Способ изготовления трубы с изгибом композиционных материалов
Владельцы патента RU 2731393:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Изобретение относится к области технологии изготовления труб с изгибами из композиционных материалов. Техническим результатом является исключение складок по меньшему радиусу изгиба и разрежения в зоне большого радиуса, а также простота исполнения и высокая технологичность. Технический результат достигается способом изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов, который включает изготовление преформы из армирующих волокон методом радиального плетения на оправку и формование пропиткой под давлением. При этом плетение преформы осуществляют на прямолинейную оправку с силиконовым вкладышем в зоне изгиба трубы с последующим извлечением из преформы прямолинейной оправки и вкладыша и установкой вовнутрь преформы эластичного герметичного рукава, изгибом преформы и ее укладкой в формообразующую оснастку. После этого проводят процесс формования пропиткой под давлением. 12 ил.
Изобретение относится к области технологии изготовления труб с изгибами из композиционных материалов применительно к фермам, рамам и трубопроводам транспортных средств.
Известен способ изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов методом выкладки армирующей ткани на оправку в виде изогнутой трубы с последующим формованием одним из термокомпрессионных или трансферных методов (Патент 2629487 Российская Федерация, МПК F16B 7/004; В32В 1/08, опубл. 29.08.2017, Способ изготовления фитинга из слоистого композиционного материала / Власов А.Ю., Обверткин И.В., Мартынов В.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «СибГАУ им. М.Ф. Решетнева»).
Недостатком способа является получение изделия низкого качества из-за невозможности извлечения оправки из готовой детали без ее разрушения или вымывания, нерегулярности схемы армирования, наличия наложения слоев армирующей ткани, что приводит к разнотолщинности трубы в зоне ее изгиба.
Известен способ изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов методом намотки на оправку в виде изогнутой трубы с последующим формованием (Патент 12448 Российская Федерация, МПК F16L 9/00, опубл. 10.01.2000, Изогнутое трубное колено (фитинг) /Поликша A.M., Дьяков С.П., Коколев Н.В., Горбацкий И.И., Вохмянин Д.Н., Муленков Б.П., Карелин В.А., Суровцев Г.Н., Винокуров П.А.; заявитель и патентообладатель ЗАО "Пласт").
Недостатком данного способа является невозможность извлечения оправки без разрушения, особенно при большой длине прямолинейных участков трубы, а также неравномерная плотность укладки армирующих волокон в зонах изгиба трубы, что влияет на качество изделия.
Известен способ изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов методом радиального плетения на оправку в виде изогнутой трубы с последующим формованием одним из трансферных методов (Patent US6276401B1 United States, Int. C1. F16L 55/18, High temperature composite pipe wrapping system/ inventors: Fred D. Wilson.; applicants: WIL-COR, INC. [US/US]; 2823 Randolph Pasadena, TX 77508, US.- Pub. No.: WO/2001/046612; International Application No.: PCT/US2000/034331; Publication Date: 28.06.2001; International Filing Date: 18.12.2000; Chapter 2 Demand Filed: 17.07.2001).
Недостатком данного способа является низкое качество изделия из-за большой разницы в густоте армирования волокнами в зонах с большим и малым радиусами изгиба трубы, а также из-за невозможности извлечения оправки без ее разрушения или необходимости сохранения внутри трубы неизвлекаемого лейнера, что приводит к утяжелению трубы.
Данный способ наиболее близок к заявляемому способу изготовления трубы с изгибом и принят за прототип.
Проблемой является создание технологии изготовления трубы с изгибом высокого качества из композиционных материалов для их использования в фермах, рамах и трубопроводах транспортных средств.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов равномерным распределением армирующих волокон в зонах с большим и малым радиусами изгиба трубы, а также облегчением способа извлечения оправки без ее разрушения.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов, включающем изготовление преформы из армирующих волокон методом радиального плетения на оправку и формование пропиткой под давлением, новым является то, что плетение преформы осуществляют на прямолинейную оправку с силиконовым вкладышем в зоне изгиба трубы с последующим извлечением из преформы прямолинейной оправки и вкладыша и установкой во внутрь преформы эластичного герметичного рукава, изгибом преформы и ее укладкой в формообразующую оснастку, после чего проводят процесс формования пропиткой под давлением.
Сущность изобретения показана на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Фиг. 1 - труба с изгибом из композиционного материала, где
Фиг. 1, а - вид справа, включает два длинномерных прямолинейных участка l1 и l2 и изогнутую зону l3,
Фиг. 1, б - вид спереди,
Фиг. 1, в - объемное изображение детали.
Здесь RB,RN,R0 - соответственно наименьший, наибольший радиусы в зоне изгиба и радиус по нейтральной оси изогнутой трубы.
l0 - длина дуги нейтральной оси;
l3 - длина дуги по наибольшему радиусу RN изгиба трубы;
l1, l2 - длины прямолинейных участков;
L - длина дуги по поверхности вкладыша 2.
На Фиг. 2 - этапы изготовления трубы с изгибом, где
Фиг.2, а - оправка с вкладышем, где 1 - оправка в виде стержня цилиндрической формы диаметром d; 2 - вкладыш, установленный на оправке в зоне планируемого изгиба. Длина дуги L его поверхности в вертикальном сечении равна длине дуги l3 трубы из композиционного материала в зоне максимального радиуса изгиба RN;
Фиг. 2, б - преформа 3 из армирующего волокна, сформированная радиальным плетением на оправке 1 и вкладыше 2;
Фиг. 2, в - продольное сечение оправки с преформой;
Фиг. 2, г - оправка с вкладышем и преформой в процессе извлечения оправки;
Фиг. 2, д - преформа композитной трубы 3 с установленным внутри нее герметичным рукавом 4;
Фиг. 2, е - преформа 3 и герметичный рукав 4 в изогнутом положении, соответствующем форме изогнутой трубы из композита; где G - зона преформы по большему радиусу изгиба RN, F - зона преформы по минимальному радиусу изгиба RB, Е - зона преформы на цилиндрическом участке;
Фиг. 2, ж - схема укладки армирующих волокон в зоне Е после их нанесения плетением на цилиндрическую оправку, соответствует Фиг. 2, б;
α0 - угол наклона волокон к продольной оси оправки; t0 - расстояние между условно выбранными узлами k1 и k2 пересечения волокон на схеме армирования.
Фиг. 2, з - схема укладки армирующих волокон в зоне F после изгиба преформы, где
αB - угол наклона волокон к оси оправки;
tB - расстояние между условно выбранными узлами k1 и k2 после изгиба.
Фиг. 2, и - преформа 3 вместе с герметичным рукавом 4, установленная в замкнутую формообразующую оснастку 5 для реализации формования методом RTM, где V, Р и Q - условное изображение подачи вакуума, связующего под давлением Р в преформу и избыточного давления газа Q в герметичный рукав соответственно.
Способ реализуют следующей последовательностью и содержанием операций.
На первом этапе на цилиндрическую поверхность прямолинейной оправки 1 накладывают силиконовый вкладыш 2 (Фиг. 2, а), затем наносят армирующее волокно методом радиального плетения. Получают преформу 3 (Фиг. 2, б и Фиг. 2, в).
Оправку 1 вытягивают вдоль оси прямолинейной преформы 3 (Фиг. 2, г) и удаляют вкладыш 2.
Затем во внутрь преформы устанавливают эластичный герметичный рукав 4 (Фиг. 2, д).
Преформу с рукавом изгибают до конфигурации, соответствующей изделию - труба с изгибом (Фиг. 2, е).
Процесс изгиба преформы без ее разрыва и разрежения укладки волокон в зоне G (Фиг. 2, е) обеспечивают за счет сформированного излишка материала при плетении на вкладыш 2. Схема укладки армирующего материала в зоне G будет близка к укладке в зоне Е.
При плетении на цилиндрическую оправку биаксиальную схему армирования волокнами (Фиг. 2, ж) характеризуют заданным углом α0 и расстоянием t0 между условно выбранными узловыми точками k1 и k2, которые принадлежат одним и тем же узлам переплетения лент на преформе до изгиба и после изгиба.
При изгибе в зоне F малого радиуса RB происходит сдвиговое смещение волокон (Фиг. 2, з). В результате смещения увеличивается угол армирования αB и соответственно уменьшается расстояние между точками k1 и k2.
За счет излишка армирующего материала в зоне G и смещения волокон в зоне F по радиусу внутренней поверхности трубы RB не возникает складок, а в целом по преформе сохраняется регулярная структура армирования.
На следующем этапе преформу 3 вместе с герметичным рукавом 4 устанавливают в формообразующую оснастку 5 (Фиг. 2, и), которая определяет форму изгиба трубы. Оснастка 5 имеет типовую конструктивную схему для формования методом RTM (пропитка в закрытой форме под давлением). Ее формообразующая поверхность соответствует трубе с изгибом. Для установки преформы и извлечения готовой детали оснастку выполняют разъемной.
После установки преформы 3 в герметичный рукав 4 подают избыточное давление Q. Из полости между герметичным рукавом 4 и формообразующей оснасткой откачивают воздух, создавая вакуум V. С другого конца преформы под избыточным давлением Р подают связующее.
После отверждения связующего трубу с изгибом извлекают из оснастки 5. Из ее внутренней полости удаляют герметичный рукав 4.
Предложенный способ характеризуется простотой исполнения и эффективной технологией изготовления. Изделие в виде трубы с изгибом из композиционного материала в результате изготовления данным способом имеет регулярную структуру армирования без складок по меньшему радиусу изгиба и разрежения в зоне большого радиуса.
Предложенный способ изготовления трубы с изгибом из композиционного материала позволяет получить изделие высокого качества за счет:
- увеличения объема армирующих волокон в зоне поверхности изгиба с большим радиусом и, как следствие, увеличение равномерности армирования в поверхности изгиба, получение регулярной структуры армирования без складок по меньшему радиусу;
- легкого извлечения оправки и вкладыша из преформы;
- легкого изгиба преформы до нужной конфигурации;
- увеличения производительности и упрощения операции плетения, так как плетение реализуется на прямолинейную оправку.
Способ изготовления трубы с изгибом из композиционных материалов, включающий изготовление преформы из армирующих волокон методом радиального плетения на оправку и формование пропиткой под давлением, отличающийся тем, что плетение преформы осуществляют на прямолинейную оправку с силиконовым вкладышем в зоне изгиба трубы с последующим извлечением из преформы прямолинейной оправки и вкладыша и установкой во внутрь преформы эластичного герметичного рукава, изгибом преформы и ее укладкой в формообразующую оснастку, после чего проводят процесс формования пропиткой под давлением.
