае необходимости нагрева изделия для отверждения связующего, в форму могут быть помещены трубчатые электронагревате­ли, либо в ней проделаны каналы для теплоно­сителя, либо саму форму с изделием можно поместить в термокамеру. Для облегчения из­влечения изделия из формы между ними нано­сят разделительный антиадгезионный слой (поливиниловый спирт, силиконовую смазку, целлофан и др.).

Как правило, в большинстве случаев из­готовление изделий этими методами требует ручного труда. Исключение составляет метод напыления, при котором используются маши­ны для рубки волокна, его смешения со свя­зующим и подачи полученной смеси на форму воздушной струей или струей инертного газа.

Различные приемы контактного формо­вания с использованием локального подогрева (индукционного, СВЧ) используются при оформлении отдельных элементов изделий, например, у химических аппаратов и трубо­проводов (патрубки, фланцы, укрепляющие элементы, опоры и др.). Конструктивные и технологические их решения, а также схемы крепления различных закладных деталей и соединения отдельных элементов химических машин, аппаратов и трубопроводов, обеспече­ние их надежности освещены в литературе [16- 18, 20, 27].