книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ и з к о м п о з и т о в

Технологические режимы намотки

Технологический режим формования определяется рядом параметров, которые обусловливают качество производимых корпусов. К таким параметрам относятся: технологическое на­ тяжение ЛПФ при намотке; контактное давление формования (контактное давление на наматываемую поверхность); темпе­ ратура ЛПФ; скорость намотки ленточного полуфабриката; температурно-влажностные характеристики, запыленность и загазованность производственного помещения.

Технологическое натяжение предназначено для создания натяжения в гибкой вантовой системе формируемой оболочки с целью придания ей конструктивной жесткости и прочности, а также для создания технологического натяга в системе ста­ нок —приспособление —оправка —ЛПФ, без которого невоз­ можно обеспечить ни кинематические, ни динамические усло­ вия намотки арматуры на оправку по заданным траекториям, ни добиться устойчивости и повторяемости результатов намот­ ки. Технологическое натяжение определяется методом формо­ вания, кривизной формуемой поверхности, типом ЛПФ, спе­ цификой оборудования и другими факторами. Для каждого конкретного случая оно зависит от типа материала, его опре­ деляют расчетом и уточняют экспериментально. Например, для стеклопластиков практически используемые значения натяже­ ния Го лежат в диапазоне 0,1Г„ < Г0 < 0,2 Гр, где Г0 - натя­ жение, а Гр — разрывная сила ЛПФ.

Контактное давление формования предназначено для со­ здания натяга в технологической системе оболочка —оправка, т.е. на границе контакта наматываемого ЛПФ и формующей поверхности оправки (а затем на границе ранее сформирован­ ных слоев стенки оболочки). Контактное давление обеспечи­ вает уплотнение наматываемой структуры, заданную ей плот­ ность, отжим избытка связующего и вымывание воздушных включений (в “мокром” способе формования), слипания и адгезию связующего (при “сухом” методе формования). Кон­ тактное давление зависит от тех же факторов, что и Г0, и не должно быть ниже 0,049 МПа. Наибольшее его значение огра­ ничивается только опасностью передавливания хрупких арми­ рующих волокон и разрушения технологической оправки.

Для создания и управления технологическим натяжением используют различные технологические приемы и устройства: торможение ЛПФ при помощи регулируемых тормозных уст­ ройств, создание натяга в волокнах с помощью разжимных, надувных оправок и т.п. (см. гл. 2). Создавать контактное давление и управлять им можно с помощью специальных прикатных устройств, посредством обжимных, наружных рубашек (канаты, ленты), внешнего гидростатического давления и т.п. При малых и средних диаметрах корпусов необходимые значе­ ния контактного давления N можно обеспечить с помощью создаваемого технологического натяжения:

где Я —радиус криволинейной поверхности.

С увеличением диаметра формуемых изделий значение кон­ тактного давления при оптимальном значении Г0 снижается и требуются обязательные дополнительные устройства для его поддержания на требуемом уровне. Так, например, при намотке крупногабаритных корпусов из органопластика применение прикатных роликов позволяет повысить прочность органоплас­ тиковых стенок на 5...8%, а модуль упругости — на 4—5%.

Температура формования 7ф является параметром режима формования, с помощью которого управляют свойствами ЛПФ в процессе намотки оболочки корпуса. Варьируя Гф, изменяют агрегатное состояние и вязкость связующего, регулируют его адгезионные и аутоадгезионные свойства, уменьшают порис­ тость и увеличивают плотность изготавливаемой конструкции. Нагревание ЛПФ осуществляют с помощью контактного обо­ греваемого ролика, газодинамических и радиационных (ин­ фракрасных) нагревателей и т.д. Оптимальная температура формования зависит в каждом конкретном случае от рецептуры применяемого связующего, его технологического состояния, силовых параметров режима формования, скорости намотки.

Скорость намотки характеризуется принятым методом фор­ мования, кинематической схемой намотки, совмещенностью операций формирования ЛПФ и намотки заготовки изделия, возможностями намоточного оборудования. Для отечественно-

го оборудования при “мокрой” намотке оболочек наибольшая скорость подачи ЛПФ составляет 24 м/мин.

Определение конструктивно-технологических параметров намотки

Силовые оболочки корпусов представляют собой, как пра­ вило, комбинацию спиральных и окружных слоев, получаемых непрерывной намоткой нитей. Спиральные слои, наматывае­ мые под небольшими углами р к оси изделия, выходят на торцевую поверхность оправки И служат для формирования днища оболочки. Окружные слои усиливают цилиндрическую часть оболочки в кольцевом направлении.

Намотка слоев оболочки осуществляется за счет вращения оправки, возвратно-поступательного движения суппорта с лентораскладчиком и радиального перемещения нитераскладчика у торцев оправки с одновременным его поворотом вокруг соб­ ственной оси с целью предотвращения скручивания (жгутования) наматываемой пряди нитей.

Рассмотрим схему укладки прядей нитей или ленты препрега шириной *л (рис. 6.8) на поверхность вращающейся оп­ равки. За один двойной ход нитераскладчика или один такт Т намотки на оправку будет уложен один полный виток нитей (одна спираль). При этом начало и конец витка нитей совпадут только в том случае, если за время одного такта намотки оправка повернется на целое число оборотов Z т. Во всех ос­ тальных случаях, когда Z т не является целым числом, начало и конец витка не совпадают на угловой шаг намотки ДФ.

Для обеспечения плотной (без зазоров) укладки наматыва­ емых лент необходимо добиться, чтобы угол ДФ был кратным углу 2я (или 360°), т.е. одному полному повороту оправки. Кратными же будут те углы, для которых отношение 2я/ДФ является целым числом: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т.д. Этим числам соответствуют значения углового шага намотки ДФ*, равные 360°, 180°, 120°, 90°, 72°, 60°, 45° и т.д. Наиболее просто кратность углового шага достигается дополнительным поворо­ том оправки на фланцах оболочки на Д <рф.Кроме того, после каждого такта намотки или укладки одного витка ленты оп­

равку следует довернуть на угловую ширину ленты А фл, которая должна укладываться целое число раз в угловом шаге намотки ДФ*.

Таким образом, в одном слое оболочки после его намотки будет уложено 2 я/Дфл лент. Так как за один такт намотки

виток ленты дважды пересекает любую окружность оболочки, то при числе тактов Т = 2 я/Дфл образуется два полных спи­

ральных слоя, уложенных под углами ±р в каждой точке. При этом оправка при Z = Т вернется в исходное положение со смещением на угловую ширину ленты Дфл.

Для заданных геометрических размеров технологические пара­ метры намотки рассчитывают в указанной последовательности.

где /?, гп — радиусы цилиндрической части и полюсного от­ верстия оболочки соответственно; рц — угол намотки на ци­ линдрической части.

2. Рассчитывают угол, на который поворачивается оправка при укладке ленты на цилиндрическую часть оболочки за один такт намотки,

(6.3)

фц = 2фц = 2 - ^ р ц,

где /ц — длина цилиндрической части сосуда давления; фц - угол поворота ленты.

3. Определяют угол поворота оправки при укладке ленты на каждом из днищ (см. рис. 6.8)

здесь г —текущее значение радиуса вращения днища оболочки; Рг — угол армирования на днище; у ' (г) — производная обра­ зующей контура днища:

При этом максимальный радиус вращения гтах = ± Л, а минимальный —

(6.7)

' т п = ± ^ ^ 1 + 4 £ 82Ро - 1

В конечном виде интеграл (6.5) после замены переменной

выражается через эллиптические интегралы первого и второго родов

где / ’(х,0) и Е (х,02) - табличные значения эллиптических интегралов первого и второго родов; х = -Щ7Тс^ — модуль

эллиптического интеграла.

Аргумент эллиптического интеграла имеет вид

0 = агсвш ^(Я 2 - г (Я 2 - г ^д)

Форма образующих днищ, построенных в относительных

5. Определяют расчетный угловой шаг намотки

где [фР/2я] — целое число оборотов оправки в одном такте намотки.

6. Определяют дополнительный поворот оправки на флан­ цах оболочки

где ДФ* —принятый угловой шаг намотки, равный ближайшему кратному углу.

Рекомендуется в качестве углового шага выбирать ДФ* > 60° (60°, 72°, 90°, 120°и 180°). Если ДФр > 180°,то оправку следует повернуть на 2Дсрфдо ближайшего дополнительного угла (240°,

270°, 288°, 300°и 360°).

7. Рассчитывают смещение последующей спирали (витка ленты) по отношению к ранее уложенной, т.е. определяют поворот оправки на угловую ширину ленты

(6.13)

где гкр и /л — кроющая и нормальная ширина наматываемой ленты соответственно. При этом угол Д фл должен быть крат­

ным углу ДФ*, что не сложно выполнить для названных выше значений ДФ* Максимальное значение Дф* ограничивается ко­

/Ц13* < 2К соврц -а г^ ^ р . Минимальная ширина ленты зависит от скорости процесса намотки Кнам.

8 . После выбора угловой ширины ленты Дфл определяют

фактический угол поворота оправки за один такт намотки

Дфл *л

11. Находят полное число оборотов оправки, необходимое для намотки двойного спирального слоя

12. Определяют допустимую частоту вращения оправки из расчета максимальной скорости намотки

13. Находят время одного такта намотки

14. Рассчитывают минимально возможное время намотки двойного спирального слоя

6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ и з к о м п о з и т о в

Изготовление полуфабрикатов теплозащитных материалов

Полуфабрикаты резиноподобных ТЗМ изготавливают на специализированных заводах методом каландрования и постав­ ляют для получения ТЗМ в рулонах. Процесс получения ка­ ландрованного полуфабриката ТЗМ состоит из следующих эта­ пов:

изготовление резиновой смеси из компонентов в резиносмесителях или на вальцах, причем резиносмесители имеют

большую производительность; вальцевание смеси (при изготовлении в резиносмесителях)

в пластину толщиной 10...20 мм; каландрование листов, т.е. продавливание материала в за­

зоры между цилиндрическими валками до получения опреде­ ленной толщины.

Каландрованные листы выпускают обычно толщиной от 0,5 до 2 мм, так как более тонкие листы трудно снимать с послед­ него валка. При изготовлении листов с большей толщиной возможно появление воздушных пузырей вследствие недоста­ точного давления при большом зазоре между валками. Неко­ торые материалы имеют и другие ограничения по толщинам, например ТЗМ, наполненные асбоволокном, не выпускаются толщиной меньше 1 мм из-за выкрашивания асбеста.

Специфической особенностью, присущей каландрованным листам, является анизотропия свойств - каландровый эффект. Эта анизотропия возникает вследствие продольной ориента­ ции, которой подвергается материал при проходе в зазорах между валками. Каландровый эффект зависит от температуры каландрования, скорости и фрикции валков, а также от свойств резиновой смеси. С повышением температуры каландровый эффект уменьшается, так как снижается вязкость смеси. Для снятия каландрового эффекта рекомендуется прогревать листы резиновых смесей перед формованием в термостатах при температере 60...70 °С в течение 1...4 ч. При термостатировании происходит изменение геометрических размеров листов: умень­ шается длина и увеличивается толщина. Изменение толщины составляет 10... 15%, что необходимо учитывать при расчете схем набора толщин ТЗМ.

ния, что связано с протеканием процессов самовулканизации и охрупчивания резиновых смесей. Пастообразные ТЗМ на основе олигомерных низковязких каучуков изготавливают на месте формования покрытий. Для изготовления используют­ ся камерные смесители, в основном периодического дейст­ вия.

Наиболее широко применяют смесители со шнековым уст­ ройством. Подготовка компонентов, входящих в состав пасто­ образных ТЗМ, включает в себя операции измельчения и сушки порошкообразных наполнителей, а также взвешивания всех компонентов.

Порошкообразные наполнители измельчаются в шаровых мельницах с последующим отделением крупной фракции час­ тиц с помощью различных сит.

Влага из компонентов удаляется сушкой в термошкафах или вакуумных сушилках. Время сушки определяется эксперимен­ тально и зависит от допустимой влажности компонентов, тем­ пературы и особенностей оборудования. Режимы сушки неко­ торых компонентов, входящих в состав ТЗМ, представлены в табл. 6.5.

Компоненты дозируются с помощью весов или дозаторов, в некоторых случаях используют объемную дозировку жидких и сыпучих материалов.

Качество полуфабриката обеспечивается равномерностью распределения компонентов материала и контролем времени