Способ изготовления сотовых заполнителей для трехслойных конструкций

 

Сущность изобретения: способ изготовления сотовых заполнителей для трехслойных конструкций включает нарезание лент, ширина которых равна ширине грани ячейки сотового заполнителя, располагая их по всей его ширине с шагом, равным двум ширинам смежных граней ячеек сотового заполнителя, неразъемное соединение упомянутых лент с полотном материала, которое передают на мерные плоские заготовки с последующим профилированием заготовок по форме ячеек и соединением профилированных отрезков материала между собой непосредственно по плоскостям соприкосновения или через промежуточный плоский элемент до получения сотового блока необходимого размера. При этом профилирование заготовок осуществляют изгибанием их по предварительно выполненным по кромкам лент углублениям или отверстиям так, чтобы образовались гофры по форме ячеек или части ячеек с вершинами одинарной толщины и боковыми сторонами двойной толщины. Соединение профилированных отрезков друг с другом осуществляют по вершинам полученных гофров. 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к способам изготовления сотовых заполнителей для трехслойных панелей и оболочек, применяемых в разнообразных отраслях промышленности (мебельной, строительной, судостроительной, авиационной, ракетно-космической и других), в частности к способам изготовления сотового заполнителя с различными ячейками и максимальными механическими характеристиками.

Сотовый заполнитель является одной из основных деталей трехслойных панелей и оболочек при изготовлении легких и прочных элементов конструкций, таких как мебельные и строительные панели, доски виндсерфинга, корпуса яхт и палубные надстройки судов и тому подобное. Он выступает в качестве сердечника, к которому присоединяются обшивки и элементы окантовок готовых панелей и оболочек /1/.

Уровень техники. Известен способ изготовления сотового заполнителя /2/ стр. 128-140, выбранный в качестве аналога. По этому способу ленту металлической фольги гофрируют, пропуская между двумя шестеренками. При этом гофры образуют половину контура шестигранной ячейки. После этого по шаблону в гофрированной ленте пробивают сборочные отверстия. На плоские склеиваемые поверхности гофров наносят клей, подсушивают его до "отлипа" и собирают гофрированные ленты в блок по сборочным отверстиям, насаживая на специальные штыри. Набрав блок необходимого размера, его поджимают с помощью болтов и помещают в воздушную нагревательную печь для склеивания. Готовый сотовый блок разрезают на брусья необходимой высоты (толщины) для их последующего соединения в панели необходимого размера. В готовом сотовом блоке шестиугольные ячейки имеют две склеенные между собой грани двойной толщины и четыре грани одинарной толщины.

Недостатки известного способа состоят в следующем.

а) Сотовый заполнитель может быть изготовлен только с ячейкой шестигранной формы.

б) Сотовый заполнитель не может быть изготовлен сваркой или пайкой.

в) Не обеспечивается изготовление сотового заполнителя с максимальными механическими характеристиками. Это происходит потому, что грани ячеек имеют различную толщину и разрушение происходит раньше всего по самым тонким граням.

г) Не обеспечивается изготовление сотовых заполнителей из неметаллических материалов.

д) Не обеспечивается изготовление сотовых блоков цилиндрической формы.

Известен способ изготовления сотовых заполнителей /3/, выбранный в качестве прототипа. Он основан на методе склеивания и заключается в профилировании лент материала по форме ячеек с помощью гребенок со стержнями, выполняющими роль оправок. Профилирование осуществляют размещением лент материала в промежутках и по наружным плоскостям стержней-оправок. Профилированные ленты материала соединяют между собой непосредственно по плоскостям соприкосновения или через промежуточные плоские ленты. Концы лент скрепляют друг с другом с образованием окантовки сотового блока и его вырезов. Указанным способом изготавливают сотовые заполнители с ячейками треугольной, четырехугольной, пятиугольной, шестиугольной и восьмиугольной форм. Кроме того, в одном блоке могут быть выполнены ячейки различной формы с расположением по плоскости сотового блока в соответствии с заданным рисунком. В сотовых заполнителях, изготавливаемых известным способом, ячейки имеют как грани двойной, так и одинарной толщины.

Недостатки известного способа состоят в следующем.

а) Сотовый заполнитель не может быть изготовлен сваркой.

б) Не обеспечивается изготовление сотового заполнителя с максимальными механическими характеристиками.

в) Не обеспечивается изготовление сотовых заполнителей в виде блоков цилиндрической формы.

Сущность изобретения. Цели изобретения.

Изготовление сотовых заполнителей с треугольной, четырехугольной, пятиугольной и шестиугольной ячейками, у которых все грани имеют одинаковую двойную толщину, а сотовый заполнитель имеет максимальные механические характеристики.

Изготовление сотовых заполнителей в виде блоков плоской и цилиндрической формы.

Изготовление сотовых заполнителей с помощью сварки, пайки и склеивания.

Применение толстолистовых материалов для изготовления сотовых заполнителей.

Использование известного оборудования для изготовления новых конструкций сотовых заполнителей.

Поставленные цели достигаются тем, что в способе изготовления сотового заполнителя, заключающемся в нарезании полотна материала на мерные плоские заготовки, в профилировании заготовок по форме ячеек, соединения профилированных отрезков материала между собой непосредственно по плоскостям соприкосновения или через промежуточный плоский элемент до получения сотового блока необходимого размера, согласно изобретению перед нарезанием полотна материала на мерные плоские заготовки нарезают ленты, ширина которых равна ширине грани ячейки сотового заполнителя и неразъемно соединяют упомянутые ленты с полотном материала, располагая их по всей его ширине с шагом, равным двум ширинам смежных граней ячеек сотового заполнителя, по кромкам лент полотно материала перфорируют отверстиями или выполняют углубления в виде борозды, полотно с лентами нарезают на мерные листы необходимых размеров, после чего листы профилируют по форме ячеек, для этого изгибают по предварительно выполненным углублениям или отверстиям так, чтобы образовались гофры по форме ячеек или части ячеек с вершинами одинарной толщины и образованными прикрепленными лентами боковыми сторонами двойной толщины, по вершинам полученных гофров профилированные листы соединяют друг с другом до получения сотового блока заданных размеров. Мерные плоские заготовки изготовляют в виде мерных листов. Кроме того, для достижения частной цели изготовления сотового заполнителя из неметаллических материалов в виде блока цилиндрической формы, мерные плоские заготовки изготовляют в виде полос, ширина которых равна высоте ячейки сотового заполнителя в цилиндрическом блоке, полученных за счет разрезки мерных листов в направлении, перпендикулярном осям прикрепленных лент. При этом получают плоский сотовый блок заданных размеров, который затем пропитывают затвердевающим продуктом, удаляют с граней ячеек его излишки и выкладывают сотовый блок на цилиндрическую оправку с заданным радиусом кривизны, отверждение сотового блока производят на оправке с поджатием его внутренней поверхности к наружной поверхности оправки. При этом сотовый заполнитель, изготовленный с участием промежуточных плоских элементов в виде полос материала, располагают на цилиндрической оправке так, чтобы плоские полосы были направлены вдоль образующих цилиндра. Для достижения второй частной цели, которая заключается в изготовлении сотового заполнителя с максимальным и практически одинаковыми механическими характеристиками в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых расположено вдоль оси ячеек, а два других расположены в плоскости сотового блока, с дополнительным усилением вдоль рядов ячеек, мерные плоские заготовки материала с прикрепленными к ним лентами профилируют с образованием гофров в виде равностороннего треугольника и соединяют между собой с помощью клея или припоя через промежуточный плоский лист так, чтобы вершины гофров одного профилированного листа располагались напротив вершин гофров смежных профилированных листов. Наконец, для достижения третьей частной цели, которая заключается в изготовлении сотового заполнителя с максимальными механическими характеристиками в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых расположено вдоль оси ячеек, а два других совпадают с направлением рядов ячеек, мерные плоские заготовки материала с прикрепленными к ним лентам профилируют с образованием прямоугольных гофров и соединяют между собой с помощью сварки, пайки или склеивания через промежуточный плоский лист так, чтобы вершины гофров одного профилированного листа располагались напротив впадин гофров смежных профилированных листов, при этом получают ячейки прямоугольной формы, каждая из которых располагается в двух взаимно перпендикулярных рядах ячеек сотового заполнителя.

На фиг. 1 изображен процесс прикрепления лент к полотну материала и пробивки отверстий; на фиг. 2 мерный лист материала; на фиг. 3 - профилированный мерный лист материала; на фиг. 4 укладка первого профилированного листа на штыри нижней гребенки; на фиг. 5 укладка второго профилированного листа на штыри верхней гребенки и соединение двух профилированных листов с помощью точечной сварки; на фиг. 6 процесс одевания замкнутых ячеек сотового заполнителя на штыри нижней гребенки; на фиг. 7 - укладка третьего профилированного листа на штыри верхней гребенки и соединение его со вторым листом с помощью точечной сварки; на фиг. 8 процесс одевания верхних замкнутых ячеек сотового заполнителя на штыри нижней гребенки; на фиг. 9 разрезка сотового блока на пластины; на фиг. 10 разрезка мерного листа на полосы; на фиг. 11 сотовый заполнитель с прямоугольными ячейками, расположенными в рядах, смещенных друг относительно друга на половину шага ячеек; на фиг. 12 сотовый заполнитель с пятиугольными ячейками; на фиг 13 - сотовый заполнитель с треугольными ячейками; на фиг. 4 сотовый заполнитель с четырехугольными ячейками, расположенными в двух взаимно перпендикулярных рядах; на фиг. 15 выкладка сотового блока на цилиндрическую оправку; на фиг. 16 сотовый заполнитель с треугольными ячейками, изготовленный с помощью плоских листов.

На фиг. 1 16 обозначено: 1 лента, 2 сварная точка 3 полотно материала, 4 отверстия перфорации, 5 мерный лист материала, 6- лист профилированный, 7 штырь нижней гребенки, 8 штырь верхней гребенки, 9 - штырь нажимной гребенки, 10 сварочная головка, 11 сотовый блок, 12 сотовая пластина, 13 полоса, 14 оправка цилиндрическая, 15 плоский лист или лента.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения. Рассмотрим изготовление конкретного блока сотового заполнителя, например, с самыми распространенными во всем мире ячейками шестигранной формы. В качестве материала заполнителя выберем фольгу из стали марки ЭП35 / 1 стр.12/ толщиной 0,06 мм. Изготовление сотового блока будем производить методом точечной сварки, например, на промышленной установке /2 рис. 5.7 стр. 136/, предназначенной для изготовления сотовых заполнителей методом склеивания. Пусть сторона шестигранной ячейки сотового заполнителя будет равна 6,0 мм.

Изготовление начинают с разрезки рулона стальной фольги на ленты шириной 6^-0,3 мм и сматывания их на бобины. После этого эти ленты 1 с помощью точечной сварки 2 прикрепляют к полотну материала 3 (из той же стали марки ЭП35) фиг. 1. Излишки лент, выходящие за пределы полотна материала обрезают. Ленты на полотне располагают строго перпендикулярно его базовой кромке на расстоянии друг от друга, равном ширине смежной грани сотового заполнителя. Шаг лент равен сумме двух ширин смежных граней ячейки и составляет 12^+0,1 мм. Далее вдоль кромок ленты в непосредственной близости от них пробивают отверстия 4 диаметром 0,2 0,3 мм, либо продавливают канавку шириной 0,1 0,3 мм без нарушения целостности материала полотна. От полотна 3 с прикрепленными к нему лентами 1 отрезают мерные листы 5 материала. Один из них показан на фиг. 2. Мерные листы 5 материала профилируют, то есть гофрируют. Гофрирование производят путем сгиба по перфорации с образованием гофров в виде половины правильного шестигранника фиг. 3. Вершины гофров представляют собой плоскости одинарной толщины, боковые стороны гофров имеют двойную толщину. После изготовления необходимого количества профилированных листов 6 фиг. 3 приступают к изготовлению сотового заполнителя. Следует отметить, что описанные выше операции по подготовке заготовок для изготовления сотового заполнителя чрезвычайно просты и легко могут быть автоматизированы.

На фиг. 4 8 изображены последовательность изготовления сотового заполнителя, например, на установке /2/ рис. 5.7 стр. 136, которую дооснащают сварочной головкой (может быть переносная ручная) и прижимной гребенкой с прижимными штырями. В начале на штыри 7 нижней гребенки установки накладывают профилированный лист материала фиг. 4 так, что он как бы висит на них, опираясь наружными плоскостями гофров на верхние плоскости штырей 7. Далее на штыри 8 верхней гребенки укладывают второй профилированный лист 6 материала фиг. 5. Его фиксируют штырями 9 нажимной гребенки. По плоскостям контакта первого и второго профилированных листов 6 их соединяют между собой точечной сваркой с помощью сварочной головки 10 фиг. 5. Таким образом получена первая группа замкнутых ячеек шестигранной формы. Штыри 7 нижней гребенки в данной операции выступают также и в качестве электродов для осуществления контактной сварки. Первую группу замкнутых ячеек переносят на штыри 7 нижней гребенки фиг. 6. Для этого штыри 9 нажимной гребенки и сварочную головку отводят в сторону, соединенные между собой гофрированные листы 6 снимают (вынимают) с верхней и нижней гребенки и надевают замкнутыми ячейками на штыри 7 нижней гребенки. На штыри 8 верхней гребенки укладывают третий профилированный лист 6 материала фиг. 7, фиксируют его штырями 9 нажимной гребенки и по плоскостям контакта со вторым профилированным листом с помощью сварочной головки 10 их неразъемно соединяют друг с другом точечной сваркой. Таким образом получена вторая группа замкнутых ячеек фиг. 7. Вторую группу замкнутых ячеек переносят на штыри 7 нижней гребенки фиг. 8. Для этого штыри 9 нажимной гребенки и сварочную головку отводят в сторону, полученный кусок сотового заполнителя снимают со штырей 7, 8 обеих гребенок установки и надевают верхние замкнутые ячейки на штыри 7 нижней гребенки. И так, соединяя последующие гофрированные листы 6 с предыдущими и перемещая полученные группы замкнутых ячеек на штыри 7 нижней гребенки, набирают сотовый заполнитель необходимых размеров. Его ширина соответствует ширине гребенок, высота ячеек соответствует длине штырей гребенок, а длина может быть неограниченной. Полученный блок 11 сотового заполнителя фиг. 9 разрезают на пластины 12 необходимой толщины для использования в трехслойных сотовых конструкциях.

Следует заметить, что полученный сотовый блок 11 не может быть больших размеров по ширине, так как эти размеры ограничены возможностью и размерами существующего режущего инструмента. На практике эта ширина не выходит за пределы 400 мм. Если необходимы сотовые пластины большей ширины, то их выполняют из полос с прикрепленными к ним лентами. Полосы 13 фиг. 10 вырезают из мерных листов 5. Их ширина равна ширине сотовой пластины с припуском, при необходимости, для обработки. Полосы гофрируют и затем изготавливают сотовую пластину необходимых размеров.

Если рассмотренный выше сотовый заполнитель необходимо изготовить из тканей, то производство может быть организовано как на промышленной установке, описание которой приведено в монографии /2/ рис. 4.8 стр. 90, так и на установке, описанной в патенте /3/. В обоих случаях профилирование лент происходит в самих установках на их гребенках.

На упомянутых выше установках можно изготовить сотовые заполнители и с другой конфигурацией ячеек: с прямоугольной (квадратной) фиг. 11, пятиугольной фиг. 12, треугольной фиг. 13 и прямоугольной (квадратной) фиг. 14. С этой целью мерные листы 6 изготавливают с гофрами соответствующих размеров и конфигурации. При этом если сотовые заполнители с прямоугольной, пятиугольной и шестиугольной ячейками можно изготавливать на установках типа тех, что рассмотрены в книге /2/, методом сварки, пайки или склеиивания, то сотовые заполнители с треугольной ячейкой могут быть изготовлены только методом склеивания или пайки на установках, подобных той, что приведена в патенте /3/.

Все сказанное выше относилось к сотовым заполнителям в виде блоков, которые имеют форму прямоугольного плоского бруса. Если необходимо изготовить сотовый блок цилиндрической формы, то его в настоящее время получают изгибом плоского сотового блока /2/ стр. 203 205 рис. 5.72. Однако в этом случае ячейки сильно деформируются, материал заполнителя получает начальные напряжения, в результате чего механические характеристики такого заполнителя могут снизиться на 30% Особенно сильно могут пострадать заполнители из неметаллических материалов, пропитанные затвердевающими продуктами, так как органические смолы растрескиваются, а ткани или бумаги сами по себе обладают весьма низкими механическими характеристиками. Такая ситуация при изгибе сотовых блоков экспериментально подтверждена, например, в работе В.И. Афанасенко (Исследование прочности и жесткости сотовых заполнителей, формируемых из гофрированных лент, журн. Механика композитных материалов. - Рига, 1988 6 стр. 985 990). Для того, чтобы избежать снижения механических характеристик, предложен способ изготовления цилиндрических сотовых блоков из неметаллических материалов. Он заключается в следующем. Изготавливается сотовый блок необходимых размеров с ячейками любой из форм, изображенных на фиг. 9, 11 14. Изготовление производится с использованием полос 13, вырезанных из мерных листов 5 фиг. 10. Ширина полос равна высоте ячейки сотового блока. Изготовленный плоский сотовый блок пропитывается затвердевающим продуктом. После того, как излишки этого продукта будут удалены с поверхностью граней сот, сотовый блок выкладывают на цилиндрическую оправку 14 фиг. 15. Он ее облегает практически без видимого искажения формы ячеек. Это происходит по многим причинам. Главные из них, по мнению авторов, следующие. При облегании сырая ткань имеет возможность приспособить форму ячейки под кривизну оправки благодаря относительному смещению нитей, компенсации допусков в размерах граней ячеек, которые неизбежны при изготовлении, и некоторому распрямлению или уменьшению радиусов закруглений, которые также неизбежно возникают в процессе изготовления сотового блока. При отвержденном продукте эти процессы произойти не могут и приходится насильственно искажать форму ячеек с разрушением части связующего состава. Перечисленные малые деформации в сыром (неотвержденном) сотовом заполнителе оказываются достаточными для придания ему цилиндрической формы без искажения формы ячеек и снижения механических характеристик. Эксперименты показывают, что предложенным способом можно изготавливать цилиндрические оболочки диаметром 250 300 мм с сотовым заполнителем, имеющим даже прямоугольную (квадратную) форму ячеек фиг. 14 с размером стороны 5,5 мм. Такие трубы известными способами, да еще с прямоугольной формой ячеек сотового заполнителя, не получал еще никто в мире. При этом сотовый заполнитель фиг. 14 на оправке был ориентирован так, чтобы ленты 15 были направлены вдоль образующих цилиндрической оправки. Выложенный сырой сотовый блок "приматывают" к оправке органическими нитями или полосами пленки и отверждают на оправке. После отверждения его освобождают от пленки или нитей, снимают с оправки и передают на участок изготовления панелей или оболочек. Отвержденный блок имеет цилиндрическую форму заданного радиуса. Таким способом могут быть изготовлены сотовые блоки и других форм, например, конические, сферические, параболические и другие, но с применением сотовых блоков, имеющих ячейки, показанные на фиг. 9, 11 и 12.

Для изготовления сотового заполнителя с максимальными механическими характеристиками в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадает с направлением осей ячеек, а два других расположены в плоскости сотового блока, с дополнительным усилием вдоль ряда ячеек, его изготавливают с треугольными ячейками фиг. 16. Для этого мерные листы материала 5 с прикрепленными к ним лентами 1 профилируют с образованием гофров в виде равностороннего треугольника. Гофрированные листы 6 соединяют друг с другом через плоские промежуточные листы 15 фиг. 16. При этом вершины гофров одного профилированного листа располагают строго напротив вершины гофров смежных профилированных листов. Образуется так называемый квазиизотропный материал с дополнительным усилием вдоль плоских лент (вдоль рядов ячеек). Такой сотовый заполнитель предназначен для трехслойных конструкций, работающих в тяжело нагруженных сооружениях.

Если необходимо изготовить сотовый заполнитель с максимальными механическими характеристиками в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых расположено вдоль оси ячеек, а два других совпадают с направлениями рядов ячеек, то сотовый заполнитель изготавливают с ячейками в виде прямоугольника (квадрата) фиг. 14. Такая конструкция заполнителя хорошо работает в панелях при изгибе и продольном сжатии. В цилиндрических оболочках такой заполнитель существенно повышает их несущую способность и значительно увеличивает критическое напряжение потери устойчивости по сравнению с оболочками, в которых используется известный сотовый заполнитель.

Эффективность применения предлагаемого способа изготовления сотовых заполнителей заключается в следующем.

Он гарантирует повышение механических характеристик не менее, чем в два раза.

Он обеспечивает изготовление как плоских, так и цилиндрических сотовых блоков.

Он обеспечивает изготовление сотовых заполнителей из толстолистовых и жестких материалов.

Он обеспечивает изготовление сотовых заполнителей тремя методами: сваркой, пайкой и склеиванием, Он может быть реализован на существующих установках может быть с незначительной модернизацией последних.

Перечисленные отличия в настоящее время не имеют мировых аналогов и легко могут быть использованы в любой отрасли промышленности.

Формула изобретения

1. Способ изготовления сотовых заполнителей для трехслойных конструкций, включающий нарезание полотна материала на мерные плоские заготовки с последующим профилированием заготовок по форме ячеек и соединением профилированных отрезков материала между собой непосредственно по плоскостям соприкосновения или через промежуточный плоский элемент до получения сотового блока необходимого размера, отличающийся тем, что перед нарезанием полотна материала на мерные плоские заготовки, нарезают ленты, ширина которых равна ширине грани ячейки сотового заполнителя, и неразъемно соединяют упомянутые ленты с полотном материала, располагая их по всей его ширине с шагом, равным двум ширинам смежных граней ячеек сотового заполнителя, по кромкам лент полотно материала перфорируют отверстиями или выполняют углубления в виде борозды, при этом профилирование плоских заготовок осуществляют изгибанием их по предварительно выполненным углублениям или отверстиям так, чтобы образовались гофры по форме ячеек или части ячеек с вершинами одинарной толщины и образованными прикрепленными лентами боковыми сторонами двойной толщины, причем соединение профилированных отрезков друг с другом осуществляют по вершинами полученных гофров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мерные плоские заготовки изготовляют в виде мерных листов или в виде полос, ширина которых равна высоте ячейки сотового заполнителя в сотовом блоке, полученных за счет разрезания мерных листов в направлении, перпендикулярном осям прикрепленных лент.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при изготовлении мерных плоских заготовок в виде полос получают плоский сотовый блок заданных размеров, который пропитывают затвердевающим продуктом для фиксации формы и размеров ячеек и придания необходимых механических характеристик, удаляют с граней ячеек его излишки и выкладывают сотовый блок на цилиндрическую оправку с заданным радиусом кривизны, при этом отверждение сотового блока производят на оправке с поджатием его внутренней поверхности к наружной поверхности оправки.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при использовании промежуточного плоского элемента его изготовляют в виде плоской полосы, при этом сотовый заполнитель располагают на цилиндрической оправке так, чтобы плоские полосы были направлены вдоль образующих цилиндра.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мерные плоские заготовки с прикрепленными к ним лентами профилируют с образованием гофров в виде равностороннего треугольника и соединяют между собой с помощью клея или припоя через промежуточный плоский элемент так, чтобы вершины гофров одного профилированного листа располагались напротив вершин гофров смежных профилированных листов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мерные плоские заготовки с прикрепленными к ним лентами профилируют с образованием прямоугольных гофров и соединяют между собой с помощью сварки, или пайки, или склеивания через промежуточный плоский элемент так, чтобы вершины гофров одного профилированного листа располагались напротив впадин гофров смежных профилированных листов, при этом получают ячейки прямоугольной формы, каждая из которых располагается в двух взаимно перпендикулярных рядах ячеек сотового заполнителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16