СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО КОМПОЗИТНОГО БАКА Российский патент 2004 года по МПК B29D22/00 

Изобретение может применяться в транспортной технике и общем машиностроении, а более конкретно при производстве крупногабаритных сосудов высокого давления из композиционных материалов, например в авиационной промышленности при переводе вертолетов на газовое топливо.

Известен способ изготовления высокопрочного композитного баллона путем намотки на специальную удаляемую оправку спиральных и кольцевых композитных слоев, состоящих из высокопрочных волокон, пропитанных полимерным связующим. Оправка после намотки удаляется путем ее разрушения или разборки на сектора (Кн. Образцов И.Ф., Васильев В.В. Оптимальное армирование оболочек вращения из композитных материалов. - М.: Машиностроение, 1977, с.72-74).

Основным недостатком указанного способа является необходимость удаления оправки после полимеризации (формования) композитных слоев. Стоимость и трудоемкость таких оправок высока, что увеличивает цену композитных баков, изготавливаемых таким способом.

Известен способ изготовления высокопрочного композитного баллона, используемого в автомобильной технике (Патент РФ №2100200, 1994 г.), при котором на оправке формируют и формуют внутренние композитные слои бака, снимают заготовку с оправки, производят формирование на ней внешних композитных слоев бака и проводят окончательное формование композитных слоев. Согласно этому способу заготовку цилиндрической части баллона после ее формования устанавливают в выдувную машину, выдувают в нее внутреннюю полимерную оболочку, а затем производят намотку внешней части композитных слоев на заготовку цилиндрической части баллона и размещенную внутри нее внутреннюю полимерную оболочку, используя их в качестве не извлекаемой оправки.

Основным недостатком способа является невозможность его применения для изготовления крупногабаритных (длинномерных и большеобъемных) топливных баков, например при переводе вертолетов на газовое топливо, вследствие отсутствия выдувных машин соответствующего объема впрыска, а также возможность неполного включения внутренних композитных слоев в работу при нагружении бака внутренним давлением.

Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ изготовления крупногабаритных полых изделий из реактопластов, при котором формующую полость образуют повторяющими геометрию формующих поверхностей пресса тонкостенными обкладками, образующими кассету, при этом армирующий материал помещают непосредственно на одну из обкладок, затем либо подают пластмассу, закрывают другой обкладкой, помещают кассету в пресс и под действием давления осуществляют прессование, либо при установленной в прессе кассете осуществляют расплавление пластмассы в формующую полость с последующим формованием. После окончательного отверждения отформованный предмет извлекают из кассеты (Патент РФ №2019412, МПК В 29 С 43/04, 43/10).

Известный способ предназначен преимущественно для изготовления открытых емкостей. При изготовлении крупногабаритных замкнутых оболочек вращения по данному способу не обеспечивается качество изготовления и надежность изделия в эксплуатации, т.к. части оболочки соединяются вдоль оси изделия по стыку, например склейкой, при эксплуатации нагруженного изделия, изготовленного по такой технологии, по месту стыка оболочки может произойти разгерметизация, кроме того, не обеспечивается качество поверхности формообразования в части стыка частей оболочки. Технология изготовления замкнутых оболочек вращения является трудоемкой, требует дорогостоящей оснастки.

Задачей изобретения является снижение трудозатрат изготовления крупногабаритных композиционных баков за счет упрощения технологии и оснастки для их изготовления.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в расширении номенклатуры изготовляемых изделий по размерам и объему с обеспечением требуемого качества крупногабаритных композитных баков.

Технический результат достигается тем, что в отличие от выявленных аналогов и прототипа в заявленном способе формируют и формуют композитный слой на монолитной оправке многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака, при этом сначала формируют на монолитной оправке внутренний композитный слой, состоящий по крайней мере из двух охватывающих полюсные горловины днищ бака спиральных композитных слоев, которые предварительно формуют, затем разрезают в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии бака, со смещением резов от слоя к слою в продольном направлении и размещением на участках между резами слоев антиадгезива, который после снятия полузаготовок бака с оправки удаляют, а на эти участки наносят клей, устанавливают полузаготовки на промежуточное опорное кольцо, размещая его в зоне резов, затем формируют внешние композитные слои бака, после чего их формуют одновременно с клеевым швом или швами, соединяющим спиральные композитные слои, и удаляют промежуточное опорное кольцо через полюсные отверстия бака.

Кроме того, все внутренние композитные спиральные слои, кроме наружного, могут разрезать после их формирования, а последний разрезать после предварительного формования всех внутренних композитных спиральных слоев.

Кроме того, перед формированием бака на оправке могут формировать и предварительно формовать внутреннюю полимерную оболочку, которую разрезают поперек оси симметрии бака, а разрез при, или перед, или после формования внешних композитных слоев герметично заклеивают внахлест накладкой, например, из того же материала что, и внутренняя полимерная оболочка бака.

Кроме того, внутреннюю полимерную оболочку могут формировать из двух частей, на одной из которых оставляют свободный от композитных слоев концевой участок, а предварительное формование композитных слоев и внутренней полимерной оболочки проводят при режимах, обеспечивающих не полное отвержение внутренней полимерной оболочки, а при формовании внешних композитных слоев свободный конец одной части внутренней полимерной оболочки приформовывают к другой внутренней полимерной оболочке.

Формование внутренних композитных слоев бака в виде двух полузаготовок на монолитной оправке многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака, позволяет упростить оснащение, используя внутренние композитные слои в качестве неизвлекаемой оправки при намотке внешних композитных слов, что исключает необходимость применения дорогой одноразовой разрушаемой оправки и также дорогой и крайне сложной для реализации в части обеспечения ее точности при изготовлении крупногабаритных, особенно длинномерных, баков разборной оправки многоразового использования.

Формирование внутреннего композитного слоя, по крайней мере, из двух спиральных композитных слоев, охватывающих полюсные горловины днищ бака, с разрезкой их после формования в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии бака, позволяет снять заготовки бака с монолитной оправки многоразового использования и полностью включить внутренние композитные слои в работу при нагружении бака внутренним давлением.

Смещение резов спиральных композитных слоев от слоя к слою в продольном направлении позволяет впоследствии создать их прочное клеевое соединение типа “ступенчатый нахлест”.

Размещение на участках между резами смежных слоев антиадгезива, например фторопластовой пленки, которые после предварительного формования заготовки и снятия полузаготовок бака с оправки удаляют, позволяет точно собрать полузаготовки, используя метод "слепка", и исключить необходимость механической обработки концевых участков полузаготовок, которая значительно снижает прочность спиральных композитных слоев.

Нанесение на концевые участки открытых торцов полузаготовок клея, например пленочного, позволяет восстановить меридиональную прочность разрезанных спиральных композитных слоев.

Установка полузаготовок на промежуточное опорное кольцо, размещаемое в зоне резов, которое после формования бака удаляют через полюсное отверстие, обеспечивает монтажную прочность бака при намотке и формовании внешних композитных слоев. При этом малые длинновые габариты кольца позволяют легко обеспечить его монтажную точность.

Формование внешних композитных слоев бака одновременно с клеевым швом или швами, соединяющим спиральные композитные слои, снижает трудоемкость изготовления бака.

Разрезка всех внутренних композитных спиральных слоев кроме наружного после их формирования, а последнего - после предварительного формования всех внутренних композитных спиральных слоев позволяет создать и сохранить требуемое контактное давление, необходимое для формования внутренних композитных слоев бака.

Формирование и предварительное формование перед формованием бака на оправке внутренней полимерной оболочки, с последующей ее разрезкой поперек оси симметрии бака, и герметичная заклейка реза внахлест накладкой, например, из того же материала, что и внутренняя полимерная оболочка бака, производимая при, или перед, или после формования внешних композитных слоев, обеспечивает герметичность бака в случае возникновения при его работе в композитных слоях выше предела монолитности (сплошности) полимерного связующего композитных слоев.

Формирование внутренней полимерной оболочки из двух частей, на одной из которых оставляют свободный от композитных слоев концевой участок, и проведение предварительного формования композитных слоев и внутренней полимерной оболочки при режимах, обеспечивающих неполное отверждение внутренней полимерной оболочки, с оставлением при формовании внешних композитных слоев свободным конца одной части внутренней полимерной оболочки, который приформовывают к другой внутренней полимерной оболочке, позволяет провести соединение частей внутренней полимерной оболочки методом привулканизации, не требующим применения дополнительных клеевых составов и являющимся более надежным, чем соединение клеевой накладкой вулканизованных материалов.

При поиске в уровне технике не было выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявленного изобретения, что доказывает соответствие предложенного способа изготовления крупногабаритного высоконагруженного композитного бака критериям изобретения “новизна” и “изобретательский уровень”.

Реализация способа изготовления крупногабаритного композитного бака высокого давления поясняется чертежами (фиг.1-4).

На монолитной оправке 1 (фиг.1) многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака (на чертеже не обозначены), формируют внутренние композитные слои 2, 3, охватывающие полюсные горловины 4, 5 днищ бака (на чертеже не обозначены). На наружной поверхности слоя 2 на участке А размещают между резами смежных слоев 2 и 3 антиадгезионный слой 6, например фторопластовую пленку. Слой 2 после укладки на оправку 1 разрезают в плоскости Б, перпендикулярной оси О-О₁ симметрии бака и формируют композитный слой 3. Формуют слои 2 и 3 в нагревательном устройстве (на чертежах не изображено), после чего разрезают слой 3 по плоскости В, смещенной в продольном направлении бака относительно плоскости Б, снимают полузаготовки 7, 8 с оправки 1 и удаляют антиадгезионный слой 6. На концевые участки 9, 10 (фиг.2) открытых торцов полузаготовок 7, 8 наносят клеевой пленочный слой 11, устанавливают их на промежуточное опорное кольцо 12 (фиг.2), размещенное в зоне резов Б, В, и формируют внешний композитный слой 13, охватывающий горловины 4, 5 днищ бака и внутренние композитные слои 2, 3. Затем наматывают на слой 13 композитные кольцевые слои 14, после чего слои 13 и 14 формуют в нагревательном устройстве (на чертежах не изображено), одновременно с клеевым швом 11, соединяющим спиральные композитные слои 2, 3 и удаляют промежуточное опорное кольцо 12 через полюсные отверстия бака, предварительно разделив его на сектора 15.

Перед формованием полузаготовок 7, 8 бака на оправку 1 можно наносить внутреннюю полимерную оболочку 16 или ее полузаготовки 17, 18 (фиг.1). Оболочку 16 разрезают поперек оси О-О₁ симметрии бака по плоскости Б, а разрез 19 (фиг.2) или стык полузаготовок 17, 18 при, или перед, или после формования внешнего композитного спирального слоя 13 герметично заклеивают с помощью слоя пленочного клея 20 внахлест накладкой 21 из того же материала, что и внутренняя полимерная оболочка 16 бака.

Внутреннюю полимерную оболочку 16 можно формировать из двух частей 22 и 23 (фиг.3), на одной из которых, например 22, оставляют свободный от композитных слоев концевой участок 24, укладывая на него антиадгезионный слой 25, например фторопластовую пленку, а предварительное формование композитных слоев 26, 27 и внутренней полимерной оболочки 16 проводят при режимах, обеспечивающих неполное отверждение внутренней полимерной оболочки 16. При формовании внешних композитных слоев 28 (фиг.4) свободный конец 24 части 22 внутренней полимерной оболочки 16 приформовывают к другой ее части 23 с помощью слоя 29 пленочного клея.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. На монолитной оправке 1 (фиг.1) многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака вертолета МИ-8ТГ (наружный диаметр 1000 мм, габаритная длина 3500 мм) формируют геодезической спиральной намоткой на программном намоточном станке КУ-421 внутренние композитные слои 2, 3 из стеклоровинга РВМН 10*1260-78 ТУ 6-05-241-404-84, пропитанного связующим ЭДТ - 10П ОСТ 92-0957-74. Слоями 2, 3 охватывают полюсные горловины 4, 5 днищ бака (диаметр полюсного отверстия 500 мм, угол намотки на экваторе +-30 градусов). На наружной поверхности слоя 2 на участке А размещают между резами смежных слоев 2 и 3 антиадгезионный слой 6 (фторопластовую пленку Ф-4ПН ГОСТ 24222-80). Слой 2 после укладки на оправку 1 разрезают в плоскости Б, перпендикулярной оси О-О₁ симметрии бака, и формируют композитный слой 3 из стеклоровинга РВМН 10*1260-78 ТУ 6-05-241-404-84, пропитанного связующим ЭДТ - 10П ОСТ 92-0957-74. Затем формуют слои 2 и 3 в нагревательном устройстве (аэродинамической печи АРП-6), отверждая эпоксидное связующее ЭДТ - 10П по режиму: нагрев до 160°С - 2 часа, выдержка при 160°С - 2 часа, охлаждение 1 час. После чего разрезают слой 3 по плоскости В, смещенной в продольном направлении бака относительно плоскости Б на размер А=50 мм, снимают полузаготовки 7 и 8 с оправки 1 и удаляют антиадгезионный слой 6. На концевые участки 9, 10 (фиг.2) открытых торцов полузаготовок 7, 8 наносят клеевой пленочный слой 11 (клей повышенной эластичности УП-5-246 ТУ 6-05-241-412-86), устанавливают их на промежуточное опорное кольцо 12 (фиг.2), размещенное в зоне резов Б, В, и формируют на станке КУ-421 внешний композитный спиральный слой 13 (из стеклоровинга РВМН 10*1260-78 ТУ 6-05-241-404-84, пропитанного связующим ЭДТ - 10П ОСТ 92-0957-74), охватывающий горловины 4, 5 днищ бака, на который затем наматывают композитный кольцевой слой 14 того же состава. После чего внешние композитные слои 13 и 14 формуют (по тому же режиму, что и слои 2, 3) в печи АРП-6, одновременно с клеевым швом 11, соединяющим спиральные композитные слои 2, 3, и удаляют промежуточное опорное кольцо 12 через полюсные отверстия бака, предварительно разделив его на сектора 15.

Пример 2 отличается от примера 1 тем, что перед формованием полузаготовок 7, 8 бака на оправке 1 (фиг.1) формируют и предварительно формуют внутреннюю полимерную оболочку 16 или ее полузаготовки 17, 18 из сырой листовой резины марки 3826 ТУ 38.305-05-368-94 (толщина листа 0,6 мм). Оболочку 16 разрезают поперек оси O-O₁ симметрии бака по плоскости Б, а разрез 19 (фиг.2) после формования внешнего композитного слоя 13 герметично заклеивают с помощью слоя пленочного клея 20 (УП-5-246 ТУ 6-05-241-412-86), внахлест накладкой 21 из листовой вулканизованной резины марки 3826 ТУ 38.305-05-368-94 (толщина накладки 1 мм).

Пример 3 отличается от примера 2 тем, что композитные слои 26, 27 бака образовывают из стеклоровинга РВМН 10*1260-78 ТУ 6-05-241-404-84, пропитанного связующим ЭТАЛ-245 ТУ 2257-005-40035020-97, отверждающимся при меньшей температуре, чем использованное в примерах 1, 2 связующее ЭДТ-10П ОСТ 92-0957-74, а внутреннюю полимерную оболочку 16 формируют из двух частей 22 и 23 (фиг.3, 4), на одной из которых (22) оставляют свободным от композитных слоев концевой участок 24, укладывают на него антиадгезионный слой 25 фторопластовой пленки Ф-4ПН ГОСТ 24222-80. Предварительное формование композитных слоев 26, 27 и полузаготовок 22, 23 внутренней полимерной оболочки 16 проводят при режиме, обеспечивающем неполное отверждение (вулканизацию) последних, а именно: выдержка 3 часа при температуре 130°С, и при формовании внешних композитных слоев 28 (фиг.4) свободный конец 24 части 22 внутренней полимерной оболочки 16 приформовывают (привулканизовывают) к другой ее части 23 с помощью дополнительного слоя 29 пленочного клея УП-5-246 ТУ 6-05-241-412-86.

Предлагаемый способ упрощает технологию и используемую оснастку для изготовления крупногабаритных композитных баков, обеспечивает качество при изготовлении и надежность в эксплуатации. Позволяет снизить себестоимость изготовления крупногабаритных композитных баков высокого давления и увеличить балансовую прибыль предприятия.

Способ изготовления крупногабаритных композитных баков относится к области машиностроения, а именно к авиационной промышленности. Способ включает формирование и формование внутреннего композитного слоя на монолитной оправке многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака. Внутренний композитный слой состоит из двух охватывающих полюсные горловины днищ бака спиральных композитных слоев, которые предварительно формуют, затем разрезают в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии бака, со смещением резов от слоя к слою в продольном направлении. На участках между разами слоев размещают антиадгезив, который после снятия полузаготовок бака с оправки удаляют, а на их место наносят клей. После этого устанавливают полузаготовки на промежуточное опорное кольцо, размещая его в зоне резов, и формируют внешние композитные слои бака, которые затем формуют одновременно с клеевыми швами, и удаляют промежуточное опорное кольцо через полюсные отверстия бака. Данный способ позволяет снизить себестоимость изготовления крупногабаритных баков и увеличить балансовую прибыль предприятия за счет упрощения технологического оснащения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления крупногабаритного композитного бака, отличающийся тем, что формируют и формуют композитный слой на монолитной оправке многоразового использования, внешний контур которой соответствует внутренней форме центральной части и днищ бака, при этом сначала формируют на монолитной оправке внутренний композитный слой, состоящий, по крайней мере, из двух охватывающих полюсные горловины днищ бака спиральных композитных слоев, которые предварительно формуют, затем разрезают в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии бака со смещением резов от слоя к слою в продольном направлении и размещением на участках между резами слоев антиадгезива, который после снятия полузаготовок бака с оправки удаляют, а на эти участки наносят клей, устанавливают полузаготовки на промежуточное опорное кольцо, размещая его в зоне резов, затем формируют внешние композитные слои бака, после чего их формуют одновременно с клеевым швом или швами, соединяющим спиральные композитные слои, и удаляют промежуточное опорное кольцо через полюсные отверстия бака.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все внутренние композитные спиральные слои, кроме наружного, разрезают после их формирования, а последний разрезают после предварительного формования всех внутренних композитных спиральных слоев.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед формированием бака на оправке формируют и предварительно формуют внутреннюю полимерную оболочку, которую разрезают поперек оси симметрии бака, а разрез при или перед, или после формования внешних композитных слоев герметично заклеивают внахлест накладкой, например, из того же материала, что и внутренняя полимерная оболочка бака.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутреннюю полимерную оболочку формуют из двух частей, на одной из которых оставляют свободный от композитных слоев концевой участок, а предварительное формование композитных слоев и внутренней полимерной оболочки проводят при режимах, обеспечивающих неполное отверждение внутренней полимерной оболочки, а при формовании внешних композитных слоев свободный конец одной части внутренней полимерной оболочки приформовывают к другой части внутренней полимерной оболочки.