УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Особенности проектирования и изготовления крупногабаритной оснастки из стеклопластика

Васюткин Сергей Федорович,
канд. техн. наук, Генеральный директор ООО "Композит-Групп», Москва

С 70-х годов XX в. в России были освоены практически все основные технологии полуавтоматизированного производства стекло- и углепластиков - намотка, вакуумная пропитка и инжекция, вытягивание профилей (пултрузия), прессование препрегов и премиксов, налажен выпуск всех необходимых химических материалов и стеклонаполнителей, углетканей, кевларовых нитей, пустотелых волокон и стеклошариков и пр. Сейчас в промышленности - значительное отставание и по ассортименту, и по качеству выпускаемых химических и стекломатериалов. Целый ряд продуктов либо не выпускается, либо имеем очень низкие качественные характеристики, не удовлетворяющие современным требованиям. Возможности роста производства стеклопластиков в России связаны пока с расширением использования импортных материалов, инструментов и технологии.

Появление на российском рынке зарубежных поставщиков сократило сроки освоения относительно новых технологий, но возникла зависимость, от поставок импортного сырья и материалов.

В целом сейчас наблюдается в России устойчивый рост производства и потребления стеклопластиков во всех отраслях промышленности.
При производстве изделии из стеклопластиков возникает необходимость изготовления технологической оснастки достаточно крупных размеров: до нескольких квадратных метров и сложной формы (например, с поверхностями двойной кривизны), имеющих одну или несколько разъемных фланцевых соединений.

Наиболее простой и распространенный технологический процесс изготовления крупногабаритной оснастки из стеклопластика - это ручное контактное формование. Общепринятая практика изготовления такой оснастки включает два основных этапа - изготовление прототипа будущей детали в натуральную величину (в масштабе М1:1) - так называемой мастер-модели - и изготовление матрицы, которая формируется на поверхности мастер-модели и является её «негативным» отпечатком, «обратной копией».

Для разработки мастер-модели используется трехмерная модель будущей детали, которая выполняется в одной из систем 3D-проектирования. Эту модель детали необходимо доработать под требования последующего 3-5-координатного фрезерования:
- в поверхности детали «закрываются» все окна, вырезы, отверстия до получения непрерывной поверхностной оболочки;
- для облегчения последующей расформовки деталей из матрицы, вертикальным поверхностям придаются необходимые углы съема - от 1 до 5 градусов;
- для снижения вероятности сколов в стеклопластиковых деталях округляются острые и прямые углы, например, для ручной формовки с использованием прикаточных валиков используют радиусные переходы между поверхностями величиной 6-8 мм;
- для повышения жесткости будущей детали крупноразмерным поверхностям придают определенную сферическую или пирамидальную выпуклость (вогнутость), увеличивают радиусы межплоскостных переходов, вводят поверхности двойной кривизны, гофры с большим периодом повторений, используют другие известные геометрические эффекты поверхностей;
- при необходимости изготовления разъемной оснастки на этом этапе проектируют линии разъема матрицы, расположения направляющих, элементов фиксации полуформ и др.;
- по краям детали достраиваются поверхности технологических фланцев ширимой 50 - 200 мм,
- часто для простоты, наглядности и снижения размеров файла модели весь внутренний объем под поверхностью спроектированной детали заполняется виртуальным «твердым телом»;
- с целью коррекции объемной усадки при полимеризации стеклопластика пропорционально увеличивают масштаб разработанной трехмерной мастер-модели;
- вокруг спроектированной мастер-модели (с припуском 10-15 мм на последующую фрезерную обработку) строится трехмерная заготовка;
- для крупногабаритных заготовок, вес которых при сплошном заполнении модельным материалом может превышать несколько тонн, проектируется ячеистое или сводчатое основание, поверхность которого впоследствии обклеивается блоками или листами модельного материала для последующей обработки на 3-5- координатных фрезерных станках с ЧПУ;
- на основе трехмерных заготовок разрабатывается комплект конструкторской документации для их изготовления в модельном цехе, а файлы с трехмерными моделями заготовок и мастер-модели передаются на участок ЧПУ для разработки управляющих программ фрезерования.

При создании крупногабаритных мастер-моделей, когда нет возможности обработать заготовку на станке «с одного установа», используют разбиение мастер-модели на целый ряд отдельных деталей, обрабатываемых раздельно, а потом собираемых в единую деталь. В этом случае применяют известные способы базирования деталей на едином основании, вводятся базовые поверхности, штифты и разъемы.

В качестве модельных материалов крупногабаритных мастер-моделей чаще всего используют как недорогие материалы - ДСП, МДФ, фанеру и дерево, так и плиты из ПХВ-пенопластов плотностью 100-150 кг/м3 и толщиной 50-100 мм. В последние годы все шире используются для мастер-моделей жесткий и химически инертный пенополиуретан плотностью 200-350 кг/м3 , а для создания каркасов мастер-моделей - пустотелые пултрузионные стеклопластиковые профили.

К недостаткам недорогих материалов на основе древесины относится гигроскопичность, низкая стойкость к органическим растворителям, растрескивание, нестабильность физико-механических свойств, мелкая пыль с содержанием фенольных смол. К недостаткам ПВХ пенопластов - высокая пористость, коррозионная активность пыли в отношении технологического оборудования из-за выделений хлора в процессе фрезерования, малые размеры плит (до 500x500x50 мм), большой разброс по толщине (до 8-10 мм).

После фрезерования заготовки на станках с ЧПУ поверхность полученной мастер-модели шлифуется и покрывается полиэфирными порозаполнителями, шпаклюется и шлифуется до получения требуемого качества поверхности. При необходимости придания зеркального блеска, поверхность мастер-модели покрывается специальными составами, имеющими низкую пористость и высокую жесткость, многократно шлифуется и полируется.

Когда формуемая мастер-модель достигнет необходимых размеров и её поверхность приобретет требуемое качество, переходят ко второму этапу - изготовлению непосредственно технологической оснастки матрицы.

Матрица изготавливается из стеклопластика с использованием специальных малоусадочных смол, имеющих высокие показатели твердости после полимеризации.

Технологический процесс изготовления матриц включает6 основных операций:
1. Нанесение антиадгезива на поверхность мастер-модели;
2. Напыление матричного гелькоута на поверхность мастер-модели;
3. Формование стеклопластика с использованием специальных матричных смол;
4. Приклейка (заформовка) поддерживающего каркаса и закладных;
5. Съем матрицы с мастер-модели;
6. Опиловка матрицы по периметру технологических фланцев.

При изготовлении крупногабаритных матриц необходимо особенно тщательно выполнять ряд рекомендаций.

Полиэфирные смолы - это, прежде всего, хороший клей; от качества применяемых материалов и правильности выполнения всех работ по нанесению антиадгезива на поверхность мастер-модель зависит получение высококачественной матрицы. Важно выдерживать все технологические рекомендации по приготовлению связующих и температурным режимам (материалов, помещения).

Чем больше поверхность матрицы и чем больше на ней прямоугольных выступов, тем тщательнее должны наноситься слои разделительного воска или специальных составов. Вертикальные поверхности желательно покрывать 1-2 слоями антиадгезива дополнительно. В наиболее глубоких местах, если позволяет конструкция детали, желательно заформовать штуцера пневмосъемов. Давление воздуха облегчит как съем самой матрицы, так и съемы серийных деталей.

При формовании матриц большой площади необходимо накладывать слои матричного стеклопластика не более 3-4 мм за один прием с выдержкой между нанесением не менее суток - это снизит вероятность растрескивания за счет объемной усадки, снизит остаточные напряжения между слоями.

Последние слои желательно формовать с использованием стеклорогож, или с заформовкой блоков пенополиуретана плотностью 80-100 кг/м3 - для повышения прочности и жесткости стенок матрицы. Толщина стенок матрицы должна составлять величину не менее 3-4 толщин детали, которая в ней будет изготавливаться в дальнейшем.

Для снижения веса крупногабаритных матриц, повышения жесткости их фланцев, усиления каркаса и снижения коробления желательно по периметру матрицы заформовать пултрузионные стеклопластиковые профили, которые имеют практически одинаковый коэффициент теплового линейного расширения с материалом матрицы.

С целью сокращения технологического цикла изготовления крупногабаритных стеклопластиковых деталей применяют различные способы подогрева матриц, для чего между слоями матриц заформовывают медные трубки для циркуляции жидких теплоносителей, угольные или полимерные нагреватели, выполняют термостатирование наружных слоев матрицы. Но применение таких приспособлений приводит к удорожанию оснастки, поэтому их рациональнее использовать при крупносерийном произведете стеклопластиковых деталей.

При изготовлении крупногабаритных матриц желательно предусмотреть на фланцевых поверхностях приспособления для закрепления специальных помостов для формовщиков стеклопластика, или использования инструментов с выдвижными штангами, т.к. одной из проблем при ручной формовке и при напылении стеклопластика становится «нехватка длины рук». Это более важно при напылении цветного декоративно-защитного гелькоута (пигментированной смолы) и формование первых слоев ламината. Последующие слои можно наносить после достаточной полимеризации первых (70-80% от расчетнои твердости).

Расформовку крупногабаритных деталей из матриц желательно производить с использованием пневмосьема или с использованием грузоподъемных механизмов.

Опиловка и фрезерование крупногабаритных стеклопластиковых деталей осуществляется алмазными дисками и фрезами. Небольшие отверстия возможно выпилить электролобзиком с пилками, имеющими алмазное напыление.

Зачистка и полировка поверхностей крупногабаритных стеклопластиковых деталей производится с использованием электро- и пневмоинструмента.
Указанные приемы позволили специалистам нашего предприятия создать успешно работающую крупногабаритную оснастку для изготовления деталей из трудногорючего стеклопластика для подвижного состава локомотивов «ПЕРЕСВЕТ» и электропоездов ЭД4МКМ для РАО РЖД.

Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара