СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАМОТКОЙ СЛОИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ И НАМОТКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B29C53/56 B29L9/00 

Изобретение относится к технологии и оснастке изготовления из композиционных материалов изделий сложной формы методами намотки.

Известны в производстве изделий из композиционных материалов способы намотки различных оболочек сложной формы типа тороидов, призматических и коробчатых изделий постоянного многоугольного выпуклого некруглого сечения за счет относительных движений раскладчиков и наматываемой поверхности в пределах рабочей зоны станка, обычно с числовым программным управлением, при этом намотка осуществляется по законам геодезических линий с задаваемым углом входа или с незначительным отклонением от геодезии однонаправленно, т.е. с вращением вокруг продольной оси в одну сторону.

Известные способы получения слоистых оболочек методами намотки включают формирование расчетной модели и пространственной траектории движения рабочего органа относительно поверхности оправки, формообразование слоев и отверждение [1]
Известны также оправки для изготовления намоткой изделий сложной формы, содержащие участок основной части изделия и технологические днища [2]
При намотке многослойных оболочек сложной формы не тел вращения из-за неравномерности давления по контуру сечения и локального выдавливания связующего образуются утолщения наматываемого пакета, которые механически удаляют и тем самым снижается прочность изделия.

Особенно проблематичным остается вопрос намотки оболочек некруглого сечения изделий типа лонжерона лопасти винта вертолета со сложной формой поверхности, на которой, если удается описать поверхность математически, геодезические линии рисунка намотки при реализации известными численными методами задают кусочно-прерывными функциями, что требует для каждого меридионального сечения по классическим методам описания процесса задавать строго однозначную связь с начальной точкой по периметру исходного поперечного сечения. Для каждой единичной ленты слоя для таких поверхностей требовалась своя управляющая программа, даже если поверхность изделий отвечает условию наматываемости, а рисунок намотки условию сплошности на рассматриваемой поверхности. Разработать управляющую многокоординатную программу известными способами практически не удавалось, несмотря на определенные попытки. Тем более проблематична ее отладка, корректировка и эксплуатация. Например, введение коррекции при известном способе разработки управляющей программы задача более сложная, чем разработка самой программы.

При рассмотренных способах проблематично использование намоточных устройств, содержащих несколько синхронных головок. Проблематична намотка с малыми углами α < 30^o, особенно оболочек изделий, не имеющих днищ, а также изделий, получаемых на нежестких оправках сложной формы. Не на всех желаемых рисунках намотки, назначаемых конструктором изделия типа лонжерона лопасти винта вертолета, возможна сплошность наматываемого слоя при известных способах его получения.

Довольно часто поверхности типа лонжерона лопасти винта вертолета и другие аналогичные аэродинамические поверхности получают экспериментально, с помощью плазов и других видов шаблонов, т.е. без математического описания. В этих случаях вопросы задания рисунков намотки известными способами не определяемы.

Целью изобретения является получение сплошных и устойчивых слоев на различных оправках изделий сложной формы поверхности не тел вращения с большим отношением длины к периметру поперечного сечения, описываемой последовательностями неодинаковых кусочно-прерывных функций, и на оправках с плазовыми экспериментально полученными поверхностями, а также повышение производительности процесса спиральной намотки и качестве таких оболочек.

Цель достигается тем, что в способе, включающем формирование расчетной модели и пространственной траектории движения рабочего органа относительно поверхности оправки, определение поправок, формообразование слоев и отверждение, расчетную модель оправки в виде непрерывной совокупности приведенных поверхностей формы тел вращения с периметрами в поперечных сечениях, отвечающих условию В_гм ≥ b_ро, где b_гм периметр сечения, перпендикулярного продольной оси в рассматриваемых точках геометрической модели; b_ро периметр сечения, перпендикулярного продольной оси в аналогичных точках реальной оправки, при этом и в рабочей зоне станка задают зону траектории движения исполнительного органа, ограничиваемую образующей, построенной с технологическим зазором по наиболее радиально удаленным точкам поперечных сечений технологической оправки, затем определяют суммарный угол поворота исполнительного органа по первоначально заданному рисунку намотки за цикл укладки ленты и заменяют этот угол на ближайший угол поворота, исходя из условий сплошности и заходности в соответствии с зависимостью
C_Σ= 2πn ± ± где C_Σ суммарный угол поворота за цикл по условию заходности;
n количество полных оборотов средней линии рисунка намотки за цикл;
m число, указывающее заходность рисунка намотки (1 одно, 2 двух, 3 трехзаходный и т.д.);
C_i= угол поворота на смещение между двумя соседними лентами слоя;
l ширина ленты;
α угол намотки (т.е. угол между линией рисунка намотки и меридианом в рассматриваемой точке поверхности);
R максимальный радиус поверхности модели, при выбранной минимально заходности m определяют и вносят поправки в соответствии с C_Σ в первоначально заданный рисунок намотки, далее определяют узловые точки цилиндрического закона движения, задающего цикл виток слоя с отклонением от геодезии в пределах условия ±Φ < f, где Φ угол отклонения от геодезии; f угол трения наматываемого материала и поверхности, после чего многораскладочным раскладчиком формируют слой, затем для каждого последующего слоя измеряют габаритные размеры намотанной оболочки, вводят новые размеры в циклический закон движения формообразующего слоя, а направление поворота линии рисунка намотки при формировании последующего слоя меняют на противоположное.

Способ также отличается тем, что при неподвижной оправке малой жесткости ее поддерживают снабженными поперечными опорами промежуточными манипуляторами, имеющими приводы, управляемые сигналами датчиков, переключаемыми продольно перемещаемым намоточным устройством.

Кроме того, способ отличается тем, что при формировании многослойных оболочек, не имеющих повышенных технико-технологических требований, направление поворота линии рисунка намотки меняют через несколько слоев.

В оправке, содержащей участок основной части изделия и технологические днища, между участком основной части изделия и технологическими днищами монтируют участки плавно соединяемых линейных переходов от основной части оправки к перпендикулярному ее оси круговому периметру максимального сечения днища с узлами переходов γ, пропорциональными наименьшим углам намотки α на этих участках, а технологические днища в своих максимальных сечениях снабжены участками цилиндрических или конических стабилизационных поясков.

На фиг. 1-9 показана оправка в двух проекциях; на фиг. 10-12 показан станок с числовым программным управлением для реализации намотки на оправку технологическую; на фиг. 13-16 показана в двух проекциях оправка с днищами; на фиг. 17 показана расчетная геометрическая модель оправки; на фиг. 18 показана траектория движения T_i.T_j головок; на фиг. 19-22 показана намотка слоя с последовательностью лент соответственно с опережением и отставанием; на фиг. 23 показана намотка лент в зоне цапфы; на фиг. 24-34 показано в двух проекциях формирование изделия на оправке в различных по форме сечениях.

Способ осуществляется на намоточном станке.

Станок имеет станину 1 модульной конструкции, на которой расположены опорные бабки 2, снабженные распорными пинолями 3 с патронами 4 для закрепления технологической оправки 5, каретка 6 с многораскладочным намоточным устройством 7, приводом 8 каретки 6, приводом 9 раскладчиков, приводом 10 намоточного устройства, промежуточные манипуляторы 11, снабженные поперечными опорами 12. На станине 1 расположены также датчики 13 переключения манипуляторов 11 кареткой 6 намоточного устройства 7. Намоточное устройство 7 станка смонтировано в корпусе 14 и закреплено на каретке 6. На поворотном погоне 15 (см. фиг. 3 и 4) намоточного устройства расположены раскладчики с самоустанавливающимися вокpуг осей I-I раскладочными головками 16, которые помимо вращения вокруг оси погона (оси оправки) от привода 10 намоточного устройства имеют и возвратно-поступательные независимые радиальные движения от привода 9. При этом раскладочные головки 16 с возможностью самоустанова вокруг осей I-I смонтированы на держателях 17.

Держатели 17 вместе с головками 16, в свою очередь, имеют возможность наладочного поворота вокруг осей II-II и фиксируются фиксаторами 18 в правом или левом положении (см. фиг. 3 и 4) относительно штанг 19 с направляющими под ролики 20. Штанга 19 снабжена рейками 21 с приводными шестернями 22 на осях 23. Раскладочные головки 16 имеют раскладочные ролики 24, которые с перевалочными роликами 25 установлены или на дополнительных самоустанавливающихся вокруг осей III-III втулках 26, смонтированных в раскладочных головках 16, или непосредственно установлены в самих раскладочных головках 16. На погоне 15 также установлены катушки 27 для приема разделительной подложки, бобины 28 с наматываемым материалом 29, натяжительные устройства 30, ролики 31 лентотрактов. Последний ролик группы 31 (см. фиг. 4) касателен к оси I-I в левом положении раскладочной головки 16 (для левого вращения поворотного погона 15), а для правого вращения погона 15 (см. фиг. 3) имеется ролик 32, который касателен к оси I-I в правом положении раскладочной головки 16. К торцам 33 оправки 5 прикреплены технологические днища 34 и 35 с зонами а и б круговых сечений А-А и И-И и с участками в и г плавных переходов 36 и 37 от оправки 5 изделия к периметрам максимальных круговых сечений 38 и 39. На фиг. 6 показана расчетная геометрическая модель 40 оправки 6. На фиг. 7 показана траектория движения Т₁-T_jраскладочных головок 16. Независимо от профиля поперечного сечения наматываемой оправки возможно формирование слоя последовательностью лент 41 "с опережением" или с "отставанием" (фиг. 8, 9). В зоне цапфы слои 42-44 многослойной оболочки укладывают по разным управляющим программам с траекториями Т₁₁, Т₁₂, Т₁₃ и с минимальным зазором ρ.

Данный способ предполагает получение изделий различного сечения, длины, с законцовками, днищами и без них.

Способ осуществляется следующим образом.

На первом этапе разрабатывают и изготавливают технологическую оправку 5. Для этого к торцам 33 оправки изделия (см. фиг. 5) монтируют технологические днища 34 и 35 с зонами а и б круговых сечений А-А и И-И в плоскостях, перпендикуляpных оси вращения рисунка намотки (оси установки оправки), и с участками в и г плавных переходов 36 и 37 к перпендикулярным оси установки оправки периметрам максимальных сечений 38 и 39 днищ 34 и 35 с углами переходов γ_i, пропорциональными наименьшим углам намотки α на этих участках. Затем на следующем этапе формируют геометрическую расчетную модель 40 технологической оправки 5 (см. фиг. 6) в виде непрерывной совокупности органического минимального количества Н участков 1, 11, Н, приведенных элементарных поверхностей формы тел вращения с диаметрами D₁, D₂, D₃, D_H+1 соединения этих элементарных тел вращения с входными углами α₁,α₂,α₃, α_Н+1 рисунка намотки и с периметрами в текущих поперечных сечениях, отвечающих условию
b_гм ≥ b_ро, (1) где b_гм периметр сечения, перпендикулярного продольной оси в рассматриваемых точках геометрической модели;
b_ро периметр сечения, перпендикулярного продольной оси в аналогичных точках реальной оправки.

Условие (1) формирования расчетной модели такой технологической оправки задают для формирования необходимого количества лент для получения слоя
K
(2) где К количество лент, необходимых для слоя;
α угол намотки (т.е. угол между линией рисунка намотки и меридианом в рассматриваемой точке);
l ширина ленты;
b_гм из условия (1).

При этом в соответствии с выражением (3)
Δb_от=
(3) задают Δ b_ст относительную величину перекрытия лент в слое.

В рабочей зоне станка задают зону расположения траектории рабочего органа (раскладочных головок), ограничиваемую образующей Т₁, Т₂, Т₃, Т_j, построенной (см. фиг. 7) прямыми линиями и с заходом (например, эквидистантным) за днища по наиболее радиально удаленным точкам поперечных сечений реальной технологической оправки с технологическим зазором ρ_i. При этом образующую самой траектории в отмеченной рабочей зоне задают или по образующей Т₁, Т₂, Т₃, Т_j, или линией, близкой к ней.

На этапе разработки управляющей программы для контрольной намотки выполняют оценочный расчет С суммарного угла поворота раскладочных головок по первоначально заданному рисунку намотки за цикл укладки единичной ленты и заменяют угол С на угол поворота C_Σ, исходя из условий заходности рисунка намотки, выражаемого зависимостью (4)
C_Σ= 2πn ± ±
(4) где C_Σ суммарный угол поворота за цикл по условию заходности;
n количество полных оборотов средней линии рисунка намотки за цикл;
m число, указывающее заходность рисунка намотки (1 одно, 2 двух, 3 трехзаходный и т.д.);
C_i= угол поворота на смещение между двумя соседними лентами слоя;
l ширина ленты;
α угол намотки (т.е. угол между линией рисунка намотки и меридианом в рассматриваемой точке поверхности);
R максимальный радиус поверхности модели, и при минимально допустимом m определяют узловые точки циклической управляющей программы. Условия периметров (1), необходимого количества лент (2) и заходности (4) определяют комплексное геометрическое условие сплошности. При очевидности первых двух слагаемых в выражении заходности (4) третье слагаемое в зависимости от знака определяет последовательность укладки лент: "с опережением", т.е. с увеличением угла поворота на (см. фиг. 8), или "с отставанием", т.е. уменьшением угла поворота на (см. фиг. 9) за цикл укладки ленты слоя.

На фиг. 8 и 9 символами С и С изображены фазовые углы поворота, соответствующие последним двум членам правой части выражения (4).

Затем осуществляют контрольную циклическую намотку на технологическую оправку. На этапе определения поправок измеряют границы намотанных участков, выявляют участки, не отвечающие условию наматываемости, а также участки неустойчивой намотки. К не отвечающим условию наматываемости относят участки, на которых выявляют при используемых углах (рисунках) намотки неприлегание намотанных лент к поверхности оправки, т.е. наличие "воздушных клиньев" между лентами слоя и поверхностью. К участкам неустойчивой намотки относят участки, на которых выявляют оползание лент с (выступов и ребер) поверхности. На рассматриваемых оправках изделий со сложной формой поверхности не тел вращения и с большим отношением длины к периметру поперечного сечения для ликвидации этих ситуаций задают поправки по рисунку намотки на входной угол намотки α и соответственно на заходность m с отклонением от геодезии в пределах угла Φ в соответствии с выражением (5)
±Φ< f, (5) где f угол трения наматываемого материала и поверхности.

При соблюдении условия наматываемости условие (5) задают как условие устойчивости.

На этапе разработки управляющих программ намотки последовательности слоев осуществляют разработку комплекта циклических управляющих программ намотки с различными (см. фиг. 10) Т₁₁, Т₁₂, Т₁₃, траекториям движения раскладчиков, учитывающих изменения размеров оправки после формирования предыдущих слоев и с противоположными направлениями поворота линий рисунка намотки. На этапе формообразования оболочки (см. фиг. 11) по программам осуществляют спиральную намотку чередующихся разнонаправленных слоев. Для этого в управляющее устройство числового программного управления (на чеpтежах не показано) вводят очередную управляющую программу. Если очередная управляющая программа предназначена для правого вращения рисунка намотки (см. фиг. 3), то раскладочные головки 16 осями I-I за держатели 19 устанавливают вокруг осей II-II в правом положении относительно штанг 19 и фиксируют в таком положении фиксаторами 18. Наматываемый материал 29 с бобин-накопителей 28 заправляют через ролики 31, натяжители 30, ролики 32 (касательных осей I-I в правом положении раскладочных головок) и далее через приемные ролики головок 16 и раскладочные ролики 24 этих головок закрепляют за оправку 5. Разделительные подложки с бобин 28 заправляют на приемные катушки 27. В процессе намотки под действием натяжения наматываемого материала головки 16 устанавливают вокруг осей I-I самоустанова, а в головках с расположением раскладочных роликов 24 на дополнительных втулках 26 самоустанов осуществляется одновременно и втулок 26 относительно дополнительных осей III-III самоустанова.

Траектория движения раскладочных роликов 24 формируется движением Z каретки 6, вращением С погона 15, радиальными движениями Х раскладочных головок 16.

После намотки слоя или (в зависимости от технологических требований) нескольких слоев в одну сторону (см. фиг. 3) для того, чтобы исключить появление "бульб" в зонах ребер, вводят в управляющее устройство числового программного управления новую управляющую программу для намотки последующего слоя (слоев) с вращением рисунка намотки в другую сторону С (см. фиг. 4). Перед этим осуществляют расфиксацию фиксаторов 18: поворачивают раскладочные головки 16 осями I-I вокруг осей II-II в левое смежное положение относительно штанг 19 и фиксируют в таком положении фиксаторами 18. Наматываемый материал 29 с бобин накопителей 28 закрепляют через натяжители 30 и ролики 31, далее заправку осуществляют через приемные ролики головок 16 и раскладочные ролики 24 этих головок с закреплением за оправку 5. Аналогично используют катушки 27 для приема разделительной подложки.

Теми же исполнительными органами формируют траекторию движения раскладочных роликов 24, но вращение погона 15 при этом осуществляют по направлению С (см. фиг. 4), противоположному фиг. 3.

При неподвижных оправках малой жесткости (см. фиг. 2) их растягивают в опорах за цапфы усилиями F₁ -F₂ и дополнительно поддерживают снабженными поперечными опорами 12 промежуточными манипуляторами 11, которые подводят к оправке 5 и отводят от нее приводами, управляющими сигналами датчиков 13, переключаемых кареткой 6 продольно перемещаемого намоточного устройства 7. По мере набора слоев оболочки осуществляют и последовательную смену циклических управляющих программ.

При использовании плоских, например ромбообразных, днищ момент реверса на днищах раскладочной головки осуществляют при одной и той же фазе поворота плоскости днища, а величину продольного перемещения за цикл спиральной намотки каждой единичной ленты в пределах слоя изменяют на постоянный шаг, пропорциональный ширине используемой ленты, и углу намотки α, т.е. в этом случае тоже удается создать упрощенную управляющую программу намотки.

Полученную после намотки и отверждения многослойную оболочку подвергают последующей обработке. Для этого в одних конструкциях удаляют технологическую оправку и отрезают технологические днища, в других конструкциях в состав оправки в качестве комлевой заделки изделия входит специальное днище, которое остается вместе с изделием. Формы комлевой заделки оболочек лонжеронов весьма разнообразны.

П р и м е р. Выполнены цельнонамотанные лонжероны лопастей винтов вертолета (см. фиг. 1). Длина L8800 мм; в поперечном максимальном размере Х 270 мм. Количество слоев Н 12; ширина препрега l 15 мм; расстояние между средними линиями препрега h 12 мм; коэффициент относительного перекрытия Δ b 0,154; заходность m 1. Суммарный угол поворота рисунка намотки первого слоя C_Σ1 8300^о, суммарный угол поворота рисунка намотки последнего слоя C_ΣH 8301l58^о, Угол намотки при входе на комлевую часть L_вх145^о; угол намотки при входе на управляемое технологическое днище L_вхn 30^о. Наибольшая толщина набранной слоистой оболочки t 8 мм без прокладок; t 24 мм с прокладками. Армирующий материал стекловолокно; связующее ЭДТ-10П; количество одновременно работающих раскладочных головок 4.

Отверждение: полимеризация и опрессовка в автоклаве с электрообогревом и цулагами. Изготовленная партия лонжеронов прошла динамические испытания по специальной программе на формированных режимах. Образцы набраны 100·10⁶ специальных усиленных циклов без разрушений. Коэффициент использования материала (KИМ) ≈ 0,9.

Характеристика рабочей зоны станка: диаметр рабочей зоны D_р.з 500 мм; максимальное расстояние между патронами Z_м10000 мм.

Таким образом изобретение обеспечивает формирование циклической спиральной многораскладочной намоткой сплошных устойчивых слоев многослойных оболочек на оправках изделий сложной формы поверхности не тел вращения с большим отношением длины к периметру поперечного сечения.

Использование: изобретение относится к изготовлению из композиционных материалов изделий сложной формы методами намотки. Сущность изобретения: к торцам оправки изделия монтируют технологические днища с зонами круговых сечений и с участками плавных переходов от оправки изделия к периметру максимального сечения днища, затем формируют расчетную модель оправки в виде непрерывной совокупности приведенных поверхностей формы тел вращения и в рабочей зоне станка задают зону расположения траектории рабочего органа, изменяют границы намотанных участков, выявляют участки, не отвечающие требованиям наматываемости, а также участки неустойчивой намотки, и задают поправки по углам рисунка намотки и заходности. Разрабатывают последовательности управляющих программ намотки слоев и формообразуют оболочки. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 34 ил.

1. Способ получения намоткой слоистых изделий сложной формы, включающий формирование расчетной модели и пространственной траектории движения рабочего органа относительно поверхности оправки, определение поправок и формообразования слоев и отверждение, отличающийся тем, что расчетную модель формируют в виде непрерывной совокупности приведенных поверхностей формы тел вращения с периметрами в поперечных сечениях, отвечающими условию
B_р . м ≥ B_т . о,
где B_р . м - периметр сечения, перпендикулярного к продольной оси в рассматриваемых точках расчетной модели;
B_т . о - периметр сечения, перпендикулярного к продольной оси в аналогичных точках технологической оправки,
при этом в рабочей зоне станка задают зону траекторий движения исполнительного органа, ограничиваемую образующей, построенной с технологическим зазором по наиболее радиально удаленным точкам поперечных сечений реальной, технологической оправки, затем определяют суммарный угол поворота исполнительного органа по первоначально заданному рисунку намотки за цикл укладки ленты и заменяют этот угол на ближайший угол поворота, исходя из условий сплошности и заходности в соответствии с зависимостью

где C_Σ - суммарный угол поворота за цикл по условию заходности и сплошности;
n - количество полных оборотов в средней линии рисунка намотки за цикл;
m - число, указывающее заходность рисунка намотки;
- угол поворота на смещение между соседними лентами слоя;
l - ширина ленты;
a - угол намотки, т.е. угол между линией рисунка намотки и меридианом в рассматриваемой точке поверхности;
R - максимальный радиус поверхности расчетной модели,
при выбранной минимальной заходности m определяют и вносят поправки в соответствии с C_Σ в первоначально заданный рисунок намотки, далее определяют узловые точки циклического закона движения, задающего цикл-виток слоя с отклонением от геодезии в пределах условия ± Φ <f, где Φ - угол отклонения от геодезии, f - угол трения наматываемого материала и поверхности, после чего многораскладочным раскладчиком формируют слой, затем для каждого последующего слоя измеряют габаритные размеры намотанной оболочки, вводят новые размеры в циклический закон движения формообразующего слоя, а направление поворота линии рисунка намотки при формировании последующего слоя меняют на противоположные. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при неподвижной оправке малой жесткости ее поддерживают снабженными поперечными схватками промежуточными манипуляторами, имеющими приводы, управляемые сигналами датчиков, переключаемых продольно перемещаемым намоточным устройством. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании многослойных оболочек, не имеющих повышенных технико-технологических требований, направление поворота линии рисунка намотки меняют через несколько слоев. 4. Оправка для получения намоткой слоистых изделий сложной формы, содержащая участок основной части изделия и технологические днища, отличающаяся тем, что между участком основной части изделия и технологическими днищами монтируют участки плавно соединяемых линейных переходов от основной части оправки к перпендикулярному к ее оси круговому периметру максимального сечения технологического днища с углами переходов g, пропорциональными наименьшим углам намотки α на этих участках, а технологические днища в своих максимальных сечениях снабжены участками цилиндрических или конических стабилизационных поясков.