Способ изготовления деталей из композиционных материалов



Способ изготовления деталей из композиционных материалов
Способ изготовления деталей из композиционных материалов
Способ изготовления деталей из композиционных материалов

 


Владельцы патента RU 2516628:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к технологии изготовления деталей из композиционных материалов, а именно к обработке резанием армирующего каркаса из несвязанного армирующего материала до их пропитки связующим веществом и его отверждения. Задачей изобретения является повышение качества деталей из композиционных материалов. Согласно способу заготовку получают пропиткой временным связующим каркаса из армирующих элементов, затем заготовку охлаждают, после отверждения связующего проводят механическую обработку резанием полученной заготовки, после чего удаляют временное связующее и проводят все последующие этапы технологического процесса до получения готовой детали. В качестве временного связующего применяют воду. Отверждение заготовки осуществляют путем замораживания заготовки при температуре 77…253 K, а затем заготовку нагревают, поместив в форму, приближенную к конфигурации готовой детали и имеющую каналы для отвода временного связующего. 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к технологии изготовления деталей из композиционных материалов (КМ), а именно к обработке резанием армирующего каркаса из несвязанного армирующего материала до его пропитки связующим веществом и его отверждения.

Уровень техники

Известен способ изготовления деталей из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). На первом этапе производят укладку с помощью специальных приспособлений пространственного каркаса из полимеризованных углеродных волокон или стержней арматуры диаметром от 1,0 до 1,8 мм (фиг.1), а затем осуществляют пропитку каркаса связующим веществом. Связующее вещество при последующем затвердевании обеспечивает окончательное формирование детали (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с., с.94-95).

Проблема состоит в том, что форма каркаса заготовки, состоящего из не скрепленных, не связанных между собой волокон или стержней арматуры (наполнителя), до пропитки его связующим должна быть приближена к форме детали. Осуществление необходимого формообразования путем механической обработки такого каркаса резанием представляется невозможным. Кроме того, после формообразования необходимо обеспечить удержание формы каркаса в процессе выполнения последующих технологических операций до его окончательной пропитки связующим. Характерным дефектом обработки резанием КМ с волокнистыми наполнителями является образование на обработанной поверхности ворса из перерезанных волокон.

Известен способ обработки волокнистых композиционных материалов, заключающийся в том, что на обработанную поверхность заготовки наносят твердеющее технологическое покрытие, которое затем удаляют при повторном проходе инструмента в тот же размер (Авторское свидетельство СССР №839711, МПК B29C 17/10, опубл. 23.06.1981). Технологическое покрытие заполняет неровности обрабатываемой поверхности, после полимеризации обеспечивает хорошую адгезию с материалом заготовки и отдельных армирующих волокон. При последующем срезании технологического покрытия срезается и ворс, оставшийся от обработки заготовки до нанесения технологического покрытия.

Недостатком данного способа является то, что он позволяет обработать заготовку уже после полимеризации связующего. В то же время для создания наиболее благоприятных условий пропитки каркаса связующим и обеспечения высокого качества рабочих поверхностей детали, изготовленной из УУКМ, необходимо еще до пропитки каркаса придать ему форму, максимально приближенную к форме готовой детали, и исключить ворсистость наружных поверхностей.

Наиболее близким техническим решением является способ предварительного формования с охлаждением (Патент Японии №JP 4193507, МПК B29B 11/16, опубл. 13.07.1992). Заготовку (препрег) при предварительном формовании охлаждают и перемещают в охлажденном виде на последующие стадии технологического процесса. Это делают для того, чтобы заготовка сохраняла свою форму до последующего этапа технологического процесса.

Однако этот способ неприменим для изготовления деталей из УУКМ ввиду того, что каркас из не скрепленных между собой элементов еще не содержит связующего и из-за этого его охлаждение не имеет смысла.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение качества деталей из композиционных материалов за счет обеспечения возможности предварительной подготовки (формообразования) механической обработкой резанием каркаса, выполненного из не скрепленных между собой волокон, нитей, жгутов, стержней армирующего материала.

Задача решается тем, что в способе обработки композиционных материалов, заключающемся в охлаждении предварительно сформованной заготовки, заготовку получают пропиткой каркаса из несвязанных армирующих элементов временным связующим. Затем заготовку охлаждают, после отверждения проводят механическую обработку резанием полученной заготовки и затем удаляют временное связующее. После этого проводят все последующие этапы технологического процесса до получения готовой детали.

В качестве временного связующего преимущественно применяют воду (также в качестве временного связующего могут быть использованы парафин, сплав Вуда, некоторые виды пластмасс и другие составы, которые при определенных условиях могут затвердевать и при определенных условиях легко удаляться из каркаса).

Пропитанный каркас замораживают до температуры 77…253 K, производят механическую обработку, удаляют временное связующее путем нагревания заготовки. Нагревание производят при установке заготовки в форму, максимально приближенную к форме готовой детали.

Перечень фигур

На фиг.1 показан исходный каркас из армирующего материала; на фиг.2 - заготовки, полученные в результате обработки резанием и после удаления временного связующего; на фиг, 3 - готовая деталь после прохождения последующих стадий технологического процесса.

Осуществление изобретения

Формообразование каркаса методом резания перед пропиткой его основным связующим с применением изобретения осуществляют в несколько этапов:

1. Получение заготовки для обработки резанием - пропитка водой (временным связующим) исходного каркаса (фиг.1) из армирующего материала;

2. Замораживание пропитанного каркаса в криостате, заполненном жидким азотом (температура 77 K);

3. Проведение операций механической обработки резанием на обрабатывающем станке заготовки - замороженного пропитанного каркаса;

4. Промывка заготовок (заготовки) теплой водой (30…40°C) в форме;

5. Сушка в вакуумной печи (60…70°C).

Операции 4 и 5 проводят, поместив заготовку в специальную форму, приближенную к конфигурации готовой детали. Это делают для того, чтобы при удалении временного связующего не произошло деформации (изменения формы) заготовки. Для ускорения процесса удаления связующего такую форму выполняют пористой и имеющей каналы для отвода временного связующего.

Диапазон температур 77…253 K (-196…-20°C) определяется техническими возможностями современной холодильной и криогенной техники. Как показывают экспериментальные исследования, замораживание заготовки с помощью жидкого азота (77°K) обеспечивает возможность выполнения достаточно длительной технологической операции обработки резанием (до 20-25 мин) с обеспечением высокого качества обработанной поверхности. В процессе обработки резанием под действием температуры резания и окружающей среды температура поверхностного слоя заготовки постоянно растет, что изменяет физико-механические свойства связующего, приводит к ухудшению связи волокон или стержней наполнителя со связующим (льдом). В результате при температуре выше 253 K (-20°C) качество обработанной резанием поверхности заготовки падает.

Для подтверждения этого были проведены эксперименты. Определение верхнего значения температуры замораживания определяли при обработке заготовок диаметром 100 мм и длиной 140 мм с внутренним отверстием диаметром 40 мм. Заготовки замораживались в морозильной камере при фиксированных температурах: минус 5, 10, 15 и 20°C. Замороженные заготовки устанавливались в трехкулачковый патрон токарного станка мод. 1К62 (вспомогательное время приблизительно 3 мин) и подвергались обработке (ν=0,42 v/c, S0=0,2 мм/об) - удалению припуска 10 мм на сторону за 2 прохода. Было установлено, что в процессе резания заготовок, замороженных при температурах - 5, - 10 и - 15°C, на обработанных поверхностях формируется дефектный слой материала - образуются локальные вырывы, отслоения чешуек связующего, наблюдается расслоение и образование ворсистости наполнителя, что является недопустимым для качественных деталей из КМ. При этом происходит таяние связующего в поверхностном слое заготовки и ослабление закрепления ее в патроне. При обработке заготовки, замороженной при - 20°C, первый проход - удаление слоя 5 мм - показал удовлетворительные результаты по качеству обработки, а при втором проходе на обработанной поверхности проявляются дефекты, которые наблюдались при обработке заготовок, замороженных при более высоких температурах. Это объясняется действием относительно высокой температуры окружающей среды и выделением тепла в зоне резания, вызывающим в результате таяния льда потерю жесткой связи связующего с наполнителем. На основании результатов экспериментов был сделан вывод о том, что верхней температурной границей замораживания заготовок для механической обработки в обычных условиях производства (температура воздуха 20°C) является температура - 20°C (253 K), при которой время обработки составляет примерно 6-7 мин.

После предварительной механической обработки заготовки (фиг.2) выполняют все последующие стадии технологического процесса, включая пропитку основным связующим с последующим его отверждением, карбонизацию, графитизацию, окончательную механическую обработку резанием с обеспечением заданных чертежом размеров детали и т.д. до получения готовой детали (фиг.3).

Способ изготовления деталей из композиционных материалов, заключающийся в охлаждении предварительно сформованной заготовки, отличающийся тем, что заготовку получают пропиткой временным связующим каркаса из армирующих элементов, затем заготовку охлаждают, после отверждения связующего проводят механическую обработку резанием полученной заготовки, после чего удаляют временное связующее и проводят все последующие этапы технологического процесса до получения готовой детали, причем в качестве временного связующего применяют воду, отверждение заготовки осуществляют путем замораживания заготовки при температуре 77…253 K, а затем заготовку нагревают, поместив в форму, приближенную к конфигурации готовой детали и имеющую каналы для отвода временного связующего.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области высокомолекулярных соединений. .

Изобретение относится к технологии изготовления композиционных материалов, а именно получения предварительно пропитанного наполнителя для последующего формования изделий методом "сухой", "мокрой" намотки или горячего прессования, и может использоваться на предприятиях аэрокосмической и машиностроительной отраслей при создании и эксплуатации высоконагруженных изделий и конструкций из углеродопластиков.

Изобретение относится к способу изготовления лопатки для газотурбинного двигателя. Согласно способу улучшают видимость обрезанных концов некоторых нитей этой предварительно изготовленной формы, например, нитей основы, для того, чтобы сделать видимыми кривые линии, и сравнивают конфигурацию этих кривых линий с их эталонной конфигурацией для удовлетворительного формирования этой предварительно изготавливаемой формы.

Изобретение относится к фасонной детали и к способу ее изготовления. Согласно способу полую фасонную деталь получают трехмерным тканьем и пропиткой.

Изобретение относится к способу изготовления полуфабриката из волокнистого композиционного материала (ВКМ) из ламината с двумя слоями препрега и устройству для его осуществления.

Заявленное изобретение относится к заготовке, предназначенной для формирования полого конструктивного механического элемента. Заготовка содержит центральную главную часть, образующую среднюю плоскость и проходящую, по существу, вдоль главной оси, находящейся в средней плоскости, и две боковые части, выступающие, по существу, вдоль средней плоскости вдоль дополнительной оси, которая, по существу, перпендикулярна к главной оси.

Изобретение относится к способу изготовления направляющей лопатки, к направляющей лопатке из композиционного материала и к турбомашине, включающей в себя по меньшей мере одну направляющую лопатку.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления детали с полым корпусом из композитного материала и к детали, изготовленной этим способом. Техническим результатом является повышение качества изготовления деталей с полым корпусом из композитного материала.

Изобретение относится к области машиностроения и касается способа изготовления корпусных деталей из композиционных материалов и композиционной окантовки иллюминатора, полученной таким способом.
Изобретение относится к области высокопрочных композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих, которые могут быть использованы в авиационной промышленности, в машиностроении и других областях техники.

Изобретение относится к волокнистой заготовке для создания конического кожуха, усиленному волокнами композитному элементу, содержащему такую волокнистую заготовку, композитному элементу, а также к способу формирования волокнистой заготовки. Волокнистая заготовка для создания конического кожуха содержит нити или волокна основы и утка, переплетенные между собой и формирующие непрерывную плоскую спиральную ткань, которая имеет форму Архимедовой спирали и собрана или свернута с формированием структуры конического кожуха. Технический результат - получение заготовок с равномерной прочностью и жесткостью, с равномерным распределением волокон в окружном и осевом направлениях, любого размера, с наименьшими потерями материала ткани, с использованием цельной ткани, чтобы минимизировать количество частей и снизить производственные работы. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений относится к трехмерной тканой заготовке, к усиленному волокнами композитному материалу, к способу формирования трехмерной тканой заготовки, к способу формирования усиленного волокнами композитного материала. Трехмерная тканая заготовка содержит ткани с расположенной в заданном направлении основой. Ткани с расположенной в заданном направлении основой содержат часть без вытачек и часть с вытачками. Части с вытачками указанных тканей с расположенной в заданном направлении основой соединены друг с другом с получением непрерывного волокна в окружном и радиальном направлениях всех частей указанной заготовки. Изобретение обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к укладке волокнистых материалов и способу ее получения. Укладка содержит по меньшей мере два слоя однонаправленных углеродных волокон, идущих в разных направлениях, в которой каждый однонаправленный слой соединен на по меньшей мере одной своей поверхности с прилегающим слоем нетканого материала из термопластичных волокон, причем между двумя последовательными слоями однонаправленных углеродных волокон предусмотрен по меньшей мере один слой нетканого материала из термопластичных волокон. Связь между каждым однонаправленным слоем и каждым слоем нетканого материала, прилегающим к нему, обеспечивается благодаря указанному слою нетканого материала, посредством сварных точек, приводящим к прерывистой сварке. Указанные сварные точки обеспечивают также когезию укладки, при этом по меньшей мере одна сварная точка содержит перфорации, формирующие каналы для диффузии смолы и идущие в толщу укладки из волокнистых материалов поперек слоев укладки. Обеспечиваются повышение механических свойств и драпируемости, отсутствие микротрещин. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил., 5 табл.

Группа изобретений раскрывает трехмерную тканую заготовку, усиленный волокнами композитный материал, содержащий эту заготовку, и способ их изготовления. Тканая заготовка содержит один или более слоев ткани с расположенной в заданном направлении основой. Часть ткани с расположенной в заданном направлении основой вдавливают в пресс-форму для формирования выступа. Заготовка содержит выступ и соединительный выступ на корпусе. Корпус и вертикальный выступ сплетены за одно целое, таким образом образуя непрерывное волокно по всей заготовке. Одна часть ткани с расположенной в заданном направлении основой содержит растягиваемые углеродные волокна в направлении основы, а другая содержит обычные углеродные волокна. Ткань с расположенной в заданном направлении основой может быть выткана на ткацком станке, оборудованном дифференциальным механизмом натяжения. Ткань с расположенной в заданном направлении основой может быть одно- или многослойной тканью. Заготовка или композитный материал могут быть частью иллюминаторной рамы летательного аппарата. Технический результат, достигаемый при использовании объектов по изобретениям, заключается в том, чтобы формировать трехмерную заготовку, имеющую уменьшенный вес и/или улучшенные эксплуатационные показатели, а также полное переплетение различных частей структуры. 5 н. и 35 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов с низкой объемной плотностью, в частности углерод-полимерных композитов на основе многомерно-упорядоченного углеволокнистого каркаса и полимерной матрицы. Способ изготовления объемно армированного композиционного материала включает изготовление армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением термореактивной смолой, а затем полимеризацию смолы. Армирующий каркас выполнен трехмерным и составлен из стержней диаметром 0,8-0,9 мм. Пропитка термореактивной смолой осуществляется методом инфузии в три этапа: вакуумирование до подачи связующего от 20 до 30 мин, подача связующего под вакуумом от 30 до 40 мин со скоростью 0,35 л/мин, промежуточная выдержка под вакуумом от 20 до 40 мин. Изобретение обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий. 2 табл.
Наверх