RU2716432C1

RU2716432C1 - Composite shaping tool for moulding articles from polymer composite materials

Info

Publication number: RU2716432C1
Application number: RU2019110174A
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Баранов; Алексей Михайлович Крюков; Юрий Германович Мурашкин; Сергей Александрович Мешков; Валерий Семёнович Волков
Original assignee: Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина»
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2020-03-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to moulding articles from polymer composite material, namely, to structures of tooling for their moulding. Composite shaping tool for moulding articles from polymer composite materials includes a support system in the form of a rectangular hollow parallelepiped made of an equal-angle yoke and formed on it shaping shell, made of three-layer honeycomb panel, which contains curvilinear part, repeating geometry of article, changing into rectilinear part. By means of the latter the forming shell rests on the support system along its perimeter with the help of horizontal flange.

EFFECT: technical result of invention is improved manufacturability and reduced labour costs for tooling manufacturing.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области формования изделий из полимерного композиционного материала (ПКМ), а именно к конструкциям оснасток для их формования.The invention relates to the field of molding products from a polymer composite material (PCM), and in particular to constructions of snap-ins for their molding.

Известно большое количество формовочных оснасток (Боголюбов B.C. Формообразующая оснастка из полимерных материалов. М.: Машиностроение, 1979; AdvancedcompositeMold, Making. JohnJ. Morena. KriederPublishingCompany, Malabar, Florida, 1994): - металлическая объемная оснастка в виде монолитной заготовки, обработаннной на станках с ЧПУ или деформированная листовая металлическая заготовка;There are a large number of molding tooling (Bogolyubov BC Forming tooling made of polymeric materials. M: Engineering, 1979; AdvancedcompositeMold, Making. John J. Morena. Krieder Publishing Company, Malabar, Florida, 1994): - metal volumetric equipment in the form of a monolithic workpiece machined on machines CNC or deformed sheet metal workpiece;

- керамическая, керамзито-бетонная оснастка, сформированная с помощью мастер-модели;- ceramic, expanded clay-concrete equipment, formed using the master model;

- оснастка из ПКМ, представляющая собой пакет из слоев препрега (волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим), выложенный на поверхности мастер-модели с последующим формованием.- PCM equipment, which is a package of prepreg layers (a fibrous filler impregnated with a polymer binder), laid out on the surface of the master model with subsequent molding.

Известна оснастка для формования изделий из ПКМ, содержащая опорную систему и закрепленную на ней формообразующую оболочку. У известной оснастки опорная система представляет собой набор металлических штыревых регулируемых опор, на которые устанавливаются жесткие стеклопластиковые оболочки сразличными геометрическими параметрами, которые являются программоносителями для настройки опор и несут на себе рабочие поверхности для формообразования листовых деталей обтяжкой. Эта оснастка универсальна, она позволяет оформить оболочку любой геометрии (Боголюбов B.C. Формообразующая оснастка из полимерных материалов. М.: Машиностроение, 1979, С. 104).Known tooling for molding products from PCM, containing a support system and mounted on it a forming shell. For the well-known equipment, the support system is a set of metal pin adjustable supports on which rigid fiberglass shells with various geometric parameters are installed, which are program carriers for adjusting the supports and carry work surfaces for forming tight-fitting sheet parts. This tooling is universal, it allows you to design a shell of any geometry (Bogolyubov B.C. Forming tooling made of polymeric materials. M: Mashinostroenie, 1979, p. 104).

Данная конструкция оснастки имеет следующие недостатки.This snap design has the following disadvantages.

1) Каркас оснастки включает в себя систему гидравлического регулирования. При воздействии повышенных температур эта система, фиксирующая заданную геометрию формообразующей оболочки и определяющая соответственно ее точность, подвержена искажению за счет теплового расширения, что делает проблематичным изготовление крупногабаритных деталей сложной геометрии с заданной точностью;1) The tool frame includes a hydraulic control system. When exposed to elevated temperatures, this system, fixing the given geometry of the forming shell and determining its accuracy accordingly, is subject to distortion due to thermal expansion, which makes it difficult to manufacture large-sized parts of complex geometry with a given accuracy;

2) Являясь сложным техническим сооружением, эта оснастка экономически оправдана лишь в случае организации крупносерийного производства.2) Being a complex technical structure, this equipment is economically justified only in the case of the organization of large-scale production.

Известно устройство для вакуумно-автоклавного формования конструкционных панелей из ПКМ (патент РФ №2106251 С1, МПК В26С 43/20, 1998 г.).A device for vacuum-autoclave molding of structural panels from PCM is known (RF patent No. 2106251 C1, IPC B26C 43/20, 1998).

Согласно патенту оснастка имеет основание в виде горизонтально расположенных вдоль формующей оболочки стержней, на которых с возможностью перемещения устанавливают ложементы. Формующая оболочка закреплена на ложементах посредством регулируемых опор с образованием гарантированного зазора межу ней и ложементами. К недостаткам такого устройства относится то, что при формовании изделий в термокамерах с принудительной циркуляцией воздуха невозможно обеспечить равномерное распределение температуры в формуемом изделии. Это можно объяснить тем, что конструкция данного устройства не учитывает изменений температурного поля за счет газодинамических процессов внутри печи. Сложная форма формуемого изделия при его изготовлении в печах приводит к тому, что газовые потоки движутся в различных местах у поверхности оснастки с разной скоростью. Это обуславливает неравномерность распределения интенсивности теплоотдачи - распределение величины коэффициента теплоотдачи по поверхности оснастки - от более нагретого газа к поверхности оснастки. Неравномерное распределение величины коэффициента теплоотдачи по поверхности формообразующей оснастки приводит, в свою очередь, к неравномерному распределению температуры в каждый момент времени процесса формования (термоотверждения) композитной конструкции. Особенно ярко это проявляется в случаях изготовления крупногабаритных композитных конструкций сложной формы - например, двойной кривизны. Неравномерное распределение температуры в процессе формования снижает качество формуемого изделия.According to the patent, the equipment has a base in the form of rods horizontally located along the forming shell, on which lodgements are mounted with the possibility of movement. The forming shell is fixed on the lodgements by means of adjustable supports with the formation of a guaranteed gap between it and the lodgements. The disadvantages of this device include the fact that when molding products in heat chambers with forced air circulation, it is impossible to ensure uniform temperature distribution in the molded product. This can be explained by the fact that the design of this device does not take into account changes in the temperature field due to gas-dynamic processes inside the furnace. The complex shape of the molded product during its manufacture in furnaces leads to the fact that gas flows move in different places near the surface of the tooling at different speeds. This causes the uneven distribution of heat transfer intensity — the distribution of the heat transfer coefficient over the surface of the tool — from a warmer gas to the surface of the tool. The uneven distribution of the coefficient of heat transfer over the surface of the forming tooling, in turn, leads to an uneven distribution of temperature at each moment in time of the molding process (thermoset) of the composite structure. This is especially pronounced in cases of manufacturing large-sized composite structures of complex shape - for example, double curvature. Uneven temperature distribution during molding reduces the quality of the molded product.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности, принятому в качестве прототипа, является оснастка для формования изделий из ПКМ (Патент РФ №2090364. МПК: В29С 43/20, 1997 г.).Closest to the proposed device in technical essence, adopted as a prototype, is a tool for molding products from PCM (RF Patent No. 2090364. IPC: V29C 43/20, 1997).

Согласно патенту оснастка для формования состоит из ложементов в виде разнесенных по ширине оболочек полых профилей V-образного сечения, стянутых элементами жесткости, и закрепленной на них формующей оболочки. Полые V-образные профили образуют каналы для движения потоков воздуха. Формообразующая оболочка представляет собой пластину заданной кривизны. Между сопряженными поверхностями профилей и формующей оболочкой размещены компенсаторы кривизны.According to the patent, the molding tool consists of lodgements in the form of spaced apart by the width of the shells of the hollow profiles of the V-shaped section, pulled together by stiffeners, and a forming shell fixed to them. Hollow V-shaped profiles form channels for the movement of air flows. The forming shell is a plate of a given curvature. Between the mating surfaces of the profiles and the forming shell are placed curvature compensators.

Недостатком указанного изобретения является то, что данная оснастка не позволяет получить требуемую равномерность распределения температуры в заготовке изделия и, как следствие, не может обеспечить требуемое качество изготавливаемой детали. Конструкция известной оснастки не учитывает возможное изменение скорости потока воздуха, вызываемое сложностью геометрической формы оснастки. Ее конструкция значительно влияет на равномерность распределения температуры по всему объему печи, так как V-образные профили, имеющие сплошные стенки, препятствуют свободной циркуляции, что приводит к образованию застойных зон и большой разнице температур по объему камеры термопечи.The disadvantage of this invention is that this equipment does not allow to obtain the required uniformity of temperature distribution in the workpiece and, as a result, cannot provide the required quality of the manufactured part. The design of the known snap does not take into account a possible change in the air flow rate caused by the complexity of the geometric shape of the snap. Its design significantly affects the uniformity of the temperature distribution throughout the furnace, since V-shaped profiles with continuous walls impede free circulation, which leads to the formation of stagnant zones and a large temperature difference in the volume of the furnace.

Это можно объяснить тем, что из-за сложности геометрической формы формообразующей оболочки, особенно при формовании детали двойной кривизны, каналы для движения потока воздуха имеют разные размеры сечения. Это приводит, в свою очередь, к разным условиям теплообмена конвекцией от потока воздуха к поверхности оснастки. То есть к неравномерному распределению величины коэффициента теплоотдачи по поверхности формообразующей оснастки композитных конструкций и, следовательно, к неравномерному распределению температуры по поверхности оснастки в изготавливаемой композитной конструкции.This can be explained by the fact that, due to the complexity of the geometric shape of the forming shell, especially when forming a double curvature part, the channels for the movement of air flow have different section sizes. This, in turn, leads to different conditions of convective heat transfer from the air flow to the surface of the equipment. That is, to an uneven distribution of the coefficient of heat transfer over the surface of the forming equipment of composite structures and, therefore, to an uneven distribution of temperature over the surface of the equipment in the composite structure being manufactured.

Размеры сечения каналов никак не связаны с величиной массы части заготовки, находящейся над каналом, что затрудняет получение равномерного распределения температуры в нагреваемой заготовке композитной конструкции особенно в тех случаях, когда заготовка имеет переменную величину толщины.The cross-sectional dimensions of the channels are in no way related to the mass of the part of the preform located above the channel, which makes it difficult to obtain a uniform temperature distribution in the heated preform of the composite structure, especially in cases where the preform has a variable thickness.

Техническим результатом изобретения является повышение технологичности и снижение трудозатрат на изготовление оснастки.The technical result of the invention is to improve manufacturability and reduce labor costs for the manufacture of equipment.

Технический результат решаемой задачи реализован следующим образом.The technical result of the problem is implemented as follows.

1. Композитная формообразующая оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов, включающая опорную систему и установленную на ней формообразующую оболочку, отличающаяся тем, что опорная система имеет форму прямоугольного полого параллелепипеда, ребра которого выполнены из равнополочного уголка, а формообразующая оболочка из трехслойной сотовой панели, содержащей криволинейную часть, повторяющую геометрию изделия, переходящую в прямолинейную часть, посредством которой формообразующая оболочка опирается на опорную систему.1. Composite forming tooling for molding articles made of polymer composite materials, including a support system and a forming shell mounted on it, characterized in that the support system has the shape of a rectangular hollow parallelepiped, the ribs of which are made from an equal-hollow corner, and the forming shell of a three-layer honeycomb panel containing a curvilinear part repeating the geometry of the product, turning into a rectilinear part, through which the forming shell is based on porn system.

2. Композитная формообразующая оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов по п. 1, отличающаяся тем, что ребра параллелепипеда выполнены из металла.2. Composite forming equipment for molding products from polymer composite materials according to claim 1, characterized in that the parallelepiped ribs are made of metal.

3. Композитная формообразующая оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что формообразующая оболочка закреплена на опорной системе.3. Composite forming equipment for molding products from polymer composite materials according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the forming shell is fixed to the support system.

На фиг. изображен общий вид оснастки для формования изделий из полимерного композиционного материала, которая включает формообразующую оболочку 1, выполненную из трехслойной сотовой панели, например с гексагональными ячейками, установленную на опорной системе 2 посредством горизонтальной полочки 3.In FIG. depicts a General view of the equipment for molding products from a polymer composite material, which includes a forming shell 1 made of a three-layer honeycomb panel, for example with hexagonal cells, mounted on a support system 2 by means of a horizontal shelf 3.

Опорная система в виде параллелепипеда минимально искажает тепловое поле на формообразующей оболочке, поскольку ее опоры находятся в нерабочей зоне нагрева, а выбор материала для опорной системы, например, металла - сталь 3, стеклопластика на основе препрегаЭФНБ-Т-10-14, обусловлен выбором по близким значениям ТКЛРс материалом самой формообразующей оболочки. Кроме того применение стеклопластика для опорной системы позволяет значительно снизить массу оснастки в целом.The support system in the form of a parallelepiped minimally distorts the thermal field on the forming shell, since its supports are in the inoperative heating zone, and the choice of material for the support system, for example, metal, is steel 3, fiberglass based on prepreg EFNB-T-10-14, due to the choice of close values of thermal expansion coefficient with the material of the forming shell itself. In addition, the use of fiberglass for the support system can significantly reduce the mass of equipment in general.

Формообразующая оболочка при необходимости может быть закреплена на опорной системе посредством клеевой пленки ВК-36.The forming shell, if necessary, can be fixed to the support system by means of adhesive film VK-36.

Трехслойная сотовая конструкция предлагаемой композитной оснастки обладает достаточной жесткостью без применения дополнительных элементов жесткости, что снижает трудозатраты на ее изготовление, а также обеспечивает равномерность распределения температурного поля, необходимого для качественного формования изделий из полимерных композиционных материалов.The three-layer honeycomb structure of the proposed composite tooling has sufficient rigidity without the use of additional stiffening elements, which reduces the labor costs for its manufacture, and also ensures uniform distribution of the temperature field necessary for high-quality molding of products from polymer composite materials.

Claims

1. Composite forming equipment for molding products from polymer composite materials, including a support system and a shell made of a three-layer honeycomb panel mounted on it, characterized in that the support system is made of an equal-hollow corner in the form of a hollow parallelepiped, while the surface of the shell repeats the geometry of the product and passes into the rectilinear part, through which the shell rests on the support system along its perimeter.

2. Composite forming equipment for molding products from polymer composite materials according to claim 1, characterized in that the equal-angle corner is made of metal or fiberglass.