RU217274U1

RU217274U1 - Mandrel for winding profile products from polymer composite materials

Info

Publication number: RU217274U1
Application number: RU2022131228U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Красновский; Сергей Николаевич Григорьев; Марина Александровна Волосова
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-03-24

Abstract

Полезная модель относится к оправкам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом намотки и может быть использована для получения длинномерных профильных изделий в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строи. Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов содержит несущий вал с осевым и радиальными сквозными каналами и оболочку из термостойкой силиконовой резины, выполненную в виде вакуумно-герметичного узла с наполнителем, функционально являющимся дополнительным несущим элементом, расположенным между валом и оболочкой. При этом несущий вал выполнен сборным из двух половин, сквозные радиальные каналы выполнены коническими, а в качестве наполнителя использован гранулированный металлический порошок с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов. 1 ил.

The utility model relates to mandrels for the manufacture of reinforced products from polymer composite materials by winding and can be used to obtain long profile products in machine building, aviation, shipbuilding, oil and gas and systems. The mandrel for winding profile products made of polymer composite materials contains a carrier shaft with axial and radial through channels and a shell made of heat-resistant silicone rubber, made in the form of a vacuum-tight unit with a filler, which is functionally an additional carrier element located between the shaft and the shell. In this case, the bearing shaft is made of two halves, the through radial channels are made conical, and granular metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of the through conical radial channels is used as a filler. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к оправкам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом намотки и может быть использована для получения длинномерных профильных изделий в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.The utility model relates to mandrels for the manufacture of reinforced products from polymer composite materials by winding and can be used to obtain long profile products in the machine-building, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industries.

Известна разборная оправка для намотки изделий из полимерных композиционных материалов. Разборную оправку применяют для изготовления замкнутых оболочек, из которых, вследствие их формы, нельзя извлечь цельную оправку (цилиндрические и сферические оболочки с днищами). В общем случае, разборная оправка состоит из трех частей, соответствующих профилированным днищам и цилиндрической части оболочки. Каждая из частей разрезана по образующей на тринадцать секторов, один из которых плоский. Части оправки, формирующие днища, устанавливаются в посадочных местах несущего вала, а затем после установки секторов цилиндрической части всю оправку закрепляют гайками. Для демонтажа оправки достаточно извлечь несущий вал и плоские секторы в каждой части, после чего остальные секторы удаляют из отвержденной оболочки через ее полюсные отверстия. Разборная оправка предназначена для многоразового использования и сравнительно легко удаляется из готового изделия. Она обеспечивает достаточную для намотки точность и жесткость намоточного узла (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. - с. 197-198).Known collapsible mandrel for winding products made of polymer composite materials. A collapsible mandrel is used for the manufacture of closed shells, from which, due to their shape, it is impossible to extract an integral mandrel (cylindrical and spherical shells with bottoms). In general, the collapsible mandrel consists of three parts, corresponding to the profiled bottoms and the cylindrical part of the shell. Each of the parts is cut along the generatrix into thirteen sectors, one of which is flat. Parts of the mandrel that form the bottoms are installed in the seats of the bearing shaft, and then, after installing the sectors of the cylindrical part, the entire mandrel is fixed with nuts. To dismantle the mandrel, it is sufficient to remove the carrier shaft and flat sectors in each part, after which the remaining sectors are removed from the hardened shell through its pole holes. The collapsible mandrel is designed for reusable use and is relatively easy to remove from the finished product. It provides sufficient winding accuracy and rigidity of the winding unit (Bulanov I.M., Vorobey V.V. Technology of rocket and aerospace structures made of composite materials. - M .: Bauman Moscow State Technical University, 1998. - p. 197- 198).

К недостаткам известной разборной оправки, следует отнести ее невысокие технологические возможности. Данная разборная оправка не позволяет получать сложнопрофильные изделия из полимерных композиционных материалов с переменным профилем, выпукло-вогнутые, в том числе, гофрированные трубы. Оправка имеет избыточную конструктивную сложность и трудоемкость изготовления.The disadvantages of the known collapsible mandrel include its low technological capabilities. This collapsible mandrel does not allow to obtain complex-profile products from polymer composite materials with a variable profile, convex-concave, including corrugated pipes. The mandrel has excessive design complexity and laboriousness of manufacturing.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранная в качестве прототипа оправка для намотки сложнопрофильных изделий из полимерных композиционных материалов. Оправка содержит несущий вал с осевым каналом и радиальными сквозными каналами для создания вакуума, оболочку из термостойкой силиконовой резины с цилиндрическими отверстиями в торцевой части, порошкообразный наполнитель в виде мелкозернистого кварцевого песка функционально являющийся дополнительным несущим элементом, торцевые крышки, эксцентриковые зажимы и вакуумные клапаны.The closest in technical essence to the proposed utility model is the mandrel chosen as a prototype for winding complex-shaped products made of polymer composite materials. The mandrel contains a carrier shaft with an axial channel and radial through channels for creating a vacuum, a shell of heat-resistant silicone rubber with cylindrical holes in the end part, a powdered filler in the form of fine-grained quartz sand, which is functionally an additional carrier element, end caps, eccentric clamps and vacuum valves.

Оправка обеспечивает многократное изготовление сложнопрофильных изделий методом намотки, в частности, длинномерных изделий с переменным профилем, выпукло-вогнутых изделий и гофрированных труб (Патент РФ №120915, опубл. 10.10.2012 г.).The mandrel provides repeated production of complex-shaped products by winding, in particular, long-length products with a variable profile, convex-concave products and corrugated pipes (RF Patent No. 120915, publ. 10.10.2012).

Недостатком известной оправки, в том числе технической проблемой, является низкая работоспособность оправки и низкая производительность процесса намотки, обусловленные засорением радиальных сквозных каналов несущего вала оправки мелкозернистым кварцевым песком. Для устранения этого недостатка требуется частая разборка оправки и обратная продувка сквозных каналов, что увеличивает трудоемкость процесса намотки и снижает его производительность.The disadvantage of the known mandrel, including a technical problem, is the low performance of the mandrel and the low productivity of the winding process, due to clogging of the radial through channels of the bearing shaft of the mandrel with fine-grained quartz sand. To eliminate this shortcoming, frequent disassembly of the mandrel and back blowing of through channels are required, which increases the complexity of the winding process and reduces its productivity.

В процессе намотки на оболочку и находящийся под ней мелкозернистый кварцевый песок действуют силы намотки от наматываемой ленты или волокон. Попадание в процессе намотки мелкозернистого кварцевого песка, функционально являющегося дополнительным несущим элементом оправки, в радиальные сквозные каналы несущего вала, уменьшает количество песка под оболочкой, искажает наружную форму оправки и снижает точность наматываемого изделия.During the winding process, winding forces from the winding tape or fibers act on the casing and the fine-grained quartz sand under it. In the process of winding, fine-grained quartz sand, which is functionally an additional supporting element of the mandrel, gets into the radial through channels of the bearing shaft, reduces the amount of sand under the shell, distorts the outer shape of the mandrel and reduces the accuracy of the wound product.

В основу заявленной полезной модели положен технический результат - повышение точности наматываемого изделия.The claimed utility model is based on the technical result - increasing the accuracy of the wound product.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности наматываемого изделия.The technical result of the proposed utility model is to increase the accuracy of the wound product.

Технический результат достигается тем, что оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов, содержащая несущий вал с осевым и радиальными сквозными каналами и оболочку из термостойкой силиконовой резины, выполненную в виде вакуумно-герметичного узла с наполнителем, функционально являющимся дополнительным несущим элементом, расположенным между валом и оболочкой, согласно изобретению, несущий вал выполнен сборным из двух половин, сквозные радиальные каналы выполнены коническими, при этом в качестве наполнителя использован гранулированный металлический порошок с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов.The technical result is achieved by the fact that the mandrel for winding profiled products made of polymer composite materials, containing a carrier shaft with axial and radial through channels and a shell of heat-resistant silicone rubber, made in the form of a vacuum-tight unit with a filler, which is functionally an additional carrier element located between shaft and shell, according to the invention, the bearing shaft is made of two halves, the through radial channels are made conical, while granular metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of the through conical radial channels is used as a filler.

Полезная модель поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 схематично изображена схема конструкции оправки для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов.The utility model is illustrated by graphic images, where figure 1 schematically shows the design of the mandrel for winding profiled products from polymer composite materials.

Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов содержит несущий вал 1 с осевым 2 и радиальными 3 сквозными каналами и оболочку 4 из термостойкой силиконовой резины, выполненную в виде вакуумно-герметичного узла с наполнителем 5, функционально являющимся дополнительным несущим элементом, расположенного между несущим валом 1 и оболочкой 4. При этом несущий вал 1 выполнен сборным из двух половин, сквозные радиальные каналы 3 выполнены коническими, а в качестве наполнителя использован гранулированный металлический порошок с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов. Кроме этого, оправка может содержать торцевые крышки 6, эксцентриковые зажимы 7 и вакуумные клапаны 8.The mandrel for winding profile products made of polymer composite materials contains a carrier shaft 1 with 2 axial and 3 radial through channels and a shell 4 made of heat-resistant silicone rubber, made in the form of a vacuum-tight unit with filler 5, which is functionally an additional carrier element located between the carrier shaft 1 and shell 4. In this case, the bearing shaft 1 is made of two halves, the through radial channels 3 are made conical, and granular metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of the through conical radial channels is used as a filler. In addition, the mandrel may contain end caps 6, eccentric clamps 7 and vacuum valves 8.

Оправка для намотки профильных изделий из полимерных композиционных материалов функционирует следующим образом.Mandrel for winding profile products made of polymer composite materials operates as follows.

Несущий вал 1, состоящий из двух половин, является основной деталью разборной оправки, на которую крепятся все остальные детали. Плоскость разъема несущего вала 1 проходит по горизонтальной оси симметрии, половины несущего вала соединяются между собой винтами (не показаны). Основной функцией несущего вала является создание конструктивной прочности и жесткости оправки в процессе намотки изделия. Помимо этого, несущий вал содержит систему сообщающихся воздушных каналов, состоящую из осевого канала 2 и множества сквозных конических радиальных каналов 3. В каждом сечении несущий вал имеет по шесть радиальных каналов. Воздушные каналы несущего вала предназначены для создания вакуума внутри оправки и через ручные вакуумные клапаны 8 сообщаются с вакуумным насосом (не показан). Гранулированным наполнителем 5 оправки является сухой гранулированный металлический порошок с диаметром гранул 2-3 мм. Диаметр гранул должен превышать наименьший (малый) диаметр сквозных конических радиальных каналов 3 несущего вала 1. Наиболее подходящим для этих целей видом наполнителя являются сферические гранулированные порошки на основе железа, полученные методом распыления. Засыпка наполнителя 5 может осуществляться двумя способами: вручную через воронку в вертикальном положении оправки на встряхивающей машине, или нагнетающим пневмотранспортом с помощью воздуходувки. В обоих случаях для засыпки наполнителя 5 оправка должна быть в полусобранном состоянии: с одной стороны оправки должна быть установлена торцевая крышка 6. Между торцевой крышкой 6 и несущим валом 1 с помощью эксцентрикового зажима 7 должна быть зажата оболочка 4. После уплотнения наполнителя 5 в рабочем пространстве оправки, устанавливается вторая торцевая крышка 6 и поджимается своим эксцентриковым зажимом 7. При этом цилиндрические выступы торцевой крышки 6 должны входить в отверстия оболочки 4. Это способствует созданию между несущим валом 1, оболочкой 4 и торцевой крышкой 6 герметичного стыка и дополнительно уплотняет наполнитель 5 в рабочем пространстве оправки. Между несущим валом 1 и торцевыми крышками 6 устанавливаются резиновые прокладки, также способствующие герметичности конструкции оправки. После сборки оправки с помощью вакуумного насоса в рабочем пространстве оправки создают вакуум и перекрывают его ручным вакуумным клапаном 8. Уровень вакуума зависит от сложности и размеров наматываемого изделия 9, и максимально достигает 10 мбар. Под действием вакуума гранулированный наполнитель 5 уплотняется до монолитного состояния и к нему притягивается оболочка 4. Оправка готова для намотки.Bearing shaft 1, consisting of two halves, is the main part of the collapsible mandrel, on which all other parts are attached. The plane of the bearing shaft 1 passes along the horizontal axis of symmetry, the halves of the bearing shaft are interconnected by screws (not shown). The main function of the carrier shaft is to create structural strength and rigidity of the mandrel in the process of winding the product. In addition, the bearing shaft contains a system of communicating air channels, consisting of an axial channel 2 and a plurality of through conical radial channels 3. In each section, the bearing shaft has six radial channels. The air channels of the carrier shaft are designed to create a vacuum inside the mandrel and through manual vacuum valves 8 communicate with a vacuum pump (not shown). The granular filler 5 of the mandrel is a dry granular metal powder with a granule diameter of 2-3 mm. The diameter of the granules must exceed the smallest (small) diameter of the through conical radial channels 3 of the bearing shaft 1. The most suitable type of filler for these purposes are iron-based spherical granular powders obtained by spraying. Backfilling of the filler 5 can be carried out in two ways: manually through a funnel in the vertical position of the mandrel on a shaking machine, or by blowing pneumatic transport using a blower. In both cases, to fill the filler 5, the mandrel must be in a semi-assembled state: on one side of the mandrel, an end cover 6 must be installed. Between the end cover 6 and the bearing shaft 1, the shell 4 must be clamped using an eccentric clamp 7. After compaction of the filler 5 in the working space of the mandrel, the second end cap 6 is installed and pressed with its eccentric clamp 7. In this case, the cylindrical protrusions of the end cap 6 must enter the holes of the shell 4. This contributes to the creation of a sealed joint between the bearing shaft 1, the shell 4 and the end cap 6 and additionally seals the filler 5 in the working space of the mandrel. Between the bearing shaft 1 and the end caps 6, rubber gaskets are installed, which also contribute to the tightness of the mandrel structure. After assembling the mandrel with the help of a vacuum pump, a vacuum is created in the working space of the mandrel and blocked by a manual vacuum valve 8. The vacuum level depends on the complexity and size of the wound product 9, and reaches a maximum of 10 mbar. Under the action of vacuum, the granular filler 5 is compacted to a monolithic state and the sheath 4 is attracted to it. The mandrel is ready for winding.

Оболочка 4 разборной оправки изготавливается из термостойкой силиконовой резины, которая имеет хорошую упругость и низкую адгезию к материалам наматываемого изделия. Форма оболочки 4 определяет форму наматываемого изделия 9. Применение предлагаемой оправки наиболее целесообразно для намотки профильных изделий сложной формы, которые нельзя намотать на традиционных разборных оправках. После намотки и отверждения изделия 9, открывается любой из вакуумных клапанов 8. При этом гранулированный наполнитель 5 переходит в сыпучее состояние. После снятия торцевых крышек 6, наполнитель 5 высыпают из оправки. Силиконовую оболочку 4 извлекают из изделия 9 вместе с несущим валом 1. Упругие и эластичные свойства силиконовой оболочки 4 позволяют использовать ее для многократной намотки.The shell 4 of the collapsible mandrel is made of heat-resistant silicone rubber, which has good elasticity and low adhesion to the materials of the wound product. The shape of the shell 4 determines the shape of the wound product 9. The use of the proposed mandrel is most appropriate for winding profile products of complex shape that cannot be wound on traditional collapsible mandrels. After winding and curing of the product 9, any of the vacuum valves 8 opens. In this case, the granular filler 5 passes into a free-flowing state. After removing the end caps 6, the filler 5 is poured out of the mandrel. The silicone shell 4 is removed from the product 9 together with the bearing shaft 1. The elastic and elastic properties of the silicone shell 4 allow it to be used for multiple winding.

Несущий вал 1 имеет сборную конструкцию, состоящую из двух половин, с плоскостью разъема по горизонтальной оси симметрии. Сборная конструкция несущего вала 1 позволяет выполнить в нем сквозные конические радиальные каналы 3. Коническая форма сквозных радиальных каналов 3 исключает их засорение наполнителем 5, как в процессе сборки оправки, так и в процессе намотки.The bearing shaft 1 has a prefabricated structure, consisting of two halves, with a parting plane along the horizontal axis of symmetry. The prefabricated design of the bearing shaft 1 makes it possible to make through conical radial channels 3 in it. The conical shape of the through radial channels 3 excludes their clogging with filler 5, both during the assembly of the mandrel and during the winding process.

В процессе намотки на эластичную оболочку 4 и находящийся под ней гранулированный наполнитель 5, функционально являющийся дополнительным несущим элементом оправки, действуют силы намотки от наматываемой ленты или волокон. Наполнитель 5 в виде сухого гранулированного металлического порошка имеет диаметр гранул 2-3 мм, что превышает наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов 3 несущего вала 1.In the process of winding on the elastic shell 4 and the granular filler 5 located under it, which is functionally an additional bearing element of the mandrel, the winding forces from the wound tape or fibers act. The filler 5 in the form of a dry granulated metal powder has a granule diameter of 2-3 mm, which exceeds the smallest diameter of the through conical radial channels 3 of the bearing shaft 1.

При этом исключается попадание гранул наполнителя 5 под действием сил намотки в сквозные конические радиальные каналы 3 несущего вала 1, их засорение и уменьшение количества наполнителя 5 под оболочкой 4, которое в противоположном случае приводит к искажению наружной формы оправки и снижению точности наматываемого изделия.This excludes the ingress of filler granules 5 under the action of winding forces into through conical radial channels 3 of the bearing shaft 1, their clogging and a decrease in the amount of filler 5 under the shell 4, which otherwise leads to a distortion of the outer shape of the mandrel and a decrease in the accuracy of the wound product.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение точности наматываемого изделия за счет использования сборного несущего вала со сквозными коническими радиальными каналами и гранулированного металлического порошка с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов.Thus, the claimed set of essential features, reflected in the formula of the utility model, provides the claimed technical result - improving the accuracy of the wound product through the use of a prefabricated carrier shaft with through conical radial channels and granulated metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of the through conical radial channels. .

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого технического результата.An analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для повышения точности длинномерных профильных изделий в различных отраслях промышленности за счет использования сборного несущего вала со сквозными коническими радиальными каналами и гранулированного металлического порошка с диаметром гранул, превышающим наименьший диаметр сквозных конических радиальных каналов;an object embodying the claimed technical solution, when implemented, is intended to improve the accuracy of long-length profile products in various industries through the use of a prefabricated bearing shaft with through conical radial channels and granular metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of through conical radial channels;

для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;for the declared object in the form as it is characterized in the formula, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application or known from the prior art on the priority date is confirmed;

объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.an object embodying the claimed technical solution, in its implementation, is capable of achieving the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the patentability criteria "novelty" and "industrial applicability" under the current legislation.

Claims

A mandrel for winding profiled products made of polymer composite materials, containing a carrier shaft with axial and radial through channels and a shell made of heat-resistant silicone rubber, made in the form of a vacuum-tight unit with a filler that is functionally an additional carrier element located between the shaft and the shell, characterized in that that the bearing shaft is made of two halves, the through radial channels are made conical, while granular metal powder with a granule diameter exceeding the smallest diameter of the through conical radial channels is used as a filler.