Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
114
УДК 629.7.002
.72
Е.В. Шилина,
С.А. Шилин
ОБЗОР И АНАЛИЗ ФОРМО
ОБРАЗУЮЩИХ
ОПРАВ
ОК
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
КОМПОЗИТНЫХ
КОРПУСОВ
РАКЕТНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО
ТОПЛИВА
МЕТОДОМ «МОКРОЙ» НАМ
ОТКИ
Введение
В ракетно
-
космической отрасли
накоплен опыт производства из
д
е
лий из полимерн
ых
композиционных материалов (ПКМ) методом намо
т
ки
[1]
.
Изготовление таких конструкций из ПКМ проводится с использов
а
нием намоточных станков с программным управлением. При этом о
д
ной
из главных задач при разработке технологии изготовления
изделий из
ПКМ является создание наиболее эффективной формообразующей
о
с
настки, во многом обеспечивающей выполнение требований констру
к
торской документации к разрабатыва
е
мой конструкции
[2].
Одной из основных задач при изготовлении корпусов
ракетных
двигат
елей твердого топлива
(
РДТТ
)
является правильный выбор фо
р
мообразующей оправки, обеспечивающей выполнение требований ко
н
структорской документации к выходным геометрическим параметрам
корпуса
[
1,
3].
Результаты анализа литературных данных по вопросам произ
во
д
ства изделий типа «кокон» из ПКМ методом «мокрой» намотки позвол
и
ли определить основные требования к формообразующим опра
в
кам
[
1
–
4
].
Они должны:
обеспечивать геометрические параметры корпуса;
обеспечивать качественную внутреннюю поверхность изгота
в
лив
аемого изделия;
обладать достаточной прочностью при знакопеременных
н
а
грузках, возн
и
кающих в процессе намотки корпуса;
обладать достаточной жесткостью
для исключения прогиба под
действием знакопеременных нагрузок;
обеспечивать возможность извлечени
я
оправк
и после провед
е
ния режима термообработки изделия.
При производстве изделий типа «кокон» методом намотки можно
использовать следующие типы оправок: надувные, разрушаемые, цел
ь
нометалл
и
ческие и
разборные.
Корпус РДТТ имеет форму кокона, поэтому оправка, на к
оторую
наматывается армирующий материал, должна быть разборной либо
разрушаемой, чтобы можно было извлечь ее после отверждения пл
а
стика.
Для изготовления разрушаемых оправок используют гипс, эвтект
и
ческие соли, песок, связанный раствором поливинилового спи
рта в воде,
парафиновосковую смесь. Извлечение данного типа оправки произв
о
дят
115
механическим разрушением, вымыванием, выплавлением, растворен
и
ем в соответствующих жидкостях при нормальной или повышенной те
м
ператур
е
.
Технологический процесс изготовления ра
зрушаемой оправки я
в
ляе
т
ся трудоемким и может быть рекомендован только для единичного
либо мелкосерийного производства.
В
статье
анализируются возможности создания и использования
разборных металлических оправок многоразового применения
в
цел
ях
повышения и
х технологичности и сокращения цикла изготовления ко
р
пусов РДТТ в условиях серийного производства.
Основная часть
Надувная оправка.
Надувная
оправка (рис.
1)
для изготовления
корпусов типа «кокон» содержит вал, установленную на нем надувную
оболочку и шт
уцер для подачи сжатого газа.
Рисунок 1
–
Конструктивная схема надувной оправки
:
1
–
сплошной вал; 2
–
надувная оболочка; 3
–
штуцер;
4
–
несущая об
о
лочка
Надувная оболочка выполнена из эластичного газонепроница
е
мого
материала, например резины.
Она
р
азмещена внутри несущей оболочки
из эластичного материала, жестко соединенной с в
а
лом.
Перед намоткой изделий в надувную оболочку подается сжатый
воздух. После окончания изготовления изделия сжатый воздух выпуск
а
ется и через полюсное отверстие изделия и н
есущей оболочки извлек
а
ется вал с надувной оболочкой.
Такая конструкция оснастки имеет целый ряд недостатков:
в первую очередь, это недостаточная надежность конструкции
о
с
настки из
-
за необходимости обеспечения ее герметичности в течение
вс
е
го цикла намотки
и полимеризации, в том числе и при повышенных
темп
е
ратурах. Любое возможное нарушение герметичности вследствие
повре
ж
дения надувной оболочки приведет к необратимому браку корп
у
са;
116
при такой конструкции оправки чрезвычайно сложно обеспеч
и
вать ст
а
бильные вы
ходные геометрические параметры корпуса, так как
в процессе намотки необходимо постоянно увеличивать давление вну
т
ри надувной оболочки, чтобы компенсировать постоянно увеличива
ю
щееся контактное давление на нее от наматываемых слоев армирующ
е
го материала (
по нашей оценке давление внутри надувной оболочки
может составлять несколько десятков атм
о
сфер);
достаточно сложно обеспечить необходимую точную фиксацию
з
а
кладных элементов корпуса;
важно также отметить неприемлемые условия работы обслуж
и
вающего персона
ла с такой оправкой из
-
за возможности ее разруш
е
ния
от возрастающего давления газа внутри надувной оболочки [
5
].
Поэтому для изготовления изделия типа корпус РДТТ надувные
оправки
обычно
не используются.
Разрушаемая оправка.
Процесс изготовления оправки (
рис.
2) я
в
ляется сложным и трудозатратным.
Он включает в себя изготовление
песчаных элементов в специал
ь
ных формах с последующей фиксацией
элементов на валу и склейкой между собой. Далее проводится механ
и
ческая обработка контура оправки для получения необх
одимого проф
и
ля,
чтобы
обеспечи
ть
выполнение внутренних геометрических разм
е
ров
готового изделия [
6
].
Рисунок 2
–
Конструктивная схема разрушаемой оправки
:
1
–
вал; 2
–
песчаный элемент переднего днища; 3
–
цилиндрический
песчаный элемент; 4
–
песчаный
элемент заднего дн
и
ща
Как уже отмечалось выше, д
ля изготовления разрушаемых оправок
используют гипс, эвтектические соли, песок, связанный раствором пол
и
винилового спирта в воде, парафиновосковую смесь. Перед извлечен
и
ем оправок из изготовленного корпуса п
роводят их механическое разр
у
шение внутри корпуса
с
помощ
ью
вымывания
, выплавления или раств
о
рения.
В работе
[
4
]
п
оказано, что песчано
-
полимерная оправка обеспеч
и
вает выполнение требований конструкторской документаци
и. Однако
выпаривание песчано
-
полимерно
й смеси после изготовления корпуса
требует длительного времени (до 40 часов).
117
К недостаткам разрушаемых оправок можно отнести:
разрушаемые оправки являются одноразовыми (исключая вал,
на котором они собираются и пресс
-
формы для формования секций)
,
т.
е
.
п
еред изготовлением каждого корпуса необходимо изготовить раз
о
вую технологическую оправку, что существенно удлиняет произво
д
с
т
венный цикл изготовления корп
у
сов;
изготовление таких оправок требует дополнительно очень выс
о
ких трудозатрат, сравнимых с трудозат
ратами по намотке корпуса, что
существенно влияет на конечную стоимость изделия, изготовленн
о
го на
такой оправке;
срок хранения таких оправок обычно ограничен;
после намотки и термообработки корпуса РДТТ имеет место
длительный процесс разрушения и извлече
ния разрушаемых элементов
опра
в
ки
для
извлечения вала из корпуса;
относительно большие усадки оправок под действием сжима
ю
щих нагрузок наматываемого армирующего наполнителя, поэтому при
использовании таких оправок необходимо проведение д
о
полнительных
иссле
дований, чтобы обеспечить выполнение требований по выходным
геометрич
е
ским параметрам корпусов.
Таким образом, использование таких оправок возможно, но треб
у
ет д
о
полнительных финансовых и временных затрат.
Цельнометаллические оправки.
При использовании мет
аллич
е
ской оправки снижается производственный цикл изготовления изделия.
Срок службы таких оправок практически не ограничен. Выбор материала
оправок определяется размером изделий, требован
иями
к точности их
изготовления и масштабом производства [
1
]. Оправк
и изготавливают
обычно из стали и алюминиевого
сплава.
Ниже
рассмотрены два типа
цельн
о
металлических оправок:
1.
Цельнометаллическая оправка представляет собой тонкосте
н
ны
й металлический лейнер (рис.
3), который в процессе изготовления
изделия упрочня
е
т ко
рпус
из
ПКМ. Данная оправка проста в эксплуат
а
ции, обеспечивает точность ВГП и герметичность внутренней камеры
без применения дополнител
ь
ных герметизирующи
х
материалов.
Рисунок 3
–
Конструктивная схема цельнометаллической оправки
118
Недостатками данной конструкции цельнометаллической оправки
являются:
одноразовое применение оправки, так как она является частью
и
з
делия;
увеличение массы конструкции корпуса РДТТ (большая толщ
и
на стенок лейнера для обеспечения достаточной жесткости при н
амотке
упрочн
я
ющей оболочки).
Поэтому использование оправок данного типа целесообразно для
оболочек малых размеров.
2.
Еще один возможный вариант цельнометаллической оправка
представляет собой тонкостенный металлический лейнер
-
трубу (
рис.
4),
который в пр
оцессе изготовления и
з
делия упрочняют оболочкой из ПКМ
.
Рисунок 4
–
Конструктивная схема металлической оправк
и:
1
–
упрочняющая оболочка корпуса; 2
–
металлические
переднее
и заднее днища; 3
–
металлический ле
й
нер
Преимущества и недостатки данной кон
струкции аналогичны с
пр
е
дыд
у
щим типом цельнометаллической оправки
Разборные оправки.
Для корпусов РДТТ, имеющих форму кок
о
на,
металлическая оправка может быть также разборной
для извлечения
ее
после отверждения корпуса. Рассмотрим два типа разборных опр
а
в
ок
.
119
1.
Разборная оправка
(
рис.
5)
представляет собой многосекц
и
онную конструкцию, каждая формообразующая секция которой крепится
к несущему валу. Размеры отдельных секций и их количество определ
я
ется диаметром максимального полюсного отверстия корпуса. Такая
конструкция позволяет после проведения режима полимеризации изд
е
лия извлечь оправку из корпуса посредством выполнения перечисле
н
ных
ниже
эт
а
пов:
раскрепление несущего вала и формообразующих секций;
извлечение несущего вала из корпуса;
извлечение формообраз
ующих секций [
1
].
Такая конструктивная схема оправки позволяет изготавливать
крупногабаритные корпуса. Оправка может использоваться большое к
о
личество циклов производства. При этом обеспечивается высокая ст
а
бильность воспроизведения геометрических параме
т
ров корпуса.
Рисунок 5
–
Конструктивная схема металлической разборной оправки
:
1
–
разборные части оправки, формующие днища; 2
–
цилиндрическая
часть оправки; 3
–
вал; 4
–
гайки для сборки частей днищ; 5
–
гайки
кр
е
пления оправки на валу
К недостатка
м такой конструктивной схемы разборной оправки можно
о
т
нести [
2
]:
необходимость наличия достаточно большого полюсного о
т
верстия корпуса;
высокую стоимость
изготовления такой оснастки.
2.
Разборная оправка
(
рис.
6, 7)
содержит центральный монта
ж
ный стержень,
на котором установлены продольные сегменты, а на ст
ы
ковочных гранях выполнены конические Г
-
образные пазы.
120
Рисунок 6
–
Конструктивная схема металлической разборной оправки с
замковым устройством:
1
–
центральный монтажный ст
е
ржень (вал); 2
–
рабочая пов
ерхность
оправки; 3
–
тяга замкового устройства; 4
–
разъемные кольца; 5
–
га
й
ки
Рисунок 7
–
Конструктивная схема металлической разборной оправки
с за
м
ковым устройством:
1
–
конические Г
-
образные пазы; 2
–
продольные сегменты;
3
–
установочный болт;
4
–
отжимные болты
Сегменты зафиксированы между собой посредством замкового
устройства. Замковое устройство представляет собой тягу, имеющую
возможность продольного перемещения, на которой закреплены кро
н
штейны, поджатые с двух сторон тарельчатыми пружина
ми. В кро
н
штейне закреплен фиксирующий эл
е
мент из высокопрочного материала
с наружной оболочкой из более мягкого материала, предназначенный
121
для фиксации в конических Г
-
образных пазах. Достигаемый при этом
технический результат заключается в повышении прои
зводительности
процесса сборки
-
разборки опра
в
ки [
7
].
К недостаткам такой металлической разборной оправки можно о
т
нести:
необходимость наличия достаточно большого полюсного о
т
верстия корпуса;
еще более высокую стоимость изготовления такой оснастки по
сравн
ению с предыдущими типами оправок;
меньшую (в сравнении с предыдущей схемой) жесткость ко
н
с
т
рукции [
7
]
;
усложнение разборки оправки при малых полюсных отверст
и
ях;
сложность воспроизведения формообразующей наружной п
о
верхности оправки при ее сборке.
Вывод
ы
1.
Проведен обзор типов формообразующих оправок в соотве
т
с
т
вии с предъявленными требованиями по качеству внутренней повер
х
н
о
сти и
зготавливаемого корпуса РДТТ,
достаточной прочности и жестк
о
сти конструкции оправки,
обеспечению извлечения оправки после пр
о
вед
е
ния режима термообработки и
з
делия.
2.
Установлено
,
что рациональней применять: при мелкосерийном
и серийном производстве
–
разборную металлическую оправку, а
при
единично
м
произво
д
ств
е
–
разрушаемую оправку.
3.
Для единичного производства целесообраз
ней использовать
разрушаемые оправки, т.к.
изготовление данной оправки
дешевле
,
чем
разборной металлической
.
Изготовление разрушаемых оправок треб
у
ет
больших трудозатрат, срок хранения компонентов ограничен, после
термообработки изделия процесс извлечения
оправки занимает дл
и
тельное время, поэтому для серийного и мелкосерийного произво
д
ства
разумно применять разборные металлические оправки.
4.
Р
ассмотрены
типы надувных
и цельнометаллически
х
оправок
.
Применение надувных оправок имеет ряд недостатков,
в
та
ком
ти
пе
о
п
равки сложно обеспечить
стабильные геометрические параметры
корп
у
са РДТТ
,
так как постоянно нужно увеличивать давление внутри
наду
в
ной оболочки,
и точную фиксацию закладных элементов корпуса.
Ва
ж
ным моментом является
то, что любое возможное нарушен
ие герм
е
ти
ч
ности оправки приведет к браку изделия
, а также может произойти
ра
з
рушение оправки и изделия от возрастания давле
ния внутри наду
в
ной оболочки.
Ц
ельнометаллическая оправка является одноразовой
,
так
же как и разрушаемая оправка, но применение цель
нометаллической
о
п
равки
увеличивает массу конструкции корпуса РДТТ
,
т.е. оправка не
и
з
влекается из корпуса
,
так как она является частью и
з
делия.
122
Список использованных источников
1
.
Воробей, В.В. Основы технологии и проектирование корпусов
ракетных двигат
елей [Текст] / В.В. Воробей, В.Б. Маркин
.
–
Новосибирск:
Наука, 2003.
–
164 с.
2.
Комков, М.А. Технология намотки композитных конструкций р
а
кет и средств поражений [Текст] / М.А. Комков, В.А. Тарасов.
–
М.: Изд
-
во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
–
431 с.
3.
Твердопаливні ракетні двигуни. Матеріали і технології [Текст]: п
і
друч. / Ф.П. Санін, Л.Д. Кучма, Є.О. Джур, А.Ф. Санін.
–
Д
онецьк
. ДНУ,
1999.
–
320 с.
4
Особенности разработки средств технологического оснащения
для производства изделий из полимерно
-
композ
иционных материалов
методом намотки [Текст] / Г.И. Шайдурова
,
А.С. Зуев, А.Ю. Ешашев,
В.Е.
Антипин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника.
–
Пермь:
ПНИПУ, 2014.
№ 36.
–
С. 64
76.
5
.
Пат. 1004134
СССР
М
.
Кл
3
В 29
D
23/12
.
Оправка для изготовл
е
ния из
делий методом намотки
[Текст] /
И.А. Кожевин, С.А. Хомяков,
Р.Г.
Залялетдинов
(СССР)
.
–
№ 3337918/23
-
05
; заявл. 03.09.81; опубл.
15.03.83, Бюл. № 10.
–
3 с.
6
.
Пат. 478740 СССР М.Кл В 29
d
23/12.
Оправка для изготовления
стеклопластиковых изделий намоткой
[Текст] /
Г.Ф. Северов, А.И. За
й
цев, А.М. Чвикалов, В.А. Кузьмин
(СССР)
.
–
№ 1778224/23
-
5; заявл.
27.04.72; опубл.
30.07.75, Бюл. № 28.
–
2 с.
7.
Пат. 2504471 Российская Федерация, МПК В29С 53/82.
Разбо
р
ная оправка
[Текст] /
Д.А. Лаптев, Д.А. Попо
ва; заяв
итель и патентоо
б
ладатель ООО «Пермский завод «Машиностроитель».
–
№
2012130738/05; заявл. 17.07.12; опубл.
20.01.14, Бюл. № 2.
–
10 с.
Поступила в редакцию
12
.
12
.201
6
.
Рецензент: д
-
р техн. наук
В.
А.
Коваленко
,
Г
П
«Конструкторское бюро «Южное»
им. М.К. Янгеля
»
, г. Днепр
.
Приложенные файлы
