Способ формования изделий из композиционного материала

 

Использование: изобретение относится к технологии изготовления слоистых изделий из композиционного материала. Сущность изобретения: изделие формуют по частям в одной матрице из термоактивного материала, изменяющей размеры формообразующей полости в зависимости от температуры. Сначала в форме изготовляют оправку из самовспенивающегося материала. Затем ее извлекают, на оправку укладывают силовой набор и сборку отверждают в той же форме при температуре, меньшей температуры вспенивания материала оправки. 6 ил.

Изобретение относится к технологии переработки композиционных материалов и может быть использовано при изготовлении различных корпусных деталей и оболочек замкнутого и незамкнутого контура.

Известен способ формования изделий из композиционных материалов с использованием материы из упругого термоактивного материала, имеющей внутреннюю полость, эквидистантно увеличенную по отношению к готовому изделию, заключающийся в формовании изделия из материала, расположенного в полости [1] Существенным недостатком известного решения является сложность технологического процесса получения готового изделия, так как требуется увеличенное количество оснастки, а также низкое качество части изделий, обусловленное некачественной пропрессовкой силового набора композита.

Известен способ формирования изделий из композиционного материала/ включающий предварительное изготовление в форме оправки из вспенивающегося материала/ ее охлаждение и извлечение из формы/ последующую выкладку силового набора композита на оправку, прессование сборки и извлечение готового изделия [2] Известный способ также сложен и требует различной оснастки для формования частей изделия и изделия целиком. Для исключения указанного недостатка в способе формования изделий из композиционного материала, включающем предварительное изготовление в форме оправки из вспенивающегося материала, ее охлаждение и извлечение из формы, последующую выкладку силового набора композита на оправку, прессование сборки и извлечение готового изделия, согласно изобретению изготовление оправки и прессование силового набора осуществляют в одной форме из термоактивного материала, размеры формообразующей полости которой изменяются под действием температуры, при этом отверждение силового набора производят при температуре, более низкой чем температура вспенивания оправки.

На фиг. 1 изображена технологическая оснастка, вид в аксонометрии; на фиг. 2 то же, поперечное сечение; на фиг. 3 то же, стадия формования оправки, поперечное сечение; на фиг. 4 оправка с выложенным силовым набором, поперечное сечение; на фиг. 5 то же, в матрице, стадия формования изделия, поперечное сечение; на фиг. 6 готовое изделие, поперечное сечение.

Технологическая оснастка включает матрицу 1 из двух или более частей, заключенную в жесткий ограничительный объем из двух дек 2 и обечаек 3.

Матрица 1 имеет полость, заполненную самовспенивающимся материалом, который в отвержденном состоянии образует оправку 4 (фиг. 3). На оправке 4 расположен силовой набор 5 композита (фиг. 4), который обжат до заданного контура 6 (фиг. 5 и 6).

На чертежах обозначены также: а и в максимальные размеры поперечного сечения: а^* и в^* размеры прямоугольного сечения, образованного деками 2 и обечайками 3; а₁ и в₁ линейные размеры наружного обвода оправки 4; δ₁ толщина силового набора композита в неопрессованном состоянии (фиг. 4); а₂ и в₂ (фиг. 5 и 6) наружные размеры поперечного сечения изделия в результате температурной деформации матрицы 1; δ₂ толщина силового набора композита при обжатии его до заданного контура 6 (фиг. 5 и 6).

Способ осуществляется следующим образом.

При исходной температуре (в рабочем помещении) в матрицу 1, выполненную из упругого термоактивного материала (например, композиции на основе кремнеорганических каучуков), расширяющегося при нагревании с большим коэффициентом линейного расширения, помещают термовспенивающийся гранулированный материал (например, ПСВ, ФК-20 и т. п.).

Внутренняя формующая поверхность матрицы 1 эквидистантно увеличена к готовому изделию в каждом поперечном сечении (а и в линейные размеры сечения на фиг. 2).

Матрицу 1 помещают в жесткий ограничительный объем, состоящий из двух (или более) дек 2 и обечаек 3, а затем осуществляют нагревание до температуры вспенивания гранулированного материала. При этом матрица 1, подвергаясь термической деформации в замкнутом объеме, уменьшает линейные размеры наружного обвода оправки 4 до величин а₁ и в₁, меньших чем размеры а и в на величину термодеформации матрицы 1.

После охлаждения и отверждения материала оправка 4 извлекается из матрицы 1. Оправка 4 имеет наружную поверхность, эквидистантно уменьшенную по сравнению с обводом готового изделия на величину, равную толщине δ₂ опрессованного силового набора 5.

На извлеченную жесткую оправку 4 наносят известными способами выкладки, намотки, напыления и т. п. силовой набор 5 композита (армирующий материал, пропитанный связующим компонентом) в "сыром", т. е. неотвержденном виде. Оправка 4 с выложенным силовым набором композита укладывается в ту же матрицу 1, причем ее увеличенное сечение (по сравнению с поверхностью изделия) позволяет беспрепятственно поместить в нее оправку с выложенным, но еще не опрессованным пакетом композита, т. е. имеющим большую толщину δ₁ чем в готовом изделии.

Далее матрица 1 с оправкой 4 и силовым набором 5 композита вновь помещается в замкнутый ограничительный объем из двух или более дек 2 и обечаек 3 и нагревается до температуры отверждения связующего. Вследствие термического расширения в замкнутом объеме внутренняя поверхность матрицы 1 принимает форму, соответствующую наружному обводу изделия, одновременно опрессовывая силовой набор 5 до толщины δ₂. Температура, до которой нагревается матрица, в этом случае должна быть ниже чем при формовании оправки 4 с целью исключить ее расплавление. По окончанию прессования силового набора 5 готовое изделие извлекают из матрицы.

Ниже приводится конкретный пример формования изделия (теннисной ракетки) в соответствии с предлагаемым способом.

Сначала из упругого терморасширяющегося материала изготавливается матрица 1, состоящая из двух половин, разделенных в плоскости симметрии изделия (ракетки), и имеющая полость с внутренней формующей поверхностью, эквидистантно увеличенной по отношению к готовому изделию в каждом поперечном сечении (минимальные размеры сечения а и в на фиг. 2). Матрица 1 заключена в жесткий ограниченный объем, состоящий из двух дек 2 и обечаек 3, образующих прямоугольное сечение с размерами а^* и в^*(фиг. 2). В качестве материала матрицы 1 был использован герметик марки У2-28. В полости матрицы 1 формуется оправка 4 из самовспенивающегося материала ФК-20. Температура формования оправки 4 составляет t₁ ≈ 150.160^оС. После охлаждения оправка 4 извлекается из матрицы 1, при этом наружный обвод оправки 4 имеет линейные размеры а₁ и в₁, меньшие чем размеры а и в на величину термодеформации матрицы 1, заключенной в жесткий объем (фиг. 2, 3 и 4). Затем на оправку 4 послойно выкладывают известными методами выкладки или намотки силовой набор 5 композита в "сыром виде", имеющий толщину δ₁ в неопрессованном состоянии (фиг. 4). В качестве композита были использованы стеклолента, угольная ровница и эпоксидное связующее горячего отверждения (марки КДА). Оправка 4 с силовым набором 5 композита вновь помещается в полость матрицы 1 и заключается в жесткий объем, образованный деками 2 и обечайками 3. Формование изделия (теннисной ракетки) осуществляется при температуре t₁ниже чем t₁(t₂ ≃ 130.140^оС). В состав силового набора 5 композита входит связующий компонент (КДа), обеспечивающий при t₂ монолитность всей композиции. Наружные размеры сечения изделия принимают необходимые значения а₂ и в₂ (фиг. 5 и 6) вследствие температурной деформации матрицы 1, при этом силовой набор 5 композита обжимается до заданного контура 6 и принимает толщину δ₂ (фиг. 6). После охлаждения готовое изделие извлекается из матрицы 1. Использование упругого материала для матрицы 1 позволяет свободно извлекать изделие, имеющее сложный контур в поперечных сечениях, не расчленяя матрицу на много элементов.

Таким образом, при формовании изделий изобретение обеспечивает управление их наружными размерами при помощи температуры, до которой нагревается матрица; первоначальный зазор между контактирующей поверхностью матрицы и обводном изделии компенсируется термическим расширением матрицы в процессе формования.

Изобретение позволяет упростить технологический процесс формования изделий, поскольку используется одна матрица в течение всего процесса, а также повысить качество изделий за счет более качественной пропрессовки силового набора композита.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий предварительное изготовление в форме оправки из вспенивающегося материала, ее охлаждение и извлечение из формы, последующую выкладку силового набора композита на оправку, прессование сборки и извлечение готового изделия, отличающийся тем, что изготовление оправки и прессование силового набора осуществляют в одной форме из термоактивного материала, размеры формообразующей полости которой изменяются под действием температуры, при этом отверждение силового набора производят при температуре более низкой, чем температура вспенивания оправки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6