способ изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, при котором подают нити композиционного материала в ванну для пропитки связующим, наматывают на вращающуюся вокруг своей оси оправку последовательно один слой нитей продольной ориентации и слой нитей поперечной ориентации, затем наматывают один слой нитей поперечной ориентации и полимеризуют, отличающийся тем, что перед подачей нитей композиционного материала в ванну для пропитки связующим производят осушку и подогрев нитей, а при намотке вначале осуществляют укладку на оправку одного сплошного слоя нитей поперечной ориентации, причем при укладке нитей продольной ориентации осуществляют одновременное прижатие каждой нити по всей ее длине нитями поперечной ориентации, которые наматывают равномерно с шагом, равным 0,2 - 0,35 длины нитей продольной ориентации, а последний слой нитей поперечной ориентации выполняют из одного или нескольких сплошных слоев.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после укладки слоя нитей продольной ориентации с одновременным прижатием их нитями поперечной ориентации производят укладку слоя проволоки или ленты электронагревателя.

3. Устройство для изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, содержащее узел подачи нитей композиционного материала, ванну со связующим, приспособления для намотки нитей поперечной и продольной ориентации, вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся возвратно-поступательно в аксиальном направлении оправку, выполненную составной из четного количества секторных планок, механизм возвратно-поступательного перемещения оправки для синхронного перемещения диаметрально противоположных секторных планок и камеру полимеризации, отличающееся тем, что перед ванной со связующим установлен осушитель-подогреватель для подогрева нитей до температуры, составляющей 0,7 - 0,8 от температуры связующего в ванне, а диаметрально противоположные секторные планки жестко соединены между собой.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диаметрально противоположные секторные планки соединены между собой при помощи штифтов, оси которых смещены друг относительно друга в аксиальном направлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства трубчатых изделий из композиционных материалов, например из стеклопластиков, и может быть использовано в химическом машиностроении, судостроении, медицинском приборостроении, а также в других отраслях промышленности, в которых необходимо использование трубчатых изделий, обладающих высокой стойкостью против воздействия агрессивных сред и высокой прочностью.

Известен способ изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающий подачу нитей композиционного материала со связующим, намотку на вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся возвратно-поступательно оправку, выполненную составной из секторных планок, большее количество которых перемещается в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшее - в обратном направлении, чередующихся слоев нитей поперечной и продольной ориентации, полимеризацию (см. а.с. СССР N 378327, МПК⁶ B 29 C 53/64, 1973). К недостаткам известного способа можно отнести невысокое качество трубчатых изделий из-за невозможности нанесения равномерного слоя связующего на нити композиционного материала и возможной неравномерной укладки слоев нитей продольной и поперечной ориентации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающий подачу нитей композиционного материала в ванну для пропитки связующим, намотку на вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся в аксиальном направлении оправку чередующихся слоев нитей продольной и поперечной ориентации, полимеризацию (см. а.с. СССР N 1004133, МПК⁶ В 29 С 53/64, 1983). Известному способу присущи те же недостатки, что и описанному выше способу.

Известно также устройство для изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающее узел подачи нитей композиционного материала со связующим, приспособления для намотки нитей продольной и поперечной ориентации, вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся возвратно-поступательно в аксиальном направлении оправку, выполненную составной из секторных планок, большее количество которых перемещается в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшее в обратном направлении, механизм возвратно-поступательного перемещения оправки, камеру полимеризации (см. а. с. СССР N 378327, МПК⁶ B 29 C 53/64, 1973). Известному устройству присущи аналогичные недостатки, что и у описанных выше технических решений, и, кроме того, неравномерное перемещение трубчатого изделия по оправке и его деформация, обусловленные несимметричным относительно оси вращения оправки движением секторных планок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающее узел подачи нитей композиционного материала, ванну со связующим, приспособления для намотки нитей поперечной и продольной ориентации, вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся возвратно-поступательно в аксиальном направлении оправку, механизм возвратно-поступательного перемещения оправки, камеру полимеризации (см. а.с. СССР N 1004133, МПК⁶ B 29 C 53/64, 1983). Известное устройство не обеспечивает получение трубчатого изделия высокого качества из-за невозможности нанесения равномерного слоя связующего на нити композиционного материала и неравномерной укладки слоев нитей продольной и поперечной ориентации, а также обладает недостатками, которые обусловлены типом используемой оправки.

Предлагаемое техническое решение как в части способа, так и устройства, направлено на решение задачи, состоящей в повышении качества трубчатого изделия за счет обеспечения нанесения равномерного слоя связующего на нити композиционного материала, их равномерной пропитки связующим, равномерной укладки слоев нитей продольной и поперечной ориентации на формообразующее тело (оправку), исключения воздействия изгибных деформаций на трубчатое изделие в процессе его изготовления, а также задачи, состоящей в расширении функциональных возможностей трубчатого изделия за счет возможности его нагрева.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающем подачу нитей композиционного материала в ванну для пропитки связующим, намотку на вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся возвратно-поступательно в аксиальном направлении оправку чередующихся слоев нитей поперечной и продольной ориентации, полимеризацию, перед подачей нитей композиционного материала в ванну для пропитки связующим производят осушку и подогрев нитей, а намотку осуществляют путем укладки на оправку последовательно: одного сплошного слоя нитей поперечной ориентации, одного слоя нитей продольной ориентации с одновременным прижатием каждой нити при укладке по всей ее длине нитями поперечной ориентации с равномерным шагом, равным 0,2-0,35 длины нитей продольной ориентации, одного или нескольких сплошных слоев нитей поперечной ориентации. При этом после укладки слоя нитей продольной ориентации с одновременным прижатием их нитями поперечной ориентации может производиться укладка слоя проволоки или ленты электронагревателя.

Также поставленная задача решается тем, что в устройстве для изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки, включающем узел подачи нитей композиционного материала, ванну со связующим, приспособления для намотки нитей поперечной и продольной ориентации, вращающуюся вокруг своей оси и перемещающуюся в аксиальном направлении оправку, механизм возвратно-поступательного перемещения оправки, камеру полимеризации, перед ванной со связующим установлен осушитель-подогреватель, а оправка выполнена составной из четного количества не менее 6 секторных планок, большее количество которых перемещается в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшее - в обратном направлении, при этом диаметрально противоположные секторные планки жестко соединены между собой, а механизм возвратно-поступательного перемещения оправки выполнен с возможностью обеспечения синхронного перемещения диаметрально противоположных секторных планок. Диаметрально противоположные секторные планки могут быть соединены между собой при помощи штифтов, оси которых смещены друг относительно друга в аксиальном направлении.

Осуществление осушки и подогрева нитей композиционного материала перед подачей их в ванну для пропитки связующим позволяет удалить влагу, равномерно пропитать и нанести равномерный слой связующего на нити композиционного материала за счет лучшей адгезии связующего, а также исключить растрескивание и коробление нитей, которые могут возникать из-за температурных деформаций, обусловленных разностью между температурами нитей и связующего, которое обычно находится в ванне в подогретом состоянии.

Предлагаемая последовательность намотки позволяет получить равномерную структуру трубчатого изделия за счет формирования на оправке первого сплошного слоя нитей поперечной ориентации, который является поддерживающим для последующей намотки слоя нитей продольной ориентации, укладываемого с одновременным прижатием каждой нити при укладке по всей ее длине нитями поперечной ориентации с равномерным шагом 0,2-0,35 длины нитей продольной ориентации. Такое прижатие устраняет возможное смещение нитей продольной ориентации при намотке, а выбор величины шага обусловлен тем, что технически невозможно осуществить прижатие сплошным слоем нитей поперечной ориентации по всей длине нитей продольной ориентации при их намотке (необходимо огромное число нитей поперечной ориентации, наматываемых одновременно), а оптимальное число нитей, обеспечивающих достаточное прижатие, как показали наши исследования, составляет 3-5 нитей по длине нитей продольной ориентации, т. е. длины "псевдоленты" (следовательно, шаг между нитями составляет 0,2-0,35 длины "псевдоленты"). Укладка последующих одного или нескольких сплошных слоев нитей поперечной ориентации позволяет получить необходимую толщину трубчатого изделия и выровнять его поверхность. Все отмеченное выше позволяет повысить качество зубчатого изделия из композиционного материала. Укладка слоя проволоки или ленты электронагревателя после укладки слоя нитей продольной ориентации с одновременным прижатием их нитями поперечной ориентации позволяет расширить функциональные возможности трубчатого изделия, например, использовать его для нагрева протекающей по нему среды.

В заявленном техническом решении, в части устройства, установка перед ванной со связующим осушителя-подогревателя позволяет получить описанные выше для способа преимущества, обусловленные осушкой и подогревом нитей композиционного материала, и повышение качества трубчатого изделия.

Выполнение оправки составной из четного количества не менее 6 секторных планок, большее количество которых перемещается в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшее

- в обратном направлении, при этой диаметрально противоположные секторные планки жестко соединены между собой, и выполнение механизма возвратно-поступательного перемещения оправки с возможностью обеспечения синхронного перемещения диаметрально противоположных секторных планок, обеспечивает равномерный сход с оправки и устранение дефектов формы трубчатого изделия за счет исключения воздействия на него изгибных деформаций, что имеет место при синхронном перемещении диаметрально противоположных секторных планок. Это также повышает качество трубчатого изделия.

Предлагаемые способ и устройство представляют собой единый изобретательский замысел, и только неразрывная совокупность признаков способа и устройства для его осуществления позволяет решить поставленную задачу. Действительно, только предлагаемая осушка и подогрев нитей композиционного материала перед ванной со связующим в сочетании с операциями, характеризующими выполнение намотки на оправку только предлагаемой конструкции, обеспечивающей синхронное перемещение диаметрально противоположных секторных планок, позволяет получить трубчатое изделие высокого качества, имеющее равномерное структуру и без дефектов формы.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для изготовления трубчатых изделий из композиционного материала методом намотки, на фиг.2, а, б, в, соответственно, - структура трубчатого изделия после укладки одного сплошного слоя нитей поперечной ориентации, после укладки одного слоя нитей продольной ориентации с одновременным прижатием каждой нити при укладке по всей ее длине нитями поперечной ориентации, после укладки окончательного сплошного слоя нитей поперечной ориентации.

Устройство содержит узел 1 подачи нитей композиционного материала, осушитель-подогреватель 2, ванну 3 со связующим, приспособление 4 для намотки сплошных слоев нитей поперечной ориентации, приспособление 5 для намотки нитей продольной ориентации, приспособление 6 для намотки нитей поперечной ориентации для прижатия нитей продольной ориентации, вращающуюся при помощи привода (не показан) оправку 7, выполненную составной из четного количества не менее 6 секторных планок 8. Механизм 9 возвратно-поступательного перемещения оправки, т. е. секторных планок 8 выполнен с возможностью обеспечения синхронного перемещения диаметрально противоположных секторных планок 8, которые жестко соединены между собой, например, при помощи штифтов 10, оси которых смещены друг относительно друга в аксиальном направлении (см. разрез А-А). Непосредственно после зоны намотки вокруг оправки 7 установлены нагреватели 11, выполненные, например, в виде электрических ламп накаливания или электронагревателей, которые фактически образуют камеру полимеризации, после которой размещено отрезное устройство 12.

Приспособления 4, 5, 6 для намотки нитей различной ориентации представляют собой известные технические решения, например вертлюг-обмотчик, каретка, шпуля с различными направляющими устройствами (см., например, а.с. СССР NN 352519, 394220, 1004133, 1229064 и т.д.), и подробно не раскрыты в материалах заявки.

Аналогичным образом не раскрыта и конструкция механизма 9 возвратно-поступательного перемещения оправки 7, обеспечивающего в каждый момент времени движение большего количества секторных планок 8 в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшего - в обратном направлении и синхронное перемещение жестко связанных между собой диаметрально противоположных секторных планок 8. Этот механизм также представляет собой известное техническое решение, например, копирная пара (см.например, а.с. СССР N 378327, 1229064 и т. д.), в которой копирная дорожка имеет симметричную форму, что обеспечивает требуемое движение секторных планок 8, или подающее спусковой механизм с пневмоприводом (см. патент РФ N 2091232, МПК⁶ B 29 C 53/64, 1997).

Предлагаемый способ изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Нити композиционного материала, например стеклонити, подаются из узла 1 (например, шпулярник) подачи нитей композиционного материала в ванну 3 со связующим. Перед ванной 3 производятся осушка и подогрев нитей композиционного материала в осушителе-подогревателе 2, который представляет собой блок электрических ламп накаливания или электронагревателей. В результате в ванну 3 поступают сухие нити с оптимальной температурой, как показали наши исследования, составляющей 70-80% от температуры связующего в ванне 3, что для стекла и связующего на основе эпоксидных смол составляет 50-60 градусов. В ванне 3 происходит равномерная пропитка нитей связующим при повышенной адгезии связующего и нитей и отсутствии их температурной деформации, которая имела место при подаче холодных нитей в ванну 3 с подогретым связующим. Из ванны 3 нити композиционного материала подаются (условно показано по одной нити, хотя на самом деле их может быть несколько) в приспособления 4, 5, 6 для намотки, соответственно, сплошных слоев нитей поперечной ориентации, нитей продольной ориентации и нитей поперечной ориентации для прижатия нитей продольной ориентации. Затем при помощи этих приспособлений производится намотка нитей на вращающуюся вокруг своей оси оправку 7, состоящую из четного количества не менее 6 секторных планок 8, большее количество которых перемещается в направлении схода трубчатого изделия с оправки, а меньшее - в обратном направлении. Такое перемещение жестко соединенных между собой диаметрально противоположных секторных планок 8 осуществляется при помощи механизма 9 возвратно-поступательного перемещения оправки. При этом сначала производится при помощи приспособления 4 намотка сплошного слоя нитей поперечной ориентации, т.е. таким образом, чтобы смежные нити соприкасались между собой (см. фиг.2а). Затем осуществляется укладка слоя нитей продольной ориентации при помощи приспособления 5 с одновременным прижатием каждой нити по всей ее длине нитями поперечной ориентации с равномерным шагом, равным 0,2-0,35 длины нитей продольной ориентации, поступающими из приспособления 6. Эта укладка производится таким образом, что в момент соприкосновения нити продольной ориентации в начале с оправкой 7 на нее накладывается одна нить поперечной ориентации, затем после укладки следующей части нити продольной ориентации (1/5 - 1/3 длины этой нити или длины "псевдоленты") накладывается следующая по длине оправки нить поперечной ориентации и т.д. до полной укладки слоя нитей продольной ориентации. Такая укладка возможна путем соответствующего подбора скоростей подачи нитей продольной ориентации и нитей поперечной ориентации для их прижатия. При такой укладке исключается смещение нитей продольной ориентации по периметру оправки 7 в процессе намотки, что обеспечивает получение равномерного слоя нитей продольной ориентации (см. фиг. 2б). Затем может производиться укладка слоя проволоки или ленты электронагревателя. В заключение осуществляется укладка одного или нескольких слоев нитей поперечной ориентации (см.фиг.2в). В процессе намотки трубчатое изделие перемещается по оправке 7 в направлении его схода и поступает в зону полимеризации, где при помощи нагревателей 11 происходит полимеризация композиционного материала. Отрезное устройство 12 производит отрезку готовых трубчатых изделий необходимой длины. В результате реализации предлагаемого способа изготовления трубчатых изделий из композиционных материалов методом намотки при помощи устройства для его осуществления получается высококачественное трубчатое изделие без дефектов формы и обладающее высокой прочностью.