Введение в композиционные материалы

 

 

Главная

Раздел 38. Формование изделий из полимерных композитов (ПКМ)

 

Содержание

Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

Формы для формования деталей

Цулаги, вакуум-чехлы и дренажи

Формующий инструмент

Оправки для намотки

Формирование

Ручная выкладка

Нанесение покрытия напылением

Процессы упругого формования конструкций

Метод вакуумного формования

Метод автоклавного упругого формования

Метод пресс-камерного формования

Методы жесткого формования

Компрессионное формование с помощью жесткой цулаги

Метод жесткого формования в замкнутых формах

Намотка волокном

Плетение

Пултрузия

Плетельно-пултрузионный процесс

Ролтрузия

Вопросы для самопроверки

 

Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

Формы для формования деталей

В практике производства изделий из композитов используются два типа форм: негативные и позитивные. Первые обеспечивают получение изделий с гладкой с более точной внешней поверхностью, а позитивные позволяют изготовлять изделия с гладкой и точной внутренней поверх­ностью. В негативных формах изготовляют детали с хорошим внешним видом и аэродинамическими качествами. Зато формы позитивного типа во многих случаях оказываются более удобными для формования.

Оснастка для формования деталей выполняется из стали, сплавов алюминия, дерева, гипса, цемента, стеклопластика или комбинации этих материалов. Формы изготовляют макетным или безмакетным спо­собом. При макетном используется специальная модель, поверхности которой воспроизводятся при изготовлении формы контактным спосо­бом. Формообразование рабочих поверхностей формы при безмакет­ном методе осуществляется либо с помощью специальных шаблонов, либо механической обработкой.

Металлические формы применяют, главным образом, при исполь­зовании высоких давлений формования, например, при автоклавном и пресс-камерном методах формования. Металлические формы дорогие, имеют большой вес и очень трудоемки в изготовлении, поэтому они применяются в исключительных случаях. Следует отметить, что сталь­ные рабочие поверхности имеют лучшие эксплуатационные качества, более износостойки и долговечны, имеют меньшее температурное рас­ширение, чем из легких сплавов алюминия.

На стальных поверхностях легче получить высокую чистоту обра­ботки. Поэтому целесообразно формы изготовлять из гипса или цемен­та, а рабочие поверхности облицовывать листовым металлом. В еди­ничном и опытном производстве формы часто изготовляют из дерева. Несмотря на экономичность такого использования, применение дерева ограничивается зависимостью геометрии и размеров деревянных форм от влажности и температуры атмосферы. Рабочие поверхности деревянной оснастки покрывают нитрошпаклевкой, шлифуют и затем окра­шивают с помощью пульверизатора нитрокраской темного цвета. После сушки в течение 10-12 час. при температуре 18-22°С покрашенные по­верхности полируют полировочной пастой. В мелкосерийном и серий­ном производстве для увеличения срока службы деревянных моделей их рабочие поверхности футеруют стеклопластиком. Толщина облицо­вочного стеклопластикового слоя должна быть порядка 5-10 мм. Рас­пространение получили также стеклопластиковые формы, изготовляе­мые по макету (рис. 1).

 

Рис. 1. Макетный способ изготовления негативной формы:

1 - макет (модель); 2 - стеклопластиковая облицовка; 3 - каркас

 

Для повышения жесткости стеклопластиковых форм и придания им высоких эксплуатационных качеств применяются металлические карка­сы, сваренные из уголков или труб, пластмассовые каркасы, склеенные из стеклопластиковых труб или швеллеров, и сплошные или полые ос­нования (станины), отливаемые из цемента, смолопесчаной массы и алебастра Особенно широко для изготовления форм применяется гипс, алебастр, например, для производства форм многоразового действия и для изготовления разрушаемых форм одноразового действия. В произ­водстве крупногабаритных деталей сложной геометрии после формова­ния возникают трудности извлечения или снятия готового изделия с формы. Для того, чтобы сделать возможным демонтаж изделия, форма выполняется разборной или разрушаемой.

Разборные формы являются оснасткой многоразового использова­ния, но технологические возможности ее ограничиваются способностью формования не очень сложных внутренних поверхностей, да и сама разборная оснастка сложна по конструкции, дорога и менее точна.

Для формования сложных замкнутых полостей и внутренних эле­ментов единственно возможными являются разрушаемые формы одно­разового использования. В практике производства крупногабаритных изделий для этих целей используют гипсовые формы, болванки и оп­равки. В качестве конструкционного материала применяют медицинский гипс.

При сложной конфигурации формующих поверхностей, затрудняю­щих демонтаж макета без разрушения гипсовой формы, последняя из­готовляется сборной из нескольких простых частей. Для изготовления средних и крупных форм, а также оснований (станин) металлических и стеклопластиковых форм вместо гипса может применяться песчаная формовочная масса. Точность размеров и геометрических форм долж­на быть не ниже точности соответствующих размеров формуемых из­делий.

Цулаги, вакуум-чехлы и дренажи

Чтобы обеспечить высокую точность и качество поверхностей формуемых оболочек, не соприкасающихся с рабочими поверхностями форм, используют легкие оболочки обратного профиля - цулаги. Цулага должна быть жесткой, прочной, не коробиться под действием усилий формования и температурного расширения материала. Вместе с тем, она должна быть легкой и удобной в обращении. Поэтому на практике используются металлические тонкостенные и стеклопластиковые цула­ги. Точность размеров и геометрия рабочей поверхности цулаги опре­деляется точностью соответствующих поверхностей формуемых дета­лей. Толщина стенок металлической оболочки цулаги, изготовленной из алюминиевого сплава, составляет 2,5-5 мм. При очень больших габари­тах для увеличения жесткости цулага подкрепляется стрингерношпан-гоутным набором. Стеклопластиковые цулаги имеют толщину 2-5 мм и при необходимости усиливаются ребрами жесткости.

Вакуумные чехлы для упругого формования изделий изготовляют из термостойкой резины, а также из прорезиненной баллонной ткани. Лист резины или баллонной ткани раскраивается по форме изделия и склеивается клеем. В полученный таким образом вакуумный чехол мон­тируется штуцер для подключения к вакуумному насосу. Дренажные слои изготовляют из стеклоткани и полисилоксановой резины. Резину нарезают небольшими кусочками и заливают бензином на 12 часов. Со­став резиновой смеси: резина - 100, бензин - 400-500 вес. Полученным раствором пропитывают стеклоткань. После этого прорезиненную дренажную ткань подвергают термообработке при температуре 120-160°С в течение 5-6 час.

Формующий инструмент

Основной инструмент при формовании изделий из композитов - малярные кисти, с помощью которых наносится связующее, катки для уплотнения арматуры и удаления воздуха и избытка связующего (рис. 2) и ножи для раскроя арматуры.

Рис. 2. Катки для уплотнения пропитанного материала

Оправки для намотки

Для получения цилиндрических и конических изделий с открытым торцом можно применять полые и сплошные оправки из стали или алюминия. При намотке изделий заодно с торцовой крышкой, например, сосудов высокого давления, особое внимание должно быть уделено конструкции оправки и выбору материала для нее. При правильно вы­бранной конструкции значительно снижаются повреждения волокон и отклонения размеров детали, уменьшаются остаточные напряжения. Оправка должна сохранять достаточную прочность при отверждении связующего при повышенных температурах и легко удаляться после отверждения. Основные принципы конструирования оправок и выбора материалов для них заключаются в учете следующих факторов:

1. Состоящая из отдельных частей разборная конструкция. Дорогая и не оправдывает себя при получении менее 25 деталей. Оптимальный диаметр 910... 1520 мм. Снятие оправки усложняется при маленьких полюсных отверстиях.

2. Низкоплавкие сплавы. Их применение ограничено небольшими сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый.

3. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластичном состоянии, может стираться по периметру, легко вымывается.

4. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осуществляется с трудом и может повредить изделие.

5. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Наиболее пригоден для изделий диаметром до 1500 мм, выпускаемых в небольших количествах. Он легко растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса формования.

 

Формирование

Формирование - операция по получению из композиционного ма­териала изделия заданной формы и размеров, состоящая из следую­щих этапов: распределение на формообразующей поверхности исход­ных компонентов - армирующих материалов и связующего, приложение тепла и давления, сопровождающееся полимеризацией и отверждени­ем материала в готовое изделие.

Реализация операций формирования может осуществляться раз­личными методами: ручной выкладкой, напылением, контактным фор­мированием в прессформах, автоклавным и вакуумным формировани­ем, намоткой, плетением, пултрузией и ролтрузией, комбинированными способами.

Первой стадией при формировании изделия из композиционного материала является нанесение на формообразующую поверхность (матрицу, оправку, пуансон, форму и т.п.) антиадгезионного покрытия, в качестве которого используются: парафин, поливиниловый спирт, сила-ны, силоксаны, антиадгизионные плёнки и т.д. Выбор покрытия зависит от типа формуемой поверхности, связующего, а также от необходимо­сти отделочных операций.

Следующая стадия процесса формования - распределение арми­рующего материала и связующего на обработанную антиадгезивом по­верхность.

Ручная выкладка

При ручной выкладке армирующий материал - мат, ткань, пряжа, ровинг - разрезают на мерные куски, а при необходимости обрезают по шаблону, пропитывают предварительно подготовленным связующим и укладывают в форму требуемое число слоев для достижения расчётной толщины изделия (рис. 3).

Для уплотнения материала по форме и удаления пузырьков возду­ха используют прикаточные валики и щетки. Затем форма помещается в тепловой агрегат, где производится процесс отверждения по регла­менту соответствующему используемому связующему. После отвер­ждения изделие извлекают из формы, производят обрезку кромок, зачи­стку и другие финишные операции. Этот метод целесообразно исполь­зовать в мелкосерийном производстве изделий сложной формы, к кото­рым предъявляются невысокие требования по прочности.

 

Рис. 3. Элементы конструкции формы и изделия

при формовании ручной выкладкой:

1 - форма; 2 - разделительная пленка; 3 - наружный смоляной слой;

4 - стекловолокно; 5 - ручной валик; 6 - смола в смеси с катализатором

Нанесение покрытия напылением

Измельченное волокно и связующее одновременно вводятся в от­крытую форму или на нее. При использовании, например, стекловолок­на ровинг проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в форму распылительной системой с на­ружным или внутренним смешением компонентов (рис. 4).

 

Рис. 4. Безвоздушная система напыления с двумя ёмкостями:

1 - ровинг; 2 - смола с катализатором; 3 - рубильное устройство;

4 - смола с ускорителем; 5 - уплотненный слой; 6 - валик; 7 – форма

 

При этом одна распылительная головка впрыскивает смолу, пред­варительно смешанную с катализатором, или только катализатор, в то время как вторая головка впрыскивает заранее полученную смесь смо­лы с ускорителем. Смола и катализатор подаются в смесительную ка­меру распылителя позади единственной распылительной головки. В обоих случаях полимерная композиция предварительно покрывает стекловолокно, и объединенный поток равномерно распыляется опера­тором в форме по заданной схеме.

После введения в форму смеси смолы со стекловолокном образо­вавшийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха, уплотне­ния волокон и получения гладкой поверхности. Технология отверждения и обрезки кромок аналогична применяемой при формовании ручной ук­ладки.

Процессы упругого формования конструкций

К преимуществам упругого формования крупногабаритных изделий относится технологическая простота методов, возможность производст­ва высокопрочных и герметичных изделий при использовании сравни­тельно простой и дешевой технологической оснастки и оборудования. Методы упругого формования позволяют изготовлять конструкции лю­бого профиля и конфигурации.

Равномерное приложение упругого давления перпендикулярно формуемой стенке в процессе производства позволяет обеспечить вы­сокую объемную плотность структуры и монолитность материала, с по­вышением которых возрастают механические свойства готового мате­риала, прочность и надежность изделий.

В настоящее время нашли применение следующие основные ме­тоды упругого формования: вакуумное, автоклавное, пресскамерное, центробежное. Обычно эти методы применяются в качестве оконча­тельных технологических операций, за исключением центробежного формования, которое часто используется как предварительная техно­логическая операция.

При выборе метода упругого формования следует иметь в виду, что физико-механические свойства материала в значительной степени зависят от типа арматуры, полимерного связующего и параметров тех­нологического процесса (контактного давления формования, технологи­ческого натяжения стеклоарматуры и температуры формования.

Экспериментально установлено, что определяющим технологиче­ским параметром упругого формования является контактное давление.

Температура формования должна подбираться таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная технологическая вязкость свя­зующего. Однако при повышенной вязкости ухудшается качество про­питки арматуры или наполнителя, в результате чего уменьшается плот­ность и механические свойства готовых стеклопластиков. При вязкости меньше оптимальной происходит отжим связующего из структуры мате­риала при формовании изделий на выступающих поверхностях и реб­рах, что приводит к неоднородности механических характеристик изде­лий и снижению их герметичности. Обычно оптимальная температура формования подбирается опытным путем в зависимости от конструк­тивных особенностей изделия, типа арматуры, связующего, оборудова­ния и т.п. с учетом конкретной производственной обстановки.

Метод вакуумного формования

Вакуумное формование применяется обычно в опытном и мелкосе­рийном производстве и состоит из трех технологических операций: 1) получение заготовки; 2) упругое обжатие этой заготовки с помощью резинового мешка под вакуумом; 3) отверждение.

Давление, создаваемое при вакуумном формовании, составляет 0,5-0,8 кГ/см2. Технологически операция вакуумного формования вы­полняется в следующем порядке (рис. 5). На форму позитивного или негативного типа, поверхности которой покрыты разделительным слоем смазки или пленки, наносится декоративный слой полимерного связую­щего. Затем после некоторой выдержки наносится второй слой связую­щего, и поверх него выкладывается в соответствии с заданной схемой армирования арматура.

При изготовлении крупногабаритных изделий для увеличения про­изводительности и снижения трудоемкости формования в качестве ар­матуры применяют ткани, а в качестве наполнителя - маты. Нанесенный слой материала прикатывается формующим роликом для качест­венной пропитки и равномерной плотности структуры по всему сечению стенки готового изделия. Далее многократно повторяется нанесение слоя связующего и арматуры с прикаткой до получения заданной тол­щины стенки формуемого изделия, но не более 8-10 мм. Сверху на от­формованную заготовку накладывается слой целлофана, что придает готовому изделию хороший внешний вид. На этом заканчивается пер­вый технологический переход операции упругого вакуумного формова­ния для предварительного получения заготовки изделия. Первый тех­нологический переход целесообразно выделить как самостоятельную операцию предварительного формования. Это позволит вместо трудо­емкого и вредного ручного контактного формования организовать высо­копроизводительное и автоматизированное производство заготовок ме­тодами предварительного формования: обмоткой, центробежным спо­собом, насасыванием, напылением и т.п.

Рис. 5. Схема вакуумного формования:

1 - резиновая диафрагма; 2 - изделие; 3 - форма

 

Вторым технологическим переходом является вакуумная опрессовка изделия. Для этого полученная заготовка покрывается дренажным слоем прорезиненной стеклоткани, а затем резиновым чехлом, который герметизируется по краям и подсоединяется к шлангу вакуум-насоса. Сборка помещается в термокамеру, после чего под чехлом создается вакуум. Величина вакуума определяется типом связующего, термиче­скими режимами отверждения и, главное, конструктивными формами изделия. Чем больше вакуум, тем при прочих равных условиях плотнее получается структура материала, выше его прочность и герметичность. Однако величина вакуума ограничивается возможностями вакуум-установок. С уменьшением используемого вакуума увеличивается срок службы вакуумных насосов. Обычно величина вакуума, создаваемого под чехлом, должна быть не менее 160 мм рт. ст.

Третий технологический переход - отверждение отформованного изделия. Термический режим отверждения под вакуумом зависит от марки используемого связующего и в каждом отдельном случае уста­навливается соответствующим регламентом технологического процесса.

Достоинством вакуумного формования является его технологиче­ская простота, несложность оснастки и оборудования. Однако недоста­точная плотность и сравнительно невысокая механическая прочность пластиков, получаемых при вакуумном формовании, не позволяют ис­пользовать его для изготовления крупногабаритных деталей с толщи­ной стенок более 8-10 мм. Точность геометрических размеров готовых изделий определяется точностью соответствующих размеров техноло­гической оснастки, ее жесткостью и температурными деформациями.

Метод автоклавного упругого формования

Для получения высокоточных и прочных изделий при формовании глубоких профилей и поверхностей сложной конфигурации недостаточ­но контактного давления упругого формования, создаваемого только за счет вакуума под резиновым чехлом. Однако наличие герметичного уп­ругого чехла на формуемом изделии позволяет создать дополнитель­ное давление за счет увеличения наружного давления на чехол. При этом сборка для вакуумного формования помещается не в термошкаф, а в автоклав, где, помимо заданного температурного режима, создается высокое давление, которое, прижимая чехол к формуемой заготовке, уплотняет ее (рис. 6). В автоклав, подается пар, вода или сжатый воз­дух, с помощью которых давление доводится до заданной технологиче­ским регламентом величины.

Таким образом, при упругом формовании автоклавным методом должны выполняться следующие технологические этапы (переходы): предварительное формование полуфабриката, вакуумирование, авто­клавная опрессовка, отверждение. Последние два этапа технологически совмещены.

Полученная одним из методов предварительного формования за­готовка надевается на жесткую форму, дренажируется слоем прорези­ненной ткани, покрывается резиновым чехлом, герметизируется и по­ступает в автоклав. Вначале создается вакуум для удаления воздуха из-под герметизированного чехла. Кроме того, вакуум повышает качест­во пропитки с арматуры, улучшая герметичность и механические свой­ства изделия. Через 20-30 мин. в автоклаве медленно поднимается давление до 1 атм, после чего вакуум снимается и давление повышается до расчетного. Величина автоклавного давления зависит от формы изделия, толщины его стенок, используемой арматуры, связующего и принимается в пределах 5-25 кГ/см2. Изделия, отформованные авто­клавным способом, имеют весьма высокие прочностные характеристики.

 

Рис. 6. Схема автоклавного формования

 

Метод упругого формования применяется в том случае, когда к из­делиям предъявляются повышенные требования в отношении герме­тичности и прочности.

Пленочное формование является разновидностью метода упругого формования. Отличается оно тем, что вместо резинового чехла и дре­нажных слоев прорезиненной ткани применяют прозрачную бесшовную пленку из поливинилового спирта, изготовленную из одного листа и скроенную по форме изделия. При этом внешняя поверхность изделия получается гладкой, блестящей, без складок, морщин и пузырей.

Метод пресс-камерного формования

Этот метод основан на использовании жесткой формы негативного типа (пресс-камеры) и упругого (надувного) пуансона (рис. 7). Внеш­няя поверхность стеклопластикового изделия оформляется поверхно­стью жесткой формы, а внутренняя - упругим резиновым чехлом.

 

Рис. 7. Схема пресс-камерного формования:

1 - эластичная диафрагма; 2 - крышка формы; 3 - канал для подачи сжатого

газа; 4 - боковое выпускное отверстие; 5 - канал для соединения с атмосферой

или вакуумом; 6 - композиционный материал; 7 – дренаж

 

Предварительно отформованное изделие помещается в жесткую пресс-камерную форму, стенки которой способны выдержать большие внутренние давления. Внутрь заготовки вводится резиновый чехол, прикрепленный к верхней плите пресс-камеры и герметично заделан­ный. Плита жестко скрепляется с пресс-камерой, после чего в пресс-камеру подается сжатый воздух пар или вода, которые создают рабочее давление упругого формования от 1,5 до 5 кГ/см2. Однако воздух, ос­тавшийся между чехлом и формуемой массой полуфабриката изделия, может скапливаться в застойных зонах и при формовании диффунди­ровать в структуру материала. Это не позволяет получить качественной поверхности, плотности, герметичности и отрицательно сказывается на механической прочности. Поэтому для повышения качества пресс-камерного формования рекомендуется применять вакуумный отсос воздуха из-под резинового чехла.

Таким образом, технологическая структура операции пресс-камер­ного формования выглядит так: предварительное формование полу­фабриката, вакуумирование (при необходимости), нагнетание рабочей среды в упругий пуансон пресс-камеры, отверждение. В условиях се­рийного производства данный способ позволяет получать изделия вы­сокой прочности и герметичности.

Методы жесткого формования

Для получения крупногабаритных изделий с высокой точностью размеров, геометрических форм и взаимного расположения поверхно­стей при высоком качестве и чистоте как наружных, так и внутренних поверхностей рекомендуется применять методы жесткого формования.

При жестком формовании в зависимости от конструктивной сложности геометрии изделия плотность и механические свойства готового мате­риала не всегда получаются одинаковыми, но уровень этих показателей достаточно высок, благодаря чему механическая прочность деталей мало уступает прочности изделий, полученных методом упругого фор­мования. Однако при жестком формовании несколько усложняется и удорожается стоимость технологической оснастки. Поэтому этот метод рекомендуется использовать в серийном и крупносерийном производ­стве.

Структурные критерии и механические свойства пластиков при же­стком формовании изделий зависят от типа используемых арматуры и связующего, конфигурации изделия и технологических параметров про­цесса формования и отверждения. В частности, конфигурация изделия оказывает непосредственное влияние на величину контактного давле­ния (рис. 8).

Рис. 8. Технологическая схема жесткого

формования с помощью цулаги

 

При рабочем движении жесткого формующего элемента, который, в отличие от пуансона матрицы, принято называть цулагой, создается требуемая величина контактного давления N. При этом, если считать, что вертикальная составляющая этого давления q будет величиной по­стоянной в любом горизонтальном сечении, т.е. q = const по высоте из­делия, то контактное давление, перпендикулярное к формуемой стенке, будет зависеть от угла γ, образуемого нормалью к поверхности цулаги и плоскостью горизонтального сечения:

Таким образом, в силу зависимости N от геометрии детали и непо­стоянства его даже в пределах одной и той же поверхности в качестве технологического параметра следует принять контактное давление же­сткого формования q на горизонтальную проекцию поверхности фор­мования S:

где Р - сила, действующая на цулагу.

С увеличением температуры формования t улучшается формуемость, уменьшается величина усилий Р и контактного давления формо­вания в плане q, поскольку с увеличением температуры уменьшается технологическая вязкость и когезия связующего, но повышается качест­во пропитки и его аутогезия. Однако при повышенных температурах формования вследствие низкой вязкости возможен отжим связующего из структуры материала и уменьшение его процентного содержания в пластике. По этой же причине возможно передавливание арматуры, не­одинаковая плотность и большая неоднородность механических свойств в готовом изделии. Поэтому величина температуры должна быть строго регламентирована в зависимости от типа связующего, ар­матуры, давления формования и геометрии изделия. Большое влияние на плотность и прочность изделий оказывает величина контактного давления жесткого формования.

Компрессионное формование с помощью жесткой цулаги

При компрессионном формовании крупногабаритных изделий ис­пользуются жесткие формы негативного и позитивного типа. Рабочие поверхности формы покрываются слоем антиадгезионной разделитель­ной смазки или пленки. Затем подготовленная таким образом поверх­ность формы покрывается ровным слоем связующего. В связующее при этом могут быть добавлены пигменты, поскольку данный слой является декоративным. Это позволит получить хорошие глянцевые поверхности желаемого цвета. Спустя несколько минут наносят слой связующего, на который выкладывают слой арматуры или наполнителя. Далее контакт­ным или другим методом получают предварительно отформованную заготовку и монтируют ее в форме.

На открытую поверхность массы укладывается целлофановая пленка, а на нее - дренажные разделительные слои в виде прорези­ненной ткани или специально изготовленного чехла. Затем устанавли­вается жесткая металлическая цулага, рабочая поверхность которой повторяет профиль и размеры соответствующих поверхностей готового изделия с учетом температурных деформаций формы, изделия и уса­дочных явлений и т.п. Для окончательного формования изделия извест­ны методы нагружения с помощью вакуумного чехла или автоклавный способ. В обоих случаях поверх цулаги надевается и герметизируется резиновый чехол, изготовленный по внешнему контуру цулаги. В таком виде сборка подается в автоклав, и тогда давление жесткого формова­ния будет равно давлению рабочей среды в автоклаве, т.е. q=qn.

Однако для повышения качества формования, плотности и герме­тичности структуры, улучшения чистоты внешних поверхностей изделия и увеличения его механической прочности целесообразно наряду с ав­токлавным давлением применять вакуумирование объема формы.

Далее под давлением выполняется отверждение изделия. Таким образом, технологический процесс компрессионного жестко­го формования изделий имеет следующую структуру:

- предварительное формование полуфабриката;

- окончательное компрессионное формование изделия;

- отверждение.

При компрессионном формовании вакуумным способом под герме­тизирующим чехлом создается разрежение 400-500 ммт.ст. Это по­зволяет изготовлять качественные, прочные и точные изделия только с малой толщиной стенок, ибо благодаря этому удается обеспечить дос­таточно высокую плотность структуры. Такие изделия после компресси­онного вакуумирования и отверждения имеют высокие точность разме­ров и чистоту поверхности.

Для повышения точности изделий, формуемых компрессионным методом, необходимо строго регламентировать критерии предвари­тельного формования (размеры, плотность и т.п.) и технологические параметры окончательного формования, а также применять высокие Давления компрессии, регламентировать рабочее перемещение цулаги при формовании.

Метод жесткого формования в замкнутых формах

Когда к изделиям предъявляются повышенные требования по точ­ности размеров и геометрических форм, рекомендуется применять ме­тод формования сухого полуфабриката в жесткой разъемной форме с последующей пропиткой материала путем нагнетания или инжекции связующего в замкнутую форму. Технологически это выполняется сле­дующим образом. Изготовляется полуфабрикат из арматуры (или на­полнителя), имеющий форму изделия. Для сохранения формы, приданной полуфабрикату, в структуру добавляют несколько процентов связующего для скрепления волокон арматуры. Просушенный полуфабрикат монти­руется в форме, рабочие поверхности которой предварительно покрыты антиадгезионным составом. После замыкания формы волокнистый по­луфабрикат оказывается заключенным в жестком объеме, имеющем размеры и геометрию высокой точности. Далее из формы удаляют воз­дух и пространство между ее поверхностями и волокнами полуфабри­ката заполняют полимерным связующим (методом нагнетания или вса­сывания).

По схеме пропитки всасыванием с помощью вакуума, требуется соответствующая герметизация формы. Под дей­ствием вакуума из формы сначала удаляется основная масса воздуха. Затем происходит всасывание жидкого связующего до тех пор, пока оно не пропитает всю массу полуфабриката и не начнет перетекать через штуцер слива. Штуцер, к которому подключается вакуум-насос, распо­лагается в самой верхней точке формы, связующее подводится по тру­бопроводу от специальных емкостей к самым нижним ее точкам. После пропитки сборка поступает на термическое отверждение.

На рис. 9 показана схема пропитки полуфабриката методом на­гнетания связующего, которая может применяться для связующих горя­чего и холодного отверждения.

 

Рис. 9. Формование в замкнутых жестких

формах методом компрессии

 

В этом случае под действием сжатого воздуха или другим способом смола с инициатором нагнетается в замкнутую полость формы в самой нижней ее точке. Пропитав волокнистую массу полуфабриката, поли­мерная смола с воздушными включениями (пузырями) перекачивается через сливной штуцер, установленный в самой верхней точке формы, до полного удаления пузырьков воздуха.

После этого в форму подают смесь с ускорителем и инициатором. Связующее вытесняет предыдущую порцию смолы и обеспечивает ка­чественную пропитку материала.

Таким образом, технологическая структура формования в жесткой замкнутой форме крупногабаритных деталей с инжекционной пропиткой связующим может быть представлена следующим образом: предвари­тельное формование полуфабриката; инжекционный метод пропитки полуфабриката связующим в замкнутой форме; отверждение.

Данный метод позволяет изготовлять изделия с высокой точностью размеров и геометрических форм и высокой чистотой поверхности. Од­нако отформованные этим способом изделия будут иметь неоднород­ные плотность структуры и механические свойства. Прочность таких изделий уступает аналогичным деталям, изготовленным методами ком­прессионного жесткого или упругого автоклавного и пресс-камерного формования.

Недостатком этого метода является сложность и высокая стои­мость применяемой технологической оснастки.

Намотка волокном

Намотка волокном - сравнительно простой процесс, в котором ар­мирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгут) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные меха­низмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение арми­рующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде при­легающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои на­носятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина. Угол намотки может изменяться от очень малого - продольного - до большого - окружного, т.е. около 90° относительно оси оправки. При «мокрой» намотке связующее наносится в процессе самой намотки. «Сухая» намотка основана на использова­нии ровинга, предварительно пропитанного смолой - препрега. Обычно отверждение идет при повышенной температуре без избыточного дав­ления, и завершающей стадией процесса является снятие изделия с оправки.

Основной процесс имеет множество вариантов, различающихся в широких пределах характером намотки, особенностями конструкции, комбинацией материалов и типом оборудования. Конструкции должны быть намотаны в виде поверхностей вращения, хотя в определенных пределах, могут быть отформованы изделия и другой конфигурации сжатием еще неотвержденной намотанной детали внутри закрытой формы. Конструкции могут быть получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, кони­ческой и геодезической формы. Для получения сосудов высокого дав­ления и резервуаров в намотку вводят торцовые заглушки.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирую­щий материал, а основными материалами для матрицы служат эпок­сидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для намотки применяются машины различных типов: от разновидностей токарных станков и машин с цепным приводом до более сложных ком­пьютеризованных агрегатов с тремя или четырьмя осями движения.

Процесс намотки. Методы и схемы намотки

Наибольшее распространение получили два основных вида намот­ки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою характерную схему расположения волокна. При полюсной (плоскостной) намотке оп­равка остается неподвижной, в то время как подающее волокно устрой­ство рычажного типа вращается относительно продольной оси под за­данным углом наклона. После каждого его оборота оправка перемеща­ется вперед на расстояние, соответствующее одной ширине полосы волокон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой (рис. 10). Полосы волокна укладываются впритык одна за другой, го­товый слой состоит из двух сложений, направленных в противополож­ные стороны относительно угла намотки.

 

Рис. 10. Однослойная полюсная намотка

 

При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то вре­мя как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно поступа­тельно. Скорость перемещения каретки и частота вращения оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося рисунка требуется несколько витков. Такая схема намотки показана на рисунке 11.

Находят применение и другие методы намотки.

Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают под углом, близким к 90°, причем за один оборот подающее устройство про­двигается на ширину полосы. Считается, что слой состоит из одного сложения. Окруженные слои можно наносить для дополнительного уси­ления или увеличения жесткости отдельных, наиболее важных мест цилиндра.

Продольная намотка. Этот термин относится к намотке под малы­ми углами, которая может быть плоскостной или спиральной. При получении закрытых сосудов высокого давления минимальный угол опреде­ляется величиной полюсных отверстий с обоих концов.

 

Рис. 11. Схема спирально винтовой намотки:

1 - оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - катушка с лентой


 

Комбинированная - продольно-кольцевая намотка. Продольные слои усиливают окружными (рис. 12). При формовании сосудов высо­кого давления окружные слои обычно наносят снаружи. Равновесие между армирующими материалами в окружном и продольном направ­лениях достигается спиральной намоткой двух или нескольких слоев.

 

Рис. 12. Продольно-кольцевая схема намотки конического изделия:

1 - привод вращения; 2 - оправка; 3 - поперечная арматура; 4 - продольная

арматура; 5 - натяжитель продольной арматуры; 6 - каретка продольного

перемещения раскладчика поперечной арматуры

 

Спирально-перекрёстная схема. При этом методе лента арми­рующего материала заданной ширины В укладывается на оправку с по­дачей S, превышающей ширину ленты в целое число раз (рис. 13).

 

Рис. 13. Спирально-перекрёстная схема намотки

 

За прямой и обратный ход раскладывающего устройства (полный проход) формируется один спирально-перекрестный виток, закрываю­щий часть поверхности оправки. При следующем проходе расклады­вающего устройства лента укладывается встык к ранее намотанной. Процесс ведут до тех пор, пока не будет закрыта вся поверхность оп­равки и, таким образом, сформирован полный двойной спиральный слой. Для получения заданной толщины стенки формируемого изделия проводят намотку нескольких таких слоев.

Возможны и другие схемы укладки армирующих наполнителей.

Станки для намотки

Различают станки для полюсной и спиральной намотки. Станки обоих типов имеют также приспособления для окружной намотки, что увеличивает их универсальность. При работе на машинах для полюс­ной намотки оправка обычно находится в вертикальном положении. Ос­новным преимуществом машин для полюсной намотки является про­стота регулировки отдельных механизмов. С другой стороны, в боль­шинстве случаев использование таких станков ограничено составом применяемых препрегов, так как системы с «мокрой» намоткой трудно монтировать.

В станках со спиральной намоткой имеется два основных переме­щающих механизма: вращающаяся оправка и траверса подающего уст­ройства. Кроме того, имеются поперечный суппорт, перпендикулярный оси оправки, и механизм движения нитепроводника, через который подается волокно. Управление может быть механическим или числовым программным. Механическое управление обычно основано на исполь­зовании системы с индивидуальным приводом, в которой вращение и поперечная подача управляются зубчатыми передачами, шарнирными цепями или ходовыми винтами. Движения в станке для намотки с ЧПУ осуществляются гидравлическими сервоприводами, причем каждая ось координат имеет свой собственный гидромотор.

Для получения изделий сложной формы применяются специально разрабатываемые станки, Так, например, на рис. 14 изображен станок для намотки сфер.

 

Рис. 14. Машина для намотки сфер:

1 - перемещение (шаг) веретена; 2, 3 - направления вращений;

 

Для производства труб большого диаметра применяют установки, в которых оправка совершает только поступательное движение, а катуш­ки с лентами или ровницей, пропитанной связующим, вращаются вокруг неё. Схема такой установки приведена на рис. 15.

 

Рис. 15. Схема производства труб большого диаметра:

1 - дорн; 2 - катушки с лентой или ровницей; 3 - неподвижное кольцо;

4 - вращающееся кольцо; 5 - основание

Плетение

Плетёные материалы (система двух нитей) позволяют повысить прочность и жесткость изделий при межслоевом сдвиге в 2-2,5 раза. Однако недостатком этого метода является искривление арматуры, что с ростом толщины изделия способствует ухудшению свойств в направ­лении основы. Более толстостенные изделия могут быть получены, ес­ли армирующий каркас создается системой трех нитей.

В последнее время предложен ряд способов трехмерного армиро­вания, основанных на технологии пространственного плетения. Про­странственное плетение - это технология получения трехмерноармированных структур непрерывным переплетением волокон. Во время про­цесса плетения все носители волокна движутся одновременно. В этом заключается коренное отличие плетения от ткачества, где нити основы держит неподвижная рамка, а одиночное волокно продергивается под­вижным челноком. В механизмах пространственного плетения (рис. 16) используют множество носителей армирующего волокнистого материала.

 

Рис. 16. Устройства пространственного плетения:

а - плетение в цилиндрической системе координат;

б - плетение в декартовой системе координат

 

Переплетение нитей или жгутов происходит во время движения по направляющим базовой плиты. Расположение направляющих соответ­ствует плетению либо в декартовой, либо в цилиндрической системах координат. Используя устройство для плетения в цилиндрической сис­теме координат, можно производить плетёные изделия в виде длин­номерных цилиндров при достаточно большом диаметре. На основе пространственного плетеного каркаса возможно создание квазиизотройного материала, в котором отсутствуют плоскости расслоения. Од­нако такие устройства очень сложны в изготовлении, обслуживании и применении.

Примером использования простой технологии плетения в автома­тизированном производстве изделий с пространственным армирующим каркасом является способ, применённый фирмой «Morton Thiokol» для изготовления теплостойких труб.

Плетение каркаса производится на оправке из углеродного войло­ка, соответствующей внутреннему диаметру изделия. Перпендикулярно оси оправки по ее поверхности расставлены стержни из углеродных во­локон, равномерно распределенные по требуемой части поверхности оправки. Подготовленная оправка оплетается слоями углеродных жгу­тов. Каждый слой содержит жгуты трех направлений (3D текстура), пе­реплетенные между собой: оплеточные жгуты (левые и правые) и осе­вые жгуты. Плетеный слой имеет ячеистую структуру. При этом каждая ячейка образуется в результате переплетения жгутов правого и левого направлений, а осевые жгуты расположены по диагоналям ячеек. Процесс заканчивается после нанесения требуемого количества сло­ев, после чего следуют операции по термообработке и механическая обработка изделия (рис. 17).

 

Рис. 17. Плетение по оправке:

а - узел плетения; б - оправка из углеродного

войлока со стержнями

 

Применяемые в производстве блочных изделий плетельные маши­ны представляет собой специальное оборудование, созданное на базе стандартной плетельной машины, используемой в производстве опле­таемых изделий: кабелей, шлангов высокого давления и т.п. Плетель­ная машина в модернизированном варианте содержит три группы носи­телей волокнистого армирующего материала. Одна группа - группа неподвижных носителей - предназначена для осевой арматуры. Две ос­тальные группы несут оплетающую арматуру. Подвижные носители с оплеточной арматурой перемещаются по круговым волнообразным траекториям, причем одна группа перемещается по часовой стрелке, а другая - против.

На рис. 18 показана плетельная машина с устройством попереч­ной намотки армирующих материалов, а на рис. 19 - основной узел машины, носитель плетущего материала - веретено.

 

Рис. 18. Плетельная машина с устройством поперечной намотки

 

Рис. 19. Внешний вид веретена

 

Несомненным достоинством данного способа является достигну­тый уровень автоматизации. Однако плетение по оправке с предвари­тельно расставленными стержнями имеет и ряд недостатков. Поверх­ность, образованная жгутами, сходящими с плетельной машины, может пересекаться стержнями, вследствие чего возможны взаимные повреждения армирующих элементов. Причем, наиболее невыгодно с этой точки зрения сочетание параметров процесса, направленное на дости­жение большой степени наполнения. Это накладывает ограничения на возможные пределы изменения параметров армирования (углы арми­рования, шаг радиальных стержней и т.п.), ужесточает требования по стабильности кинематики процесса, и заданную шагом расстановки стержней структуру армирования невозможно изменить в последующих слоях.


Пултрузия

Метод пултрузии волокнистых полимерных композиционных мате­риалов впервые разработан в 1948 г. применительно к стеклопластикам на основе отверждающихся связующих. Однако интенсивное развитие получил, начиная в 1960-х годов, когда повышенный спрос на профиль­ные изделия из полимерных композиционных материалов потребовал применения новых скоростных процессов их производства. В настоящее время с использованием этого процесса возможно получение изделий достаточно сложной формы (рис. 20).

 

Рис. 20. Некоторые виды изделий, полученные методом пултрузии

 

На рис. 21 показана принципиальная схема процесса пултрузии, основными стадиями которого являются:

- размотка волокнистого наполнителя со шпулярника;

- пропитка армирующих волокон полимерным связующим;

- формование заготовки в предварительных фильерах;

- окончательное формование профиля и фиксирование его формы в результате отверждения полимерной матрицы в обогреваемой фор­мующей фильере;

- протягивание и порезка профиля на части требуемой длины;

- дополнительная термообработка изделий (в случае необходимо­сти).

Армирующий волокнистый наполнитель протягивается с заданной скоростью со шпулярника через ванну с полимерным связующим и зону предварительного формования, где пучку волокон придается форма требуемого профиля с предварительным уплотнением и одновремен­ным удалением избытка связующего. Затем материал поступает в ме­таллическую фильеру, нагретую до температуры, обеспечивающей за­данную скорость и глубину процесса отверждения связующего. Здесь происходит окончательное формование профиля и фиксируется его форма, после чего длинномерное изделие подается тянущим механиз­мом в отрезное устройство. Полученные таким образом профили точно соответствуют требуемому размеру сечения и не нуждаются в даль­нейшей механической обработке.

 

Рис. 21. Схема процесса пултрузии

 

Существует несколько типов пултрузионных установок, отличаю­щихся:

- периодичностью или непрерывностью протягивания;

- горизонтальным или вертикальным расположением установки;

- типом тянущего механизма;

- особенностями зоны формования отверждения (наличием обмот­чика и лентоукладчика, типом формующей фильеры, методом ее нагревания);

- методом пропитки волокнистой арматуры.

Большинство установок для пултрузии являются горизонтальными. Вертикальные аппараты разработаны для производства профилей сплошного сечения с полой сердцевиной.

Шпулярник предназначен для размещения шпулей с волокном и представляет собой металлическую раму с горизонтальными осями. Для размещения крупногабаритных бобин, например, со стекловолок­ном, применяются шпулярники полочного типа. В этом случае размотка происходит изнутри бобин. Внешний вид такого шпулярника показан на рис. 22.

 

Рис. 22. Шпулярник полочного типа с системой

предварительного натяжения продольной арматуры

 

Пропитка волокнистого наполнителя обычно осуществляется про­тягиванием пучка волокон через ванну с полимерным связующим, имеющую систему прижимных и отжимных валиков. Для подогрева свя­зующего с целью снижения его вязкости и улучшения смачивания воло­кон ванна снабжается подогревателями. Внешний вид пропиточно-отжимного устройства показан на рис. 23.

 

Рис. 23. Пропиточноотжимное устройство

 

Для улучшения процесса пропитки разработан ряд методов инжекционного введения связующего, принципиальная схема такого процесса приведена на рис. 24.

 

Рис. 24. Инжекционный метод введения

связующего в процессе пултрузии

 

Формующая фильера представляет собой разъемную металличе­скую форму, рабочие поверхности которой отполированы и хромирова­ны. Длина фильеры зависит от размера протягиваемого профиля, типа связующего, скорости процесса и обычно варьируется в пределах 300-1500 мм. Рабочий канал должен быть правильной геометрической фор­мы с параллельными стенками и закругленными краями для предот­вращения излома волокон. Нагрев фильеры чаще всего осуществляет­ся с помощью плоских электронагревателей. Однако с целью повыше­ния производительности все большее применение находит высокочас­тотный индукционный нагрев, который позволяет увеличить скорость пултрузии. Наиболее важными параметрами любой системы нагрева фильеры является равномерность распределения температурного поля и возможность контроля температуры на всех этапах формования. Внешний вид фильеры для получения круглых стержневых изделий или труб показан на рис. 25.

 

Рис. 25. Фильера для формования изделий

круглого поперечного сечения

 

Устройства протягивания развились из простейшей прямой тяги, осуществляемой тросом или цепью, наматываемой на барабан. В на­стоящее время применяются два принципиально различных типа протя­гивающих устройства. В устройстве типа гусеничных траков использу­ются две постоянно вращающиеся в противоположных направлениях гусеничные ленты, между которыми находится отвержденный профиль. Существенным недостатком такого механизма является то, что для профилей требуется довольно большое количество зажимных подушек специальной формы. В более удобном возвратно-поступательном уст­ройстве в зажимной системе используется только две пары подушек, соответствующих каждому виду профиля. При этом одна подушка при­жимается к другой посредством гидравлического или механического привода, а профиль находится между ними.

В электротехнической промышленности пултрузионные установки используются, в основном, для изготовления круглых стеклопластиковых стержней электротехнического назначения диаметром от 10 до 50 мм. Наиболее известная российская установка типа «4-УПС-12» со­стоит из двух стендов для бобин, камеры сушки жгута, пропиточного, формующего, режущего и приемного устройства, камеры полимериза­ции и имеет скорость протягивания 0,3-0,6 м/мин при длине формующей фильеры, равной 2,4 м.

Наибольшее развитие пултрузия получила в США, где функциони­руют более 150 производственных линий для пултрузии. Ведущими в этой области являются фирмы «Goldsworthy Engineering» и «Pultrusion Technology». Они выпускают стандартные установки, позволяющие по­лучать профили с площадью поперечного сечения до 150 см2. Первая из фирм разработала одну из самых крупногабаритных установок для изготовления профильных панелей из гибридных материалов размером сечения 457x914 мм с усилием протягивания до 10 т. Установка обору­дована высокочастотным индукционным нагревом для отверждения ма­териала профилей.

В качестве примера на рис. 26 приведена схема пултрузионной установки для получения длинномерных профилей разработанной фирмой «Faserplastik».

Схема работы установки следующая. Нити со шпулярника 1 по­ступают через распределительную решетку 2, разделительные валики 3 и направляющие 4, обеспечивающие параллельную укладку волокон, в пропиточную ванну 6.

Для улучшения качества пропитки волокнистого наполнителя по­лимерным связующим производится подсушка инфракрасным источни­ком, расположенным над пучком волокна перед входом в пропиточную ванну. Расстояние между поверхностью пучка и источником регулирует­ся таким образом, чтобы конвективный поток тепла, переносимый на­полнителем, обеспечивал стабильный прогрев связующего в пропиточ­ной ванне до требуемой температуры.

 

Рис. 26. Схема пултрузионной установки фирмы «Faserplastik»:

1 - шпулярник; 2 - распределительная решетка; 3 - разделительные валики; 4 - направляющие отверстия;

5 - инфракрасная лампа; 6 - пропиточная ван­на; 7 - предварительные фильеры; 8 - катушки с армирующими лентами;

9 - направляющее устройство; 10 - формующая фильера с оправкой; 11 - терморегулятор;

12-пульт управления; 13 - гусеничная тяга; 14 - отрезное устройство; 15 - готовый профиль

 

После ванны пропитанный пучок волокон поступает в систему предварительных фильер 7 и направляющих устройств 9, где происхо­дит дальнейшая пропитка наполнителя и удаление излишков связующе­го и пузырьков воздуха, выравнивание отдельных волокон, формирова­ние сечения изготавливаемого профиля и равномерное распределение волокон по сечению. Далее пучок волокон с небольшим избытком свя­зующего поступает в обогреваемую фильеру, где происходит оконча­тельное удаление избытка связующего и воздуха, выравнивание и формирование сечения профильного изделия, отверждение связующего. Фильера представляет собой металлическую разъемную форму длиной 450 мм, имеющую рабочие каналы требуемого сечения. Установка пред­назначена для получения только однонаправленных изделий.

Более качественные изделия получают в фильерах-термокамерах, имеющих значительную длину - до 2 метров. При использовании свя­зующих с низким содержанием летучих продуктов можно получить из­делия со стабильными геометрическими размерами. Однако такой спо­соб не нашел широкого применения, т.к. фильеры-термокамеры дороги в изготовлении и сложны в эксплуатации. Кроме того, использование связующих, содержащих растворители, приводит к получению порис­тых и непрочных изделий ввиду невозможности удаления паров раство­рителя из замкнутого объема термокамер в процессе термообработки.

Для повышения прочности при сдвиге и сопротивления кручению при изготовлении трубчатых или стержневых элементов совмещают метод пултрузии с процессом обмотки нитью (рис. 27), для чего тре­буется сложное специальное оборудование.

 

Рис. 27. Схема пултрузионно-намоточного процесса

 

Известны также способы формования изделий из композитов, на­пример, силовой опрессовкой, когда размеры поперечного сечения и степень наполнения его волокнистой арматурой определяются усилием формования. Наиболее распространен способ, при котором армирующий наполнитель раскладывается на адгезионную ленту, ширина кото­рой соответствует периметру поперечного сечения изделия. Лента при­водится в движение специальным протягивающим устройством и по мере перемещения загибается, образуя оболочку, охватывающую ар­мирующий материал. Формование производится либо формующей фильерой (рис. 28), либо ленточным прессом с постепенно нарас­тающим усилием обжатия (рис. 29), что обеспечивает удаление из структуры воздушных и газовых включений. Такой способ применяется, в основном, для изготовления изделий с большой площадью попереч­ного сечения, причем использование антиадгезионной пленки позволя­ет улучшить условия движения изделия в фильере.

 

Рис. 28. Устройство для формования стержневых изделий:

1 - корпус; 2 - антиадгезионная лента; 3 - тянущие ролики

 

Рис. 29. Способ формования стержневых изделий из композитов ленточным прессом:

1 - волокнистый материал; 2 - ванна со связующим; 3 - бобина антиадгезион­ной ленты;

4 - приформовывающие ролики; 5 - ленточный пресс; 6 - термокамера; 7 - протягивающие ролики;

8 - отрезное устройство

 

Одним из методов силового формования является способ изготов­ления изделий, при котором формование осуществляется обмоткой во­локнистым материалом на стадии термообработки. При этом уплотне­ние, достигнутое в фильерах, фиксируется натяжением нитей вспомога­тельной арматуры. Наибольшее наполнение может быть достигнуто при протягивании изделий через каскад дискретных коротких фильер с плавно изменяющимся диаметром формующего отверстия и индивиду­альным обогревом. Принципиальная схема процесса приведена на рис. 30. Такой способ нашел применение при изготовлении высоко­прочных стеклопластиковых стержней, используемых для армирования стеклопластбетонных и электроизолирующих конструкций взамен ме­таллической арматуры, а также пластиковых стержней с декоративным узором.

 

       

Рис. 30. Изготовление стержневых изделий из КМ

методом силовой опрессовки обмоткой:

1 - обматывающая арматура; 2 - волокнистый материал;

3 - ванночка со связующим; 4, 5 - обмотчики;

6 - механизм протягивания; 7 - оправка

Плетельно-пултрузионный процесс

Описанные методы пултрузионного изготовления изделий показы­вают, что они позволяют решить вопрос о непрерывной схеме произ­водства изделий, однако, практически все они предназначены для по­лучения стержней с достаточно простой формой поперечного сече­ния и схемой армирования. Получение же сложноармированных струк­тур приводит к существенному усложнению технологического процесса и применяемого оборудования. Получаемые при этом изделия имеют низкие характеристики при сжатии и сдвиге и, следовательно, имеют ограниченное применение.

Попытки усложнения схемы армирования путем введения лент, ма­тов или уложенной под малым углом к оси изделия арматуры сущест­венно усложняет, а в ряде случаев делает невозможным процесс протя­гивания. Создание более сложных, в частности, пространственных структур, сталкивается со значительными трудностями и практически для непрерывных процессов не рассматривалось. Однако в практике наибольший интерес представляют именно такие изделия, поскольку преимущества композитных материалов заключаются в возможности армирования изделий в соответствующих условиям нагружения на­правлениях. Решение этой проблемы возможно при объединении двух высокопроизводительных автоматизированных процессов - плетения и пултрузии. При этом создание плетеного слоя на поверхности изделия, в сечении которого может быть заложена требуемая схема армирова­ния, позволяет при определенных, конечно, условиях обеспечить дви­жение формуемого изделия через фильеру. Наличие же этого слоя в структуре материала предоставляет дополнительные возможности для оптимизации свойств материала изделия.

Принципиальная схема технологического оборудования для реали­зации непрерывного процесса изготовления сложнопрофильных стерж­невых изделий может быть составлена на основе типовой схемы пул­трузионного процесса формования профильных изделий из однона­правленных композитов. При этом в ее состав должны быть включены элементы оборудования и оснастка, которые обеспечивают проведение дополнительных технологических операций и позволяют получить из­делия заданной структуры и формы профиля. Принципиальная схема технологического процесса получения сложнопрофильных изделий си­лового назначения из композитов представлена на рис. 31.

 

Рис. 31. Принципиальная схема непрерывного технологического процесса изготовления

сложнопрофильных изделий силового назначения:

1 - шпулярник с армирующим материалом для полок профиля; 2 - пропиточное устройство;

3 - бобины с препрегом для формирования стойки; 4 - распределительное устройство;

5 - фильера предварительного формования полуфабриката; 6 - оплеточное устройство;

7 - калибрующая фильера; 8 - устройство предварительного формования стойки

профиля; 9 - прошивочное устройство; 10 - формующая нагреваемая фильера;

11 - тянущее устройство; 12-отрезное устройство; 13-готовое профильное изделие

Ролтрузия

Одним из вариантов метода пултрузии является ролтрузионный процесс, при котором существенно изменяется формующий узел - фильера. Формование производится парами приводных формующих роликов, причем профиль проходного сечения, образуемый при замыка­нии каждой пары роликов, изменяется по длине ролтрузионного тракта.

Формующий тракт располагается в термокамере, имеющей три температурные зоны. В первой зоне происходит разжижение связующе­го, благодаря чему обеспечиваются равномерная пропитка всего полу­фабриката и удаление из него летучих компонентов. Во второй зоне пакет пропитанных жгутов формуется до заданного типа поперечного сечения, а связующее полимеризуется до состояния, обеспечивающего формостабильность изделия. В третьей зоне осуществляется оконча­тельная полимеризация профильного изделия.

В остальном технологический регламент процесса ролрузии полно­стью идентичен пултрузии.

Формование в ролтрузионном тракте носит щадящий характер, так как трение скольжения в фильере, присущее пултрузии, заменяется трением качения в роликах. Это позволяет значительно снизит усилие протягивания, что соответственно, уменьшает величину остаточных на­пряжений в готовом изделии, понижает вероятность коробления и рас­трескивания, а также позволяет увеличить скорость изготовления про­фильных изделий.

Кроме того, в случае наличия вспомогательных слоев арматуры на поверхности стержневых изделий, при таком методе формования суще­ственно уменьшается ее повреждаемость.

Вопросы для самопроверки

- Из каких материалов могут изготавливаться формы для ПКМ?

- Перечислите основные методы изготовления ПКМ.

- Основные принципы, применяемые при конструировании оправок для получения ПКМ методом намотки.

- Перечислите способы намотки изделий из КМ.

- Перечислите методы формования изделий из КМ.

- Объясните назначение антиадгезионных покрытий.

- Достоинства и недостатки методов плетения изделий из КМ.

- Что называется пултрузией и типы изделий, получаемые таким образом?

- Что называется ролтрузией? Ее преимущества в сравнении с пултрузией.

- Особенности совмещенных методов непрерывного изготовления изделий из КМ.


e-mail: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru Каталог-Молдова - Ranker, Statistics

Directrix.ru - рейтинг, каталог сайтов