Химическая промышленность

Технология формования изделий методом намотки

Намотка — процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. При этом способе армирующий материал (нить, лента, жгут или ткань) укладываются по заданной траектории на вращающуюся оправку, которая несет внутреннюю геометрию изделия.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирующий материал. 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 90o относительно оси оправки, включая любые углы спирали в этом интервале.

Основными материалами для матрицы служат эпоксидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для намотки изделий из углеродных волокон чаще применяются эпоксидные смолы, тогда как для намотки изделий из стеклопластиков — ненасыщенные полиэфирные смолы. Для получения теплостойких изделий используются полиимидные смолы.

Способы намотки можно классифицировать:

  • по способу совмещения связующего и наполнителя;
  • рисунку укладки арматуры;
  • устройству намоточного оборудования.

По способу совмещения различают «сухую» и «мокрую» намотку. В способе «мокрой» намотки смола наносится на армирующий волокнистый материал в процессе самой намотки. На рис. 1 показана схема «мокрой» намотки.

Схема «мокрой» намотки

Рис. 1. Схема «мокрой» намотки1 — шпулярник с армирующим волокном; 2 — пропиточная ванна со связующим;3 — отжимные ролики; 4 — вращающаяся оправка

Оборудование при этой технологии намотки состоит из следующих составляющих:

  • секции подачи стеклянного ровинга;
  • установки для приготовления связующего (смесь полиэфирная смола — катализатор или другой тип связующего);
  • ванны со связующим — катализированной полиэфирной смолой или другим типом смолы, через которую проходят и смачиваются нити ровинга;
  • секции намотки с валами вращения, размер которых определяет диаметр конечного изделия;
  • органов управления оборудованием для намотки.

В случае «мокрой» намотки требуется более низкое усилие при натяжении арматуры, что позволяет применять оборудование меньшей мощности и оправки меньшей жесткости. «Мокрая» намотка обеспечивает лучшую формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной конфигурации и сосудов высокого давления.

«Сухая» намотка основана на использовании препрегов. Она обеспечивает равномерное содержание связующего, задаваемого при изготовлении препрегов, и, следовательно, стабильность прочностных свойств изделий. Коэффициент трения при «сухой» намотке практически в два раза выше, чем при «мокрой», что позволяет формировать более сложные формы этим способом. При использовании «сухого» метода повышается культура производства и увеличивается производительность.

Однако при этом методе необходимо обеспечивать значительное натяжение арматуры. После завершения намотки проводят отверждение связующего. Его осуществляют в термокамерах при соответствующей температуре (например, в случае эпоксидных смол при 395 или 450 К); время отверждения обычно составляет 1−2 ч; в процессе отверждения желательно продолжать вращение оправки. Затем оправку извлекают из изделия с помощью специальной машины. Проводится окончательная отделка изделия: зачистка, обработка его торцов и т. д.

Конструкции, намотанные по поверхностям вращения, могут быть получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, конической и геодезической формы. По рисунку укладки арматуры существует несколько способов намотки. При поперечной (кольцевой) намотке препрег в виде лент укладывается в плоскости, перпендикулярной оси вращения оправки (рис. 2).

Схема поперечной намотки

Рис. 2. Схема поперечной намотки1 — оправка; 2 — рулоны с препрегом; 3 — ленты препрега; 4 — прикатной подогреваемый ролик; 5 — приводные ролики

Продольная (осевая) намотка предполагает укладку арматуры вдоль оси изделия (рис. 3), при этом раскладчик движется по направляющей от полюса к полюсу и при смене направления движения оправки проворачивается на угол 1800 + Δ , где Δ — шаг намотки.

Схема осевой намотки

Рис. 3. Схема осевой намотки1 — оправка; 2 — раскладчик; 3 — направляющая

Продольно-поперечная намотка является комбинацией поперечной и осевой (рис. 4). Вертлюг, на котором по периметру установлены шпули с ленточной арматурой, вращаясь синхронно с оправкой, перемещается при этом вдоль оси оправки, укладывая продольные ленты. Одновременно поперечные раскладчики, перемещаясь вдоль оси оправки, укладывают ленточную арматуру, фиксирующую ленты продольной укладки. Метод, как правило, применяется при «сухом» режиме изготовления изделия.

Схема продольно-поперечной намотки

Рис. 4. Схема продольно-поперечной намотки: 1 — оправка; 2 — вертлюг; 3 — шпули; 4 — ленты продольной укладки; 5 — поперечные раскладчики; 6 — ленты поперечной намотки

При спиральной намотке армирующая лента, пропитанная полимерным связующим, укладывается на поверхность вращающейся оправки по винтовой линии (рис. 5). Скорости перемещения раскладчика и вращения оправки задаются такими, чтобы обеспечить требуемый угол намотки. Главной разновидностью спиральной намотки является геодезическая намотка, при которой армирующий материал ложится на поверхности оправки по геодезическим линиям.

Из всех возможных линий, лежащих на поверхности оправки, геодезическая та, которая кратчайшим образом соединяет произвольные точки, принадлежащие этой поверхности. Именно при таком расположении нитей намотки при эксплуатации имеет место нагружение вдоль волокна, что обеспечивает максимальную прочность изделия.

Схема простой спиральной намотки

Рис. 5. Схема простой спиральной намотки1 — оправка; 2 — раскладчик; 3 — лента препрега

Методом намотки можно формовать изделия, работающие в специфических условиях нагружения, таких как внутреннее или наружное давление, сжимающие или крутящие нагрузки. Намотка дает возможность укреплять термопластичные трубы и металлические сосуды высокого давления наружными бандажами. Изделия могут быть спроектированы и сделаны с высокой степенью точности. С другой стороны, для намотки характерны меньшие скорости производства.

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. В намоточных станках, выполненных по токарной схеме, оправка непрерывно вращается, в то время как раскладчик, подающий арматуру, перемещается возвратно-поступательно по направляющей. При реализации шлифовальной схемы картина обратная: вращающая оправка совершает возвратно-поступательные движения, а раскладчик неподвижен.

Выбор схемы определяется соотношением размеров наматываемого изделия и толщины его стенок. Так, при больших габаритах оправки целесообразнее токарная схема, а для намотки толстостенного баллона небольшого размера — шлифовальная. Имеются также машины для непрерывного производства труб. Спроектировано портативное оборудование для намотки больших резервуаров на месте установки. С помощью этих машин производится обычно только намотка по окружности, а для усиления конструкции в продольном направлении применяют рубленую пряжу или ленты.

В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно укладывать на оправке в любом направлении.

Оправки для намотки должны иметь форму и размеры, точно соответствующие форме и размеру внутренней поверхности наматываемых изделий и быть стабильными под действием силовых и температурных воздействий при намотке и отверждении. Они должны быть технологичными, т. е. обеспечивать минимум трудозатрат и времени на их изготовление и извлечение из готового изделия, иметь возможно меньшую массу и себестоимость.

Используют неразборные, разборные, выплавляемые, разрушаемые, выжигаемые, надувные и комбинированные оправки. Неразборная оправка используется при изготовлении изделий, открытых хотя бы с одного торца и позволяющих извлечение оправки. Такая оправка используется многократно. Использование оправки такого типа ограничено конструкцией изделия и во многих случаях невозможно. Формование крупногабаритных изделий с применением неразборной оправки затруднено также в связи с необходимостью приложения больших усилий для ее выемки из отформованного изделия.

При невозможности осевого извлечения оправки из готового изделия сложной формы ее делают разборной. Разборные оправки имеют высокое качество поверхности, легко извлекаются из готового изделия, используются многократно, но стоят довольно дорого. Разрушаемые оправки имеют одноразовое применение, изготавливаются из относительно прочного, но в то же время легкоразрушаемого материала, например, гипса. Стоимость их высока, а после разрушения оправки ее куски подлежат уничтожению.

Для изготовления одноразовых оправок возможно использование песчано-смоляных композиций и легкоплавких материалов. Такие оправки удобны в работе, так как их изготовление достаточно просто, а материалы для их производства могут быть использованы многократно. В качестве легкоплавких материалов для изготовления оправок применяют парафино-восковые составы, некоторые термопласты, эвтектические сплавы. Выплавляемые оправки могут быть использованы только при производстве изделий из армированных композитов на основе связующего холодного отверждения.

Особые преимущества оправки из выплавляемых материалов возникают при изготовлении изделий со сложной поверхностью, с полостями и каналами. Выжигаемые оправки изготавливают из легкогорючих материалов низкой плотности, например, из пенополистирола. Они дешевы, так как расход материалов на их производство невелик, а технология изготовления проста. Такие оправки также удобно использовать для производства изделий сложной формы, имеющих полости.

И наконец, надувные оправки изготавливают из эластичных материалов, например, резины. Такие оправки надуваются воздухом и могут служить в качестве оснастки для производства оболочковых конструкций из полимерных композитов. Однако применение надувных оправок ограничивается возможностями получения изделий с точными размерами и рядом других технологических причин.

Преимущества и недостатки метода намотки.

Основные преимущества метода:

  • 1) очень быстрый, а потому экономически выгодный метод укладки армирующего материала;
  • 2) регулируемое соотношение смола/наполнитель;
  • 3) высокая прочность при малом собственном весе;
  • 4) неподверженность коррозии и гниению;
  • 5) недорогие материалы;
  • 6) хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание арматуры.

Основные недостатки:

  • 1) ограниченная номенклатура изделий;
  • 2) дорогое оборудование;
  • 3) волокно трудно точно положить по длине сердечника;
  • 4) высокие затраты на сердечник для больших изделий;
  • 5) рельефная лицевая поверхность.

Технология намотки применяется прежде всего при изготовлении из стеклопластика тел вращения: стеклопластиковых труб для нефтегазовой, химической промышленности; газоотводящих стеклопластиковых труб; стеклопластиковых цистерн для хранения и транспортировки химически активных продуктов, воды, горюче-смазочных материалов.

Полученные при намотке стеклопластиковые трубы и емкости имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. В первую очередь это высокая прочность при малом собственном весе, что значительно снижает издержки по транспортировке, погрузочно-разгрузочным операциям и монтажным работам; во-вторых, высокая надежность в эксплуатации при температурах от – 40 до + 50 °C и высокая атмосферостойкость, химостойкость, неподверженность коррозии и гниению. И наконец, возможность фланцевого или муфтового соединения фрагментов, что исключает затраты на сварочные работы при монтаже.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.