4.1.1 Методы изготовления стеклопластиковых изделий

Стеклопластики и изделия из них изготавливаются различными методами. Простейший из них - метод контактного формования - состоит в том, что на форму, изготовленную из гипса, слоистого плас­тика, листового металла или другого материала, покрытую антиадге­зивом (водно-спиртовой раствор поливинилового спирта или суспен­зия воска в бензине, иногда применяют целлофановые пленки), наносят тонкий первый декоративный слой связующего. Чаще всего это насы­щенная полиэфирная смола с добавками инициатора и ускорителя.

После желеобразования декоративного слоя на него наносят связующее, поверх которого укладывают слои стекловолокнистого армирующего материала. Для лучшего проникновения в него связу­ющего материал прикатывают гладкими или ребристыми валками. Затем наносят последующие слои связующего и армирующего мате­риала до получения необходимой толщины. После формования изде­лия производят отверждение связующего при комнатной температу­ре в течение 10...24 ч. и более, в зависимости от используемого связу­ющего, или в термокамерах при 120... 130 °С для ускорения процес­са. В соответствии со способом отверждения в связующее вводят раз­личные инициирующие добавки, отвердители и ускорители.

Готовые изделия снимают с формы и подвергают незначитель­ной механической обработке (зачистке заусенец и др.).

Достоинством контактного способа является простота техно­логии и оснастки; крупными недостатками - низкая производитель­ность, невысокие прочностные свойства изделий, большая трудо­емкость, а также вредность производства.

Модификацией контактного формования, позволяющей уско­рить процесс изготовления изделий, является метод одновременно­го напыления на форму связующего и отрезков стеклянных нитей специальным пистолетом - распылителем. Этот метод отличается высокой степенью механизации. Напыление производится с помо­щью передвижной установки, состоящей из режущего устройства для стекловолокна, вентилятора, распылителя и емкости для связующе­го и растворителя. Стекловолокно непрерывно сматывается с бо­бин и режется на отрезки длиной от 10 до 90 мм, которые подаются потоком воздуха к распылителю. Последний имеет три сопла: цент­ральное - для подачи стекловолокна и два боковых - для подачи смеси связующего с инициатором и смеси связующего с ускорите­лем отверждения. Смешение компонентов происходит на поверхно­сти формы или перед ней в воздухе. Установка комплектуется от­дельными емкостями для смеси связующего с инициатором, для сме­си связующего с ускорителем отверждения и для растворителя (обычно ацетона), который служит для очистки магистралей пода­чи связующего. Нанесенная композиция отверждается на форме.

Контактным формованием и напылением обычно изготавлива­ют небольшие партии изделий сложной геометрической формы и несколько пониженной прочности.

Изделия сложной конфигурации изготавливают и в закрытых формах путем пропитки связующим в вакууме и под давлением за­ранее уложенного армирующего материала с последующим отвер­ждением смолы. Использование этого метода исключает выделение в воздух токсичных продуктов, но требует значительно более слож­ных аппаратурного оформления и оснастки, чем методы контакт­ного формования и напыления.

Изделия в форме тел вращения изготавливают методом намотки пропитанного связующим стекловолокнистого армирующего матери­ала на вращающиеся неразборные и разборные оправки с последую­щим отверждением изделия и извлечением оправки. Так изготавлива­ют изделия цилиндрической и конической формы: отсеки топливных баков, контейнеров, головные части, трубы большого диаметра и др.

Наибольшее распространение при изготовлении стеклопласти­ковых корпусов двигателей, раструбов сопел и других узлов РДТТ получили методы намотки. Они позволяют осуществить автоматизированное управление процессом изготовления высоко­прочных изделий с ориентацией армирующего материала в направ­лениях главных напряжений.

Тканевая намотка (рис. 11) дает возможность получать стекло­текстолитовую герметичную структуру на корпусах РДТТ с преде­лом конструктивной прочности 0,4...0,6 ГПа. Оборудование для производства стеклотекстолитовых корпусов позволяет производить окружную или спиральную намотку ткани (предварительно пропи­танной связующим) на оправку.

Окружная намотка производится одновременно двумя слоями, параллельными полосами от рулонов через валки. Опорные (прокат­ные) валки, имеющие вмонтированные в них нагревательные устрой­ства, при контакте с тканью размягчают связующее. Спиральная на­мотка осуществляется сматыванием ткани с рулонов, расположенных под углом к оси оправки. При достижении каретками крайнего поло­жения производится перекладка ткани посредством вильчатого меха­низма. Размягчение связующего и прокатка с целью уплотнения слоев ткани производится так же, как и при окружной намотке. Для присое­динения к стеклотекстолитовым корпусам днищ или переходных флан­цев на торцевых концах намоткой образуются утолщения, на которых после отверждения (полимеризации) нарезается ленточная резьба.

Рис. 11. Тканевая намотка стеклопластиков:

а- косая намотка на конус; б- косая намотка на цилиндр; в- продольно-поперечная намотка на цилиндр; 1 - оправка; 2 - шпулярник; 3 - нитеукладчик

Продольно-поперечная намотка (ППН) цилиндрических и сла­боконических корпусов. Исходя из известного соотношения между напряжениями в кольцевом сечении и в сечении вдоль образующей, равного 1:2, намотка слоев на оправку при рассматриваемом спо­собе производится в следующей последовательности; на два слоя окружных лент наносится один слой продольных лент (вдоль обра­зующей). Полное соответствие ориентации и количества стеклолент при ППН направлениям и величинам действующих в оболочке на­пряжений, а также предельно плотная укладка стеклолент, позволя­ют реализовать самую высокую прочность (8 ГПа и более в танген­циальных направлениях и более 0,5 ГПа - в осевом) по сравнению с оболочками, полученными другими способами намотки.

ППН осуществляется следующим образом: вертлюг, по окруж­ности которого размещены бобины продольных слоев, вращаясь синхронно с оправкой, перемещается вдоль ее оси. Сматываемые при этом с бобин продольные ленты обматываются и притягиваются к поверхности оправки кольцевыми слоями лент с бобин, установлен­ных на каретке по обе стороны от вертлюга, обеспечивая соотноше­ние продольных и поперечных слоев 1:2. Плавление связующего, содержащегося в ленте, производится нагревателями, расположен­ными на кольцевых элементах, охватывающих оправку в месте при­мотки продольных лент кольцевыми.

Намотка корпусов заодно с днищами способом ППН существен­но усложняет технологический процесс. Поэтому обычно такие кор­пуса выполняют без днищ, но с утолщениями по обоим торцам. После завершения намотки, полимеризации и снятия корпуса с оп­равки, утолщенные концы подвергаются механической обработке для подготовки мест соединения с металлическими днищами.

Спиральная намотка (СПН) позволяет изготавливать корпус РДТТ заодно с днищами. Это наиболее распространенный и наибо­лее эффективный способ намотки, позволяющий получать корпуса, силовые оболочки раструбов сопел и оболочки с днищами самых разнообразных форм: цилиндрических, конических, тороидальных и др. Некоторое отклонение ориентации стеклолент от линий глав­ных напряжений оболочки и меньшая, чем при ППН, плотность структуры композиции, являются причинами более низкой прочнос­ти в оболочках, изготовленных спиральной намоткой, по сравнению с оболочками, изготовленными способом ППН, на 10... 15 %. Предел конструктивной прочности на разрыв в тангенциальном направле­нии СПН-оболочек около 0,85 ГПа. Однако возможности изготов­ления непрерывной намоткой корпусов заодно с днищами делают СПН весьма эффективной, в особенности при изготовлении корпу­сов средней длины и коротких (при отношениях длины корпуса к его диаметру меньше трех). Применение автоматизированных станков с программным управлением, производящих укладку лент по задан­ной траектории с высокой точностью и контролирующих натяжение лент, позволяет получать изделия со стабильно воспроизводимыми физико-механическими свойствами и геометрией, обеспечивает вы­сокую надежность при низких запасах прочности.

При спиральной намотке «мокрым» способом стеклонити пропускаются через ванночку со связующим, систему роликов, ре­гулирующих натяжение в стеклоленте и снимающих избыток связу­ющего, и поступают на оправку. Намотка по геодезическим линиям и спирали производится изменением скорости вращения оправки и продольного перемещения каретки. При достижении конца оправ­ки шток гидроцилиндра выдвигается по заданной программе и ук­ладывает ленту на поверхность оправки, формирующей днище. Про­цесс намотки продолжается до тех пор, пока не будет образована стенка оболочки с требуемым количеством слоев ленты.

При проектировании необходимо знать еще некоторые конструктивно-технологические особенности изготовления стекло­пластиковых корпусов РДТТ, существенно влияющие на уровень прочностных характеристик и их стабильную воспроизводимость.

На рис. 12 приведена технологическая схема «мокрой» спираль­ной намотки.

Рис. 12. Технологическая схема «мокрой» спиральной намотки:

1- направляющие ролики; 2- отжимные ролики; 3- нагреватель; 4- шпулярник; 5- ванна со смолой; 6- регулятор натяжения; 7- оправка

Остаточное содержание связующего в композиции при спираль­ной и продольно-поперечной намотке должно составлять 30...40 %. При содержании смолы, превышающем оптимальное количество, имеет место снижение прочности, а при содержании меньше опти­мума возникает трудность сохранения монолитной формы. Основ­ной задачей связующей матрицы является соединение армирующих волокон в единую (монолитную) структуру, равномерное распреде­ление усилий между волокнами и максимальное обеспечение их со­вместной работы до начала разрушения.

Значительную часть изделий из стеклопластиков получают методами прямого литьевого прессования с использованием металлических обогреваемых пресс-форм. В пресс-формы загружают отдельно армирующий материал и связующее или пропитанные прессовочные материалы - препреги. Листовые стеклопластики изготавливают на многоковочных гидравлических прессах с обогреваемыми плитами. Препреги - это стеклоткани, стеклоленты или жгуты, предварительно пропитанные смолой и просушенные.

Широкое распространение получили непрерывные методы изготовления погонажных изделий из стеклопластиков - труб, профилей, плоских «и гофрированных листов, рулонных материалов.