CC BY
284
УДК 620.22.-419.8.027
Г.И. Шайдурова, А.С. Зуев, А.Ю. Емашев, В.Е. Антипин
ОАО «Научно-производственное объединение „Искра"», Пермь, Россия
ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНО-КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ НАМОТКИ
Изготовление композитных изделий методом намотки требует применения специальной технологической оснастки - формообразующих оправок, которые должны обеспечивать геометрию и форму внутренней конфигурации изделия, обладать достаточной прочностью при сжимающих нагрузках от наматываемого ленточного композита, не прогибаться под собственной массой, легко удаляться после отверждения изделий, иметь гладкую и ровную поверхность, предусматривать установку закладных элементов. В связи с этим существует ряд особенностей при проектировании и использовании формообразующих оправок для производства изделий из полимерных композиционных материалов методом намотки. В производстве наиболее распространены 3 типа оправок: цельнометаллические, металлоразборные и разрушаемые песчано-полимерные. В статье рассматриваются преимущества и недостатки оправок, а также ряд эксплуатационных ограничений и особенностей, связанных с применением оправок.
Особое внимание уделено рассмотрению песчано-полимерных оправок. Разрушение данной оправки происходит за счет воздействия на нее пароводяной смеси, приводящий к разу-порядочиванию химических связей полимера. Для повышения эффективности разрушения оправки предложен перспективный вариант модернизации оправки за счет внедрения стержней из стеклопластика, позволяющих сохранить на высоком уровне свойства многослойной конструкции (резина, пластик и клеевые границы), а также снизить трудоемкость изготовления и, следовательно, стоимость изделий. Это позволит сократить технологический цикл, повысить качество изготовления и эксплуатационные характеристики. Проведено экспериментальное исследование, подтверждающее эффективность применения стержней из стеклопластика в составе песчаных элементов в оправке.
Ключевые слова: намотка, песчано-полимерная оправка, цельнометаллическая оправка, разборная оправка, ПКМ-арматура, песчано-полимерная композиция, средства технологического оснащения, полимерно-композиционные материалы, песчаный элемент, технология.
G.I. Shaidurova, A.S. Zuev, A.Yu. Emashev, V.E. Antipin
OJSC «Research and Production Association „ISKRA"», Perm, Russian Federation
DESIGN FEATURES OF SPECIAL TOOLING FOR WOUND POLYMER COMPOSITE MANUFACTURE
Wound composites manufacture demands application of special tooling: shaping mandrels which should ensure geometry and shape of the product inner configuration, possess the sufficient strength to stand the compression load from winding, be undeflectable over proper weight, be easily removed after curing, have smooth and plane surface, provide installation of the embedded parts. In this connection there is number of features when designing and using shaping mandrels. There are three preferable types of mandrels for using in manufacture: all-metal, demountable and collapsible sandpolymer mandrels. In the paper the advantages and disadvantages, as well as operation restrictions and specific conditions connected with use of mandrels are described.
Special attention is paid to application of sand-polymer mandrels. Destruction of the above-mentioned mandrel is fulfilled owing to effect of steam-water mixture resulting in the disorder of chemical links in polymer. To increase the efficiency of mandrel destruction it is offered a promising approach of mandrel improvement by application of glass plastic bars keeping high properties of multilayer structure (rubber, plastic and glue interface). It gives the reduction of process time, increasing of manufacturing quality and operation characteristics and, therefore, low product cost. The experimental research proving efficiency of bars application as a part of sand elements in a mandrel has been carried out.
Keywords: winding, sand-polymer mandrel, all-metal mandrel, demountable mandrel, polymer-composite reinforcement, sand-polymer composition, special tooling, polymer composite material, sand element, technology.
В машиностроении накоплен многолетний опыт производства изделий из полимерно-композиционных материалов (ПКМ) методом «мокрой» намотки [1]. В процессе производства тонкостенных изделий, обеспечивающих высокие нагрузки внутренним давлением (например, баллоны высокого давления корпусов РДТТ) [2-4], задача получения малопористого композита сочетается с задачей достижения максимальной прочности и максимальной жесткости, что требует создания довольно высокого натяжения лент при намотке, а значит, и высокого контактного давления [5-8].
Процесс изготовления осуществляется на специальном намоточном оборудовании (станок КУ463Ф3 или СНП-32) с системой контроля натяжения ленты, содержания и температуры связующего, что позволяет обеспечивать требуемую массу и габариты изделия. В качестве наматываемого жгута используются органические волокна. Такие волокна имеют неоднородную структуру и обладают анизотропией ме-
ханических характеристик, направленных на максимальную прочность при растяжении вдоль волокна [9]. Основной составляющей средств технологического оснащения (СТО) для получения изделий из ПКМ является специально подготовленная оправка. На свод оправок действует высокое контактное давление, при этом максимум приходится на конец намотки и первые 6-10 ч полимеризации изделия в печи при максимальной температуре 170 °С (в крупногабаритных конструкциях давление достигает значений 40 кгс/см ), а затем в течение 10-12 ч идет релаксация контактного давления до величин 0,25-0,5 кгс/см .
Конструкция оправок должна соответствовать геометрии и форме внутренней конфигурации изделия, обладать достаточной прочностью при сжимающих нагрузках от наматываемого ПКМ, не прогибаться под собственной массой, не проскальзывать на валу, легко удаляться после отверждения изделий, иметь гладкую и ровную поверхность, предусматривать установку закладных элементов.
В производстве изделий методом намотки наиболее распространены 3 типа оправок: цельнометаллические, металлоразборные и разрушаемые песчано-полимерные [10].
При изготовлении металлической оправки, в том числе разборной, применяется классическая технология механической обработки заготовок с последующей сборкой. Внешний вид металлической оправки, предназначенной для изготовления 2 корпусов типа «полукокон» методом намотки, приведен на рис. 1.
Рис. 1. Металлическая оправка
Подготовка такой оправки к работе не требует затратных операций: достаточно удалить подтеки связующего вещества, заменить резиновые уплотнения, выполнить сборку и нанести антиадгезионное покрытие для предотвращения прилипания и легкого съема изделия после его изготовления. За счет применения металлических оправок
снижается производственный цикл изготовления изделия. Срок службы таких оправок ограничен только износом работающих частей. Для подтверждения работоспособности оправок необходимо ежегодное проведение аттестации оправки на соответствие требованиям конструкторской документации.
Извлечение готового изделия осуществляется при помощи отжимных приспособлений, как правило, с применением гидравлического съемника.
Недостатком цельнометаллической оправки является ограниченность применения при изготовлении изделий методом намотки. Данный тип оправок не позволяет изготавливать изделия с двумя малыми полярными отверстиями (типа «кокон»). Намотка таких конструкций осуществляется при помощи песчано-полимерных оправок.
Песчано-полимерные оправки обеспечивают требования конструкторской документации, предъявляемые к внутренней поверхности корпуса типа «кокон», и устойчивости к действующим нагрузкам, вызванным намоткой спиральных и кольцевых слоев, а также режимом термической обработки намотанной пластиковой оболочки. Внешний вид песчано-полимерных оправок представлен на рис. 2.
Песчаный элемент дна заднего
Рис. 2. Песчано-полимерная оправка
Основными функциональными элементами конструкции оправки являются вал, обеспечивающий установку в намоточный станок и проведение операции намотки, песчаные элементы дна заднего и дна переднего, обеспечивающие заданный профиль изделия, цилиндрические песчаные элементы, сохраняющие устойчивость к действующим нагрузкам и длинновой размер корпуса.
Процесс изготовления оправки из песчано-полимерной композиции (ППК) является более затратным и включает в себя изготовление песчаных элементов в специальных формах с последующей установкой элементов на валу и склейкой между собой; выполнение частичной механической обработки до получения профиля, формующего внутренние геометрические размеры готового изделия.
В составе песчано-полимерной массы для изготовления песчаных элементов используются следующие компоненты: песок формовочный марок 1К2О2О2 или 1К3О3О2 (ГОСТ 2138-91) с глинистой составляющей не более 0,2 %, спирт поливиниловый (ГОСТ 10779-78), пыль кварцевая марки А или Б (ГОСТ 9077-82).
При изготовлении оправки из ППК существует ряд эксплуатационных ограничений и особенностей:
- песок, применяемый для изготовления песчано-полимерной массы для элементов оправки, не должен иметь влажность более 1 % и комков размером более 2*2 мм;
- формование песчано-полимерных элементов должно производиться в отапливаемом помещении с температурой от +15 до +35 °С не позднее 20 мин со времени окончания приготовления песчано-поли-мерной массы при температуре не более +40 °С; перерывы между укладкой порции смеси в форму и ее уплотнением при заполнении формы строго регламентированы и не должны превышать 10 мин;
- при перерыве формования каждого из элементов необходимо предохранять песчано-полимерную массу от высыхания, при этом полное время использования песчано-полимерной массы с момента приготовления до окончания формования ее в формы не должно превышать 5 ч;
- время выдержки песчаных элементов оправки с момента окончания формования в форме до загрузки в печь не должно превышать 24 ч;
- не допускаются трещины на наружной и внутренней поверхностях песчано-полимерных элементов. Среднее значение предела прочности материала при сжатии при температуре +20 °С должно быть не менее 30 МПа (300 кгс/см2);
- на рабочих поверхностях металлической части оправки, на посадочных местах держателей фланцев и втулок песчаных элементов не допускаются забоины, выступающие за поверхность, натеки смолы и другие дефекты;
- учитывается способность наматываемого материала к «усадке» во время его полимеризации, которая составляет 5-6 мм;
- учитывается значительное силовое воздействие на оправку наматываемым материалом во время процесса намотки и полимеризации;
- комплектующие и детали оправки должны применяться из одного комплекта;
- хранение сборочных единиц и деталей из ППК должно производиться в отапливаемом помещении с относительной влажностью воздуха не более 80 % температурой от +15 до +35°С;
- срок хранения деталей из ППК ограничен 180 сут со дня изготовления, при этом более длительное хранение снижает их предел прочности.
После намотки и полимеризации силовой оболочки также имеются особенности:
- длительность выпаривания песчано-полимерного компонента из готового изделия - до 24 ч с последующим извлечением за 7 ч до затвердения массы;
- в случае силового воздействия на детали из ППК, при сборке и работе, не исключается разрушение и повреждение внутренней поверхности.
Для устранения вышеуказанных негативных факторов в практике НПО «Искра» при изготовлении деталей из ППК проводятся работы по отработке как нового рецептурного состава ППК, так и конструкции (введение ребер жесткости с целью облегчения конструкции).
Важным вопросом при применении песчано-полимерных оправок является способ удаления песчано-полимерных оправок из малых по диаметру полостей изделия.
На первом этапе производится извлечение вала, данный процесс осуществляется за счет специальных гидроцилиндров с опорой на торец изделия.
Извлечение песчано-полимерных оправок реализуется за счет их разрушения под действием пароводяной смеси, направленной на физико-химические превращения связующего - поливинилового спирта, относящегося к поверхностно-активным соединениям. Время размягчения оправок составляет 24 ч и более при температуре от 95 до 100 °С, что негативно сказывается на физико-механических характеристиках изделия, приводя к снижению адгезионных границ. В связи
с этим рассмотрен перспективный вариант модернизации песчано-полимерной оправки, позволяющий сохранить на высоком уровне свойства многослойной конструкции (резина, пластик и клеевые границы), а также снизить трудоемкость изготовления и, следовательно, стоимость изделий.
Снижения времени выпаривания можно достичь за счет включения в конструкцию песчаных элементов стеклопластиковых стержней (ПКМ-арматуры). На рис. 3 приведена конструкция оправки из ППК с включенной ПКМ-арматурой.
Рис. 3. Песчано-полимерная оправка с ПКМ-арматурой
Эффективность включения ПКМ-арматуры можно объяснить следующим образом:
I этап - режим полимеризации с нагревом оправки до 150 °С, при этом происходит термическое расширение стержней;
II этап - охлаждение оправки после режима термообработки, стержни при охлаждении уменьшаются в диаметре, образуя микродефекты между ППК и стержнями.
III этап (заключительный) - установка изделия на выпаривание, где пар температурой 95-100 °С воздействует на внутренний свод оправки, приводя к разупорядочиванию химических связей полимера и, следовательно, разрушению оправки. Организующиеся вакансии на границе стержень - ППК способствуют интенсивному проникновению пара вглубь оправки, действуя на большую площадь песчаного элемента, что приводит к более быстрому протеканию процесса. На рис. 4 приведено разрушение песчаного элемента на границе ПКМ-арматуры и песчано-полимерной массы.
С участием авторов проведен эксперимент, заключающийся в изготовлении и разрушении пароводяной смесью образцов-имитаторов, состоящих из песчано-полимерной массы с включением ПКМ-арма-туры. Эксперимент проводился в лабораторных условиях. В ходе работы в специальных формах были изготовлены образцы 2 видов: первая группа имитировала состав песчано-полимерной массы, применяемой в штатной технологии, во второй группе в песчано-полимерную массу была заформована ПКМ-арматура.
Рис. 4. Разрушение песчаного элемента на границе ПКМ-арматура - песок
Образцы были установлены над емкостью с кипящей водой, на каждый образец был установлен груз, позволяющий ускорить проведение эксперимента и зафиксировать момент разрушения каждого образца.
Результаты проведенной работы представлены в таблице. Среднее время разрушения образцов только из песчано-полимерной массы по штатной технологии составило 5 ч 33 мин, тогда как образцы с ПКМ-арматурой разрушились за 2 ч 57 мин.
Экспериментальное исследование разрушения образцов под действием пароводяной смеси
Образцы Номер образца Время до разрешения Номер образца Время до разрешения
1 5 ч 20 мин 6 6 ч 5 мин
2 6 ч 20 мин 7 5 ч 25 мин
Без стержней 3 5 ч 30 мин 8 5 ч 29 мин
4 5 ч 10 мин 9 6 ч 3 мин
5 5 ч 30 мин 10 5 ч 10 мин
1 2 ч 42 мин 6 2 ч 50 мин
С ПКМ-арматурой 2 2 ч 53 мин 7 2 ч 58 мин
3 3 ч 11 мин 8 3 ч 15 мин
4 3 ч 5 мин 9 2 ч 32 мин
5 2 ч 40 мин 10 3 ч 20 мин
Примечание. Среднее время разрушения модельных образцов без стержней - 5 ч 33 мин; образцов с ПКМ-арматурой - 2 ч 57 мин.
Анализ результатов исследований показал, что включение ПКМ-арматуры в песчаные элементы уменьшает время процесса выпаривания оправки примерно в 2 раза по сравнению с имеющейся технологией, что, в случае реализации этого варианта, позволит сократить технологический цикл, повысить качество изготовления и эксплуатационные характеристики изделия. Одновременно появляется необходимость индивидуального подхода к расчетам напряженно-деформированного состояния и испытаний образцов-свидетелей.
Изготовление песчаных элементов с ПКМ-арматурой целесообразно производить при помощи специальных технологических форм, предназначенных для изготовления песчаных элементов. Такие формы позволяют изготавливать элементы с заданным профилем и требуемыми прочностными характеристиками (не менее 300 кгс/см ).
Заполнение формы песчано-полимерной массой с включением ПКМ-арматуры (рис. 5) осуществляется постепенно с применением пневмотрамбовки, что позволяет уплотнить песчано-полимерную композицию, а следовательно, повысить прочность песчаного элемента.
Форма для изготовления Форма для изготовления
Рис. 5. Формы для изготовления песчаных элементов
При проектировании СТО для производства изделий методом намотки учитываются особенности конструкции и габаритные размеры изделия.
Так, для производства изделий, из которых оправку можно извлечь полностью (цилиндры, конусы, полусферы, корпуса типа «полукокон»), целесообразно применять цельнометаллическую оправку.
Оправки из песчано-полимерной композиции применяются для производства изделий с малыми полюсными отверстиями (корпуса или
баллоны типа «кокон»), в которых исключается полное извлечение оправки.
Для НПО «Искра» представляет научный и практический интерес применение и совершенствование металлоразборных оправок для производства изделий различных форм и габаритов, но решение данного вопроса еще остается проблематичным. В первую очередь возникает необходимость обеспечить безопасность и сохранность внутренних поверхностей изделий типа «кокон» при демонтаже и выемке секторов оправки из небольших, по сравнению с габаритами изделия, полярных отверстий. Одновременно необходимо обеспечить надежность крепления секторов при работе оправки, так как после 2-3 циклов имеется деформация геометрии секторов за счет значительного силового воздействия на оправку наматываемым материалом во время процесса намотки и полимеризации, что негативно сказывается на качестве внутренних поверхностей изделий.
В случае устранения недостатков конструкции металлоразборных оправок их использование будет эффективно в серийном и мелкосерийном производстве изделий из полимерно-композиционных материалов.
Библиографический список
1. Калинчев В.А., Макаров М.С. Намотанные стеклопластики. -М.: Химия, 1986. - 272 с.
2. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Л.Н. Лавров, М.И. Соколовский, А.А. Болотов, В.И. Гапаненко. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с.
3. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 144 с.
4. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 514 с.
5. Тарнопольский Ю.М., Розе А.В. Особенности расчета деталей из армированных пластиков. - Рига: Зинатне, 1969. - 262 с.
6. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. - Пермь: Кн. изд-во, 1974. - Ч. 1. - 316 с.
7. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. - Пермь: Кн. изд-во, 1975. - Ч. 2. - 274 с.
8. Цыплаков О.Г. Основы формования стеклопластиковых оболочек. - Л.: Машиностроение, 1968. - 174 с.
9. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин [и др.]; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 510 с.
10. Аношкин А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композиционных материалов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2003. - 118 с.
References
1. Kalinchev V.A., Makarov M.S. Namotannye stekloplastiki [Wound glass plastics]. Moscow: Khimiya, 1986. 272 p.
2. Lavrov L.N., Sokolovsky M.I., Bolotov A.A., Gapanenko V.I. Kon-struktsii raketnykh dvigateley na tverdom toplive [Solid rocket motor structures]. Moscow: Mashinostroenie, 1993. 215 p.
3. Obraztsov I.F., Vasilyev V.V., Bunakov V.A. Optimalnoe armiro-vanie obolochek vrashcheniya iz kompozitsionnykh materialov [Optimal reinforcement of composite rotational shells]. Moscow: Mashinostroenie, 1977. 144 p.
4. Bulanov I.M., Vorobei V.V. Tekhnologiya raketnykh i aero-kosmicheskikh konstruktsiy iz kompozitsionnykh materialov [Technology of rocket and aerospace composite structures]. Moscovskiy gosudarstven-nyy tekhnicheskiy universitet imeni N.E. Baumana, 1998. 514 p.
5. Tarnopolskiy Yu.M., Roze A.V. Osobennosti rascheta detaley iz armirovannykh plastikov [Calculation peculiarities of reinforced plastics parts]. Riga: Zinatne, 1969. 262 p.
6. Tsyplakov O.G. Nauchnye osnovy tekhnologii kompozitsionno-voloknistykh materialov. Chast 1 [Scientific basis of fiber composites technology. Part 1]. Perm, 1974. 316 p.
7. Tsyplakov O.G. Nauchnye osnovy tekhnologii kompozitsionno-voloknistykh materialov. Chast 2 [Scientific basis of fiber composites technology. Part 2]. Perm, 1975. 274 p.
8. Tsyplakov O.G. Osnovy formovaniya stekloplastikovykh obolo-chek [Basic principles of glass plastic shells molding]. Leningrad: Mashi-nostroenie, 1968. 174 p.
9. Vasilyev V.V., Protasov V.D., Bolotin V.V. [et al.] Kompozitsionnye materialy. Spravochnik [Composite materials. Guide]. Moscow: Mashinostroenie, 1990. 510 p.
10. Anoshkin A.N. Teoriya i tekhnologiya namotki konstruktsiy iz polimernykh kompozitsionnykh materialov [Theory and technology of polymer composite structures' winding]. Perm State Technical University, 2003.118 p.
Об авторах
Шайдурова Галина Ивановна (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29), главный химик ОАО НПО «Искра» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: sgi615@iskra.perm.ru).
Зуев Андрей Сергеевич (Пермь, Россия) - ведущий конструктор отдела 610 ОАО НПО «Искра» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: zas610@iskra.perm.ru).
Емашев Александр Юрьевич (Пермь, Россия) - аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29), руководитель группы отдела 720 ОАО НПО «Искра» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: eay720@iskra.perm.ru).
Антипин Вячеслав Евгеньевич (Пермь, Россия) - начальник лаборатории отдела 615 ОАО НПО «Искра» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: ave615@iskra.perm.ru).
About the authors
Shaidurova Galina Ivanovna (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanics of Composite Materials and Constructions, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation), Chief Chemist of OJSC «Research and Production Association "Iskra"» (28, Akademika Vedeneeva st., Perm, 614038, Russian Federation, e-mail: sgi615@iskra.perm.ru).
Zuev Andrey Sergeyevich (Perm, Russian Federation) - Leading Designer of OJSC «Research and Production Association "Iskra"» (28, Aka-
demika Vedeneeva st., Perm, 614038, Russian Federation, e-mail: zas610@iskra.perm.ru).
Emashev Alexander Yurevich (Perm, Russian Federation) - Doctoral Student, Department of Mechanics of Composite Materials and Constructions, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation), Team Leader of OJSC «Research and Production Association "Iskra"» (28, Akademika Vedeneeva st., Perm, 614038, Russian Federation, e-mail: eay720@iskra.perm.ru).
Antipin Vyacheslav Evgenievich (Perm, Russian Federation) - Head of Laboratory of OJSC «Research and Production Association "Iskra"» (28, Akademika Vedeneeva st., Perm, 614038, Russian Federation, e-mail: ave615@iskra.perm.ru).
Получено 21.01.2014
