способ изготовления сложнопрофильных изделий из композиционных материалов методом непрерывной намотки

Формула изобретения

1. Способ изготовления сложнопрофильных изделий из композиционных материалов методом непрерывной намотки, заключающийся в многоцикличной спиральной намотке материала на вращающуюся оправку от концевого ее торца до корневого и обратно, отличающийся тем, что в каждом цикле намотки материал укладывают по комбинированной траектории, состоящей из четырех спиральных участков, двух прямолинейных переходов по корневому торцу и двух окружных участков, плавно переходящих друг в друга от одного торца до другого и обратно, при этом в каждом последующем цикле начальную точку укладки материала смещают относительно аналогичной точки предыдущего цикла в направлении корневого торца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый цикл начинают с окружной намотки и укладывают материал только по одной стороне поверхности на участке вдоль концевого торца от одной боковой кромки до другой, после чего переходят на спиральную намотку и укладывают первый спиральный участок по всей поверхности до корневого торца, выполняют по нему прямолинейный переход на противолежащую сторону поверхности, укладывают второй спиральный участок в направлении концевого торца до пересечения на одной из боковых кромок с первым участком окружной намотки, переходят на окружную намотку и дополняют первый окружной участок вторым окружным участком встречного направления по противолежащей стороне поверхности до пересечения с другой кромкой, от которой укладывают третий спиральный участок до корневого торца, выполняют по нему второй прямолинейный переход на противолежащую сторону поверхности и заканчивают цикл четвертым спиральным участком в направлении концевовго торца к начальной точке укладки.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что начальную точку укладки материала каждого последующего цикла смещают относительно аналогичной точки предыдущего цикла в сторону корневого торца на расстоянии в пределах от укладки материала внахлест до укладки встык и выполняют цикл аналогично первому.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что участки окружной намотки последующего цикла укладывают параллельно аналогичным участкам предыдущего цикла, причем, по мере намотки, окружные участки встречного направления, уложенные на противолежащих сторонах поверхности, образуют бандаж в виде прилегающих друг к другу полос материала с перекрестным переплетением на боковых кромках, постепенно перекрывающий нижние спиральные участки в направлении корневого торца.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что при выполнении переходов по корневому торцу одновременно осуществляют вматывание закладочных крепежных элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления сложнопрофильных изделий из композиционных материалов методом непрерывной автоматизированной намотки, преимущественно неосесимметричных аэродинамических силовых элементов конструкций типа крыльев самолета, лопастей вертолета, воздушных и водных винтов, силовых установок насосов, компрессоров, вентиляторов, рулей управления и пр. и может быть использовано в авиа-, судо-, автостроении и других современных отраслях промышленности.

Известен способ изготовления авиационных винтов, содержащий множество операций и переходов, и включающий в себя как элементы намотки (подмотки), так и выкладки изделия из композиционных материалов [1]

Основные недостатки способа невозможность автоматизировать процесс изготовления изделия из-за наличия ручного труда по раскрою и выкладке отдельных элементов.

Известен способ изготовления обшивки крыла самолета путем непрерывной кольцевой намотки под углом к оправке, на кромках которой выполняют зубчатый элемент с образованием ступенчатой поверхности [2]

Основные недостатки способа наличие дорогостоящей оснастки сложной формы с зубчато-ступенчатой поверхностью на передней и задней кромках, предназначенной для устранения сползания ленты на кромках, невозможность планомерного изменения толщины стенки в нужном направлении.

Известен способ изготовления обшивки крыла самолета путем непрерывной многоциклической укладки ленты спиральной намотки на оправку, который является ближайшим техническим решением, принятым за прототип. По этому способу укладку ленты начинают с одного торца справки спиральной намотки и заканчивают на другом, затем меняют направление спирали и ленту возвращают на первый торец, затем этот цикл многократно повторяют [3]

Этот способ не требует выполнения дополнительной дорогостоящей оснастки, но спиральный виток, укладывая одинаковое количество материала и на корневую и на концевую часть поверхности оправки, образует утолщение стенки изделия в корневой, а не в корневой части, как того требуют прочностные расчеты. Т.е. возникает проблема ручной или механической доводки изделия до нужной формы, что нарушает целостность структуры, и следовательно, снижает прочность изделия и приводит к перерасходу дорогостоящих материалов, требует дополнительных затрат времени.

В основу изобретения поставлена задача создания технологии непрерывной автоматизированной намотки сложнопрофильных изделий целостной структуры, гладкой поверхности и планомерно изменяющейся толщины, например, неосесимметричного аэродинамического силового элемента, со значительным экономическим эффектом за счет сокращения материалоемкости без снижения несущей способности изделия, повышения производительности и качества производства.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления несущего аэродинамического изделия, включающем непрерывную многоциклическую спиральную намотку композиционного материала на вращающуюся оправку от концевого ее торца до корневого и обратно, укладку материала осуществляют по комбинированной траектории, состоящей в каждом цикле из четырех спиральных участков, двух прямолинейных переходов по корневому торцу и двух окружных участков, плавно переходящих друг в друга, причем начальную точку укладки материала в каждом последующем цикле смещают относительно аналогичной точки предыдущего цикла в направлении корневого торца, а при выполнении переходов одновременно осуществляют вматывание закладных крепежных элементов.

Сущность предложенного способа намотки в следующем.

Укладка материала с учетом смещений между циклами позволяет получать участки поверхности с различным числом спиральных слоев, которые интегрально дают увеличение толщины стенки в нужном направлении, например, в сторону корневого сечения крыла. Это объясняется тем, что часть поверхности к концевого торца, лежащая под участками окружной намотки первого цикла благодаря смещению автоматически освобождается от дальнейшей намотки, т.е. от наслоения материала, укладываемого во втором цикле. Таким образом, дальнейшая укладка материала в сторону корневого торца идет не по всей поверхности, а за вычетом участка окружной намотки первого цикла. В третьем цикле материал будет укладываться по поверхности за вычетом участков окружной намотки первого и второго цикла и т.д. То есть осуществляется плавное наслоение материала от концевого к корневому торцу.

При этом сочетании трех видов намотки в каждом цикле окружной, спиральной и прямолинейной позволяет при расчете управляющих программ намотки максимально учитывать сложный профиль изделия и осуществлять укладку материала по оптимальной (геодезической) траектории, что исключает сползание материала при нагрузках, и тем самым, обеспечивает полное использование его прочностных свойств.

Комбинации смещений начальных точек укладки материала между циклами в пределах от укладки внахлест до укладки встык позволяют обеспечивать планомерное изменение толщины стенки изделия в нужном направлении, например, рост толщины стенки профиля в сторону корневого сечения, в результате отпадает необходимость в такой дорогостоящей технологической операции, как ручная или механическая доводка изделия до заданной формы, т.е. снижается материалоемкость производства без снижения несущей способности изделия.

При этом, по мере замотки изделия, расположенные на противолежащих сторонах поверхности оправки окружные участки встречного направления образуют бандаж, постепенно перекрывающий в сторону корневого торца нижние спиральные участки ровной поверхностью в виде прилегающих друг к другу полос с перекрестным переплетением только на боковых кромках изделия.

Непрерывная намотка материала с двумя переходами в каждом цикле через корневой торец с одновременно вматыванием закладываемых крепежных элементов (типа нервюры), позволяет осуществлять фланцевую (безлонжеронную) схему крепления аэродинамического профиля к базовой конструкции, устранив операцию их ручной установки на стадии сборки отдельных элементов конструкции в готовое изделие. Это позволяет создавать цельномотанные неразрезные конструкции с более высокими механическими свойствами в отличие от изделий, где применяют традиционные соединения (например, обшивки крыла и нервюры) посредством элементов поперечной связи (болты, винты, шпильки) с нарушением оплошности структуры обшивки (сверление отверстий под них), ослабляющими прочность пластика.

На фиг. 1 представлена технологическая схема укладки материала на оправку в начальном цикле намотки аэродинамического профиля; на фиг. 2 вид изделия в стадии завершения процесса намотки; на фиг. 3 рисунок переплетения на боковых кромках изделия.

Способ реализуется следующим образом.

На подготовленной по обычной технологии оправке закрепляют композиционный материал, например, ленту, подводят раскладчик к концевому торцу оправки и осуществляют намотку витка начального цикла по следующей технологической схеме (фиг. 1),

1. Выполняют первый участок витка, укладывая ленту окружной намотки в виде только по одной стороне поверхности А от точки (т. 1) боковой кромки 3 вдоль концевого торца 1 до т. 2 боковой кромки 4.

2. В т. 2 переходят на спиральную намотку и укладывают первый спиральный участок по обеим сторонам поверхности А и В от т. 2 через т. 3 кромки 3 к т. 4 корневого торца 2.

3. Из т. 4 от поверхности A выполняют прямолинейный переход витка по корневому торцу 2 на противолежащую часть поверхности Б в т. 5.

От т. 5 укладывают второй спиральный участок в направлении концевого торца 1 по обеим сторонам поверхности Б и А через т. 3 в т.2 до пересечения на кромке 4 с первым окружным участком, расположенным на стороне А поверхности.

5. В т. 2 переходят на окружную намотку и укладывают второй окружной участок, противолежащий первому, в виде дуги от т. 2 до т. 1 вдоль концевого торца 1 теперь по стороне поверхности Б.

6. В т. 1 снова переходят на спиральную намотку и укладывают третий спиральный участок по поверхностям А и В от т.1 через т. 6 боковой кромки 4 в т.7 на корневом торце 2.

7. От т. 7 на поверхности Б через корневой торец 2 выполняют второй прямолинейный переход витка на противолежащую поверхность А в т.8.

8. Из т. 8 укладывают в сторону концевого торца 1 завершающий четвертый спиральный участок начального цикла по поверхностям А и В через т. 6 к т.1.

9. Смещают раскладчик от т. 1 вдоль боковой кромки 3 в сторону корневого торца 2 до т. 1"", например, на ширину ленты, и приступают к выполнению второго цикла с укладки первого окружного участка в виде дуги параллельно и встык к аналогичному участку начального цикла до т. 2"". При этом новый дугообразный участок ленты перекроет собой спиральную часть витка, уложенного в начальном цикле.

10. Намотку изделия выполняют до полного перекрытия нижних спиральных участков бандажом в виде прилегающих друг к другу дугообразных полос на обеих сторонах поверхности с перекрестным переплетением на боковых кромках (фиг. 2, 3).

Для проверки эффективности предложенного способа была изготовлена партия образцов аэродинамического профиля (АП), в которых были реализованы следующие технологические параметры намотки;

тип используемого волокна стеклонить ВМПС 6-7;

количество нитей в ленте 44 шт;

ширина ленты 5 мм;

толщина ленты 0,3 мм;

линейная плотность волокна 59 ГС КС;

тип связующего ЭДТ-10;

температура связующего в пропиточной ванне 60^oC;

диаметр отжимной фильеры 1,2 мм;

диаметр отверстия раскладчика 8 мм;

температурно-временной режим полимеризации штатный.

Намотку производили на двухкоординатном намоточном станке токарного типа с применением двухуровневого управляющего вычислительного комплекса, состоящего из стойки ЧПУ Н33-1М и вычислительного комплекса СМ-1810.

Для подготовки управляющей программы намотки изделия использовали следующую методику:

1. Анализ геометрических данных и подготовка математической модели поверхности изделия;

2. Выбор схемы намотки;

3. Расчет оптимальной (по геодезии) траектории укладки базового витка начального цикла;

4. Расчет траектории перемещения рабочих органов намоточного станка, обеспечивающих укладку базового витка по рассчитанной траектории;

5. Подготовка управляющих программ намотки всех циклов в формате данных ЧПУ.

Для реализации способа использовалась обычная разборная деревянная оправка многоразового применения, состоящая из трех секций. Выбор материала обусловлен относительной простотой изготовления и его доступностью. Требование к прочности и долговечности не принимались во внимание ввиду небольшой партии изготавливаемых изделий. Поверхность оправки в зоне корневого и концевого торца защищена металлическими накладками, причем наружная кромка накладки корневой части оснащена штырями для предотвращения сползания витков в момент укладки. В концевой части оправки установлена стальная бобышка с отверстием под центр задней бабки намоточного станка. Для передачи крутящего момента от патрона станка к оправке в торце корневой части оправки закреплен вал. Поверхность оправки покрыта тонким слоем стеклопластика, который предохраняет от стирания координатную сетку, предназначенную для контроля укладки ленты на этапе отладки управляющей программы намотки. Высокое качество поверхности оправки получено за счет полимеризации слоя стеклопластика в вакуумном мешке.

Была изготовлена партия образцов АП с шагом намотки 5; 3,75 и 2,5 мм. Вес опытных изделий, соответственно, составил 1,4; 1,8 и 2,8 кг.

Таким образом, способ намотки непрерывными комбинированными витками, уложенными по геодезии и плавно переходящими друг в друга из цикла в цикл, позволяет производить расчет общей управляющей программы намотки всего изделия и осуществлять непрерывную автоматизированную намотку сложнопрофильных изделий планомерно изменяющейся толщины, целостной структуры и гладкой поверхности, что обеспечивает повышение производительности и качества производства, а так же снижение материалоемкости без снижения несущей способности изделия.