8.6.4.Формование намоткой

Формование изделий намоткой наиболее современный и перспективный метод формования изделий из АП, так как позволяет создавать ориентируемую структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Высокая прочность изделий, полученных намоткой, достигается благодаря ориентированной укладке наполнителя и, как следствие, реализуются высокие прочностные свойства наполнителя в изделии.

Детали, изготавливаемые методом намотки, как правило, должны иметь форму тел вращения. В сочетании с другими приемами этим методом можно получать детали, не имеющие форму тел вращения, например, детали коробчатой формы, пластины и плиты, заготовки рабочих и статорных лопаток и даже панелей крыла.

Наибольшее применение метод намотки нашел в ракетной технике и авиации для формирования корпусов ракет и ракетных двигателей, а также элементов фюзеляжей самолетов и вертолетов.

Детали формуют с помощью технологической системы, состоящей из намоточного станка, технологической оправки для формования детали, приспособления для раскладки материала, материала из длинномерных армирующих волокон и полимерного связующего.

Давление формования создается в результате технологического натяжения наматываемого материала.

Оборудование для намотки можно разделить на две группы: машины периодического действия, которые предназначены в основном для формования оболочек самых различных форм, и машины непрерывного действия для производства труб.

а б в

Рис. 8.4. Типы намотанных станков: а – с возвратно-поступательным движением раскладчика; б – с вращением раскладчика; в – с неподвижным раскладчиком и оправкой, вращающейся в двух плоскостях

Наиболее просты по устройству станки (рис. 8.4, а) с вращающейся оправкой 1 и возвратно-поступательно движущимся раскладчиком 2, с которого наполнитель подается на оправку.

В станках планетарного типа (рис. 8.4, б) раскладчик вращается в плоскости, составляющей небольшой угол с осью оправки. На таких установках оправки вращаются в основном с малыми скоростями. Наконец, станки третьей группы, применяемые для формования небольших изделий, имеют оправку, вращающуюся в двух плоскостях (рис. 8.4, в). В этом случае раскладчик неподвижен.

Формование деталей методом намотки обладает рядом преимуществ перед другими методами: высокий коэффициент использования прочности и жесткости армирующих волокон, возможность механизации и автоматизации процесса, хорошая воспроизводимость свойств деталей.

В зависимости от способа нанесения полимерного связующего на армирующий наполнитель различаются два способа намотки: мокрый (жидкофазный) и сухой (твердофазный).

Мокрый метод позволяет совместить операцию приготовления АП с техпроцессом изготовления изделия. По этому способу непрерывный волокнистый наполнитель поступает в ванну с жидким связующим, пропитывается им, а потом укладывается на оправку по заданной программе. Достоинством метода является большая степень достигаемой анизотропии. Ограничение – скорость намотки определяется скоростью пропитки, а недостатком является неоднородность распределения наполнителя и связующего по толщине изделия (3 – 4 %).

Сухой метод предполагает намотку заранее пропитанного полимерным связующим армирующего наполнителя (препрега). Этот метод более прогрессивен и технологичен. Достоинства метода – более однородное распределение связующего и наполнителя по толщине (1 %), возможность применения больших скоростей намотки, использование связующих с высокой вязкостью. Недостатки – повреждение волокон на промежуточных операциях приготовления препрега и ограниченная длина лент препрега.

В зависимости от структуры наматываемого слоя армирующего наполнителя различают поперечную (кольцевую) и спиральную намотки.

Поперечная намотка характеризуется укладкой армирующего наполнителя вокруг оправки с шагом смещения вдоль оси на каждый оборот не свыше ширины наматываемой пряди. Кольцевая намотка является наиболее простым методом и не требует сложного оборудования. Пропитанные нити в виде одинарной пряди или множества прядей накладывают на оправку под углом 90 к оси вращения оправки. Кольцевая намотка применяется для усиления тонкостенных металлических труб или баллонов в тангенциальном направлении. Изделия имеют высокую прочность в тангенциальном (окружном) направлении и низкую в осевом направлении.

Способ спиральной намотки характеризуется шагом смещения траектории укладываемого наполнителя на каждый оборот оправки свыше ширины наматываемой пряди.

Как правило, шаг намотки многократно превышает ширину пряди. Необходимое соотношение прочности изделия в осевом и окружном направлениях обеспечивается назначением соответствующего угла намотки. Способ позволяет изготавливать изделия типа труб, цилиндров с овальными днищами, шаровых оболочек, конусов, торов.

Для намотки изделий из АП используются специальные или модернизированные токарные станки. В зависимости от технологического варианта намотки кинематическое исполнение станков подразделяется на два типа: токарное и планетарное.

Формование и отверждение, а иногда и механическая доработка изделий выполняются на оправках, которые должны удовлетворять конструкторско-технологическим требованиям: точность размеров изделий, прочность оправки, механическая извлекаемость изделия, возможность установки нагревателя в оправке.

Оправки многократного использования выпоняются из стали или сплавов алюминия. Для большинства изделий конструкция оправки разборная. Для фасонных изделий и оболочек крупных размеров экономически оправданным бывает изготовление оправок однократного использования из гипса, алебастра, солей, легкоплавких сплавов. Единственно возможным условием изготовления ряда изделий замкнутого контура является использование расплавляемой или растворяемой внутри него оправки. В некоторых случаях оправка не извлекается и образует совместно с намотанным материалом единое изделие.