Оснастка для формирования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала
Владельцы патента RU 2678025:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") (RU)
Изобретение относится к области изготовления профилированных ферменных конструкций из композиционного волокнистого материала и может быть использовано в авиационной и космической технике. Оснастка для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала содержит основание, на верхней поверхности которого выполнена формующая канавка, а снизу выполнены точечные опоры. При этом непрерывный маршрут формующей канавки представляет собой вложенные друг в друга два или более витка. В местах усиления профилированной ферменной конструкции витки соприкасаются друг с другом. На верхней поверхности основания установлена крышка с формующей поверхностью, закрывающей формующую канавку. Формующая поверхность крышки и формующая канавка основания образуют формующий канал для укладки композиционного волокнистого материала. Формующий канал имеет одинаковую по периметру толщину δ стенки. Изобретение обеспечивает создание оснастки для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности. 8 ил.
Изобретение относится к области изготовления профилированных ферменных конструкций из композиционного волокнистого материала и может быть использовано в авиационной и космической технике.
Известна «Оснастка для формования деталей из полимерного композиционного материала» по патенту РФ на изобретение №2404203, включающая опорную систему и формующую поверхность, при этом опорная система состоит из набора продольных стенок, и связанных поперечными стенками, а формующая поверхность установлена на опорной системе с помощью точечных опор-фиксаторов, расположенных на концах поперечных стенок, принимающих форму изнаночной стороны формующей поверхности и компенсирующих ее погрешности.
Недостатком известного устройства по патенту РФ на изобретение №2404203 является отсутствие возможности формования профилированных ферменных конструкций из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности. Так как установленная на опорную систему формующая поверхность не обеспечивает равномерного подвода тепла по периметру наружной поверхности композиционного волокнистого материала при его отверждении, что приводит к короблениям и поводкам профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала после ее снятия с формующей поверхности.
Известен «Способ изготовления профилированной ферменной конструкции из волокнистого композиционного материала» по патенту РФ на изобретение №2544067, включающий верхний и нижний обводы и соединяющие их стоечные элементы с усилениями в зоне соединения, заключающийся в том, что пропитанный связующим волокнистый материал выкладывают в канавки технологической оснастки, формирующие профилированную ферменную конструкцию, пропуская пропитанный связующим волокнистый материал расчетное количество раз через каждый конструкционный элемент ферменной конструкции, отверждают пропитанный связующим волокнистый материал и извлекают из оснастки готовую профилированную ферменную конструкцию, при этом пропитанный связующим волокнистый материал выкладывают в канавки технологической оснастки по маршрутам, исключающим образование острых углов при переходах волокнистого материала из обвода к стоечному элементу и наоборот.
Недостатком известного «Способа изготовления профилированной ферменной конструкции из волокнистого композиционного материала» по патенту РФ на изобретение №№2544067 является отсутствие возможности формования профилированных ферменных конструкций из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности. Так как отсутствует операция прессования в канавках технологической оснастки пропущенного расчетное количество раз через каждый конструкционный элемент ферменной конструкции волокнистого материала, пропитанного связующим, что приводит к короблениям и поводкам отвержденной профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала после ее извлечения из технологической оснастки.
Известен «Кессон крыла, армированный полимерным композиционным материалом» по патенту РФ на изобретение №2549043, принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий наружный жесткий силовой объемный каркас, образованный передним и задним лонжеронами и нервюрами, и внешнюю обшивку, образующую аэродинамический контур и закрепленную на наружной поверхности каркаса, при этом он имеет внутренний объемный силовой каркас, набранный из отдельных, поперечно расположенных относительно лонжеронов, сетчатых силовых блоков, заполняющих пространство внутри наружного каркаса и закрепленных на лонжеронах.
Недостатком известного «Кессона крыла, армированного полимерным композиционным материалом» по патенту РФ на изобретение №2549043 является отсутствие возможности формования профилированных ферменных конструкций из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности. Так как внутренний объемный силовой каркас состоит из большого числа элементов (различных лонжеронов, сетчатых силовых блоков), что приводит к большим погрешностям при его сборке.
Перед заявляемым изобретением поставлена задача создания оснастки для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности.
Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что оснастка для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала содержит основание, на верхней поверхности которого выполнена формующая канавка, а снизу выполнены точечные опоры, при этом непрерывный маршрут формующей канавки представляет собой вложенные друг в друга два или более витка, в местах усиления профилированной ферменной конструкции витки соприкасаются друг с другом, на верхней поверхности основания установлена крышка с формующей поверхностью, закрывающей формующую канавку, формующая поверхность крышки и формующая канавка основания образуют формующий канал для укладки композиционного волокнистого материала, формующий канал имеет одинаковую по периметру толщину 8 стенки.
Заявленное изобретение отличается от известного «Способа изготовления профилированной ферменной конструкции из волокнистого композиционного материала» по патенту РФ на изобретение №№2544067 тем, что непрерывный маршрут формующей канавки представляет собой вложенные друг в друга два или более витка, в местах усиления профилированной ферменной конструкции витки соприкасаются друг с другом, на верхней поверхности основания установлена крышка с формующей поверхностью, закрывающей формующую канавку, формующая поверхность крышки и формующая канавка основания образуют формующий канал для укладки композиционного волокнистого материала, формующий канал имеет одинаковую по периметру толщину 8 стенки.
Указанное отличие позволило получить технический результат, а именно, обеспечило создание оснастки для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности.
На фиг. 1 представлено аксонометрическое изображение оснастки для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала.
На фиг. 2 представлен вид сверху на оснастку для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала.
На фиг. 3 представлен разрез А-А устройства (фиг. 2).
На фиг. 4 представлено аксонометрическое изображение основания.
На фиг. 5 представлен вид сверху на основание.
На фиг. 6 представлена профилированная ферменная конструкция из композиционного волокнистого материала.
На фиг. 7 представлен разрез Б-Б профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала (фиг. 6).
На фиг. 8 представлено аксонометрическое изображение профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала.
Оснастка для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала (фиг. 1-8) содержит основание 1 (фиг. 4, 5), на верхней поверхности 2 которого выполнена формующая канавка 3, а снизу выполнены точечные опоры 4, при этом непрерывный маршрут 5 формующей канавки 3 представляет собой вложенные друг в друга два или более витка 6, в местах усиления 7 профилированной ферменной конструкции 8 витки 6 соприкасаются друг с другом, на верхней поверхности 2 основания 1 установлена крышка 9 с формующей поверхностью 10, закрывающей формующую канавку 3, формующая поверхность 10 крышки 9 и формующая канавка 3 основания 1 образуют формующий канал 11 для укладки композиционного волокнистого материала 12 (фиг 6-8), формующий канал 11 имеет одинаковую по периметру 13 толщину δ стенки 14.
Оснастка для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала работает следующим образом. Детали оснастки основание 1 и крышку 9 изготавливают из хорошо проводящего тепло материала, например, металла. Композиционный волокнистый материал представляет собой непрерывную волокнистую арматуру, например, углеродные волокна, распределенную в полимерной матрице, например, в эпоксидной матрице. Полимерная матрица образуется на этапе отверждения жидкого связующего, которым перед выкладкой в формующую канавку 3 основания 1 пропитывают непрерывную волокнистую арматуру. Для получения профилированной ферменной конструкции 8 с максимальными прочностными свойствами необходимо, чтобы волокнистая арматура была непрерывной, то есть ее длина должна быть равна длине маршрута 5. Перед выкладкой композиционного волокнистого материала 12 формующую канавку 3 основания 1 и формующую поверхность 10 крышки 9 обезжиривают ацетоном, а затем обрабатывают антиадгезионным составом, например, на основе воска. Таким образом, по периметру 13 стенки 14 формующего канала 11 покрыты антиадгезионным составом. Пропитанный связующим композиционный волокнистый материал 12 укладывают в формующую канавку 3 основания 1 по непрерывному маршруту 5. Укладку композиционного волокнистого материала 12 осуществляют последовательно по вложенным друг друга виткам 6 от начала и до конца маршрута 5. В местах усиления 7 профилированной ферменной конструкции 8 витки 6 соприкасаются друг с другом. В местах усиления 7 композиционный волокнистый материал 12 наружного витка 6 контактирует с композиционным волокнистым материалом 12 внутреннего витка 6. После завершения укладки композиционного волокнистого материала 12 в формующую канавку 3 на основание 1 устанавливают крышку 9 с формующей поверхностью 10. Формующая поверхность 10 закрывает формующую канавку 3 и контактирует с композиционным волокнистым материалом 12 (фиг. 3). Осуществляют прессование композиционного волокнистого материала 12 придавливанием крышки 9 к поверхности 2 основания 1. Композиционный волокнистый материал 12 уплотняется и принимает форму формующего канала 11, образованного формующей поверхностью 10 крышки 9 и формующей канавкой 3 основания 1. Оснастку со спрессованным в ней композиционным волокнистым материалом 12 помещают в печь, где при определенной температуре происходит процесс отверждения связующего и образования полимерной матрицы. Наличие точечных опор 4 снизу основания 1 обеспечивает беспрепятственную циркуляцию потоков горячего воздуха вокруг формующего канала 11. Расположенный в формующем канале 11 композиционный волокнистый материал 12 равномерно нагревается со всех сторон, так как формующий канал 11 имеет одинаковую по периметру 13 толщину δ стенки 14. В случае несложной формы профилированной ферменной конструкции 8 одинаковую по периметру 13 толщину δ стенки 14 в основании 1 и крышке 9 получают механической обработкой, например, фрезерованием, а в случае сложной формы - послойным синтезом на 3D-принтере. Равномерный нагрев композиционного волокнистого материала 12 при отверждении связующего обеспечивает минимальные внутренние напряжения в профилированной ферменной конструкции 8. После окончания отверждения связующего оснастку извлекают из печи и охлаждают до комнатной температуры. Расположенная в формующем канале 11 профилированная ферменная конструкция 8 равномерно охлаждается со всех сторон, так как формующий канал 11 имеет одинаковую по периметру 13 толщину δ стенки 14. Равномерное охлаждение профилированной ферменной конструкции 8 обеспечивает минимальные внутренние напряжения в ней. После охлаждения снимают крышку 9 и извлекают из формующей канавки 3 основания 1 профилированную ферменную конструкцию 8 (фиг. 6-8).
Неравномерность нагрева и охлаждения профилированной ферменной конструкции 8 приводит к возникновению значительных внутренних напряжений в ней. Наличие значительных внутренних напряжений приводит к короблению - изменению формы изделия. Обеспеченный оснасткой равномерный нагрев и охлаждение профилированной ферменной конструкции 8 позволяет существенно уменьшить внутренние напряжения в ней, а следовательно, повысить точность ее геометрических форм.
Изобретение позволило получить технический результат, а именно, обеспечило создание оснастки для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала с геометрическими формами высокой точности.
Оснастка для формования профилированной ферменной конструкции из композиционного волокнистого материала, содержащая основание, на верхней поверхности которого выполнена формующая канавка, а снизу выполнены точечные опоры, отличающаяся тем, что непрерывный маршрут формующей канавки представляет собой вложенные друг в друга два или более витка, в местах усиления профилированной ферменной конструкции витки соприкасаются друг с другом, на верхней поверхности основания установлена крышка с формующей поверхностью, закрывающей формующую канавку, формующая поверхность крышки и формующая канавка основания образуют формующий канал для укладки композиционного волокнистого материала, формующий канал имеет одинаковую по периметру толщину δ стенки.
