ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫЛА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники
Полезная модель относится к авиационной и космической технике, к области производства конструкций с аэро- и гидродинамической поверхностью и касается конструкции оснастки для изготовления крыла летательного аппарата. Полезная модель предназначена к использованию при выполнении крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе волокнистого армирующего наполнителя из химических органических и неорганических волокон (например, стекловолокна, углеродные волокна, базальтовые волокна).
За последние десятилетия значительно возросло использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе высокопрочного искусственно волокна для изготовления конструкций летательных аппаратов. Снижение массы, получаемое благодаря использованию ПКМ вместо металлических материалов, стало одним из основных факторов, обусловивших их использование. Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными статическими и динамическими характеристиками, сочетающимися с высокой коррозионной стойкостью. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность позволяют применить ПКМ, в том числе при изготовлении крыла летательных аппаратов.
Уровень техники
В настоящее время наиболее перспективными техническими решениями при изготовлении конструкций из ПКМ, в том числе интегральных, являются решения, предусматривающие использование RTM-технологии (ResinTransferMoulding). Для реализации таких технических решений разрабатываются специализированные оснастки, в которых происходит формование конструкций из ПКМ, предусматривающее пропитку под избыточным давлением предварительно подготовленной заготовки волокнистого армирующего наполнителя (преформы) полимерным связующим.
Известно изготовление, с использованием RTM-технологии, высокоответственной конструкции сложной формы - лопасть винта вертолета. Изделие имеет аэродинамическую поверхность, оформляемую жесткой герметичной оснасткой. На пенопластовый сердечник укладывают слои армирующего материала и помещают в герметичную формообразующую оснастку. Затем производят пропитку армирующего материала полимерным связующим под избыточным давлением по технологии RTM. Полимеризация связующего производится при повышенных температурах. Пенопластовый сердечник не удаляют, он остается внутри готового изделия (см. FR 2740380).
Поскольку вертолетные винты имеют 6…12 лопастей, проблемы асимметрии лопастей не столь критичны, как в самолетостроении, но следует отметить, что применение одноместной формообразующей оснастки снижает производительность и увеличивает цикл производства по сравнению с использованием многоместной формообразующей оснастки.
Наиболее наглядно показано формование по технологии RTM в публикации US 2011192531 (А1). Формование осуществляется в закрытой формообразующей оснастке, повторяющей внешний контур будущего изделия. Формообразующая оснастка состоит из двух полуформ. По окончании процесса пропитки заготовки волокнистого армирующего наполнителя (преформы) производят полимеризацию связующего при повышенных температурах.
Такое техническое решение имеет ограниченное применение и используется для малоответственных деталей простой формы.
В качестве ближайшего аналога может быть принята оснастка для изготовления крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала по технологии RTM (трансферное формование), включающей подачу термореактивной смолы в закрытую полость формы под давлением. Оснастка представляет собой форму, состоящую из верхней и нижней полуформ, скрепляемых одна с другой с образованием замкнутой герметичной формообразующей полости. Внутри формообразующей полости размещается формообразующий вкладыш, выполненный в соответствии с конфигурацией консоли крыла. Для пропитки волокнистого наполнителя (преформы), охватывающего формообразующий вкладыш, предусмотрена система подачи связующего в формообразующую полость (RU 152623 U1).
Следует отметить, что применение, как это показано в аналогах, одноместной формообразующей оснастки с одной формообразующей полостью снижает производительность и увеличивает цикл производства по сравнению с использованием многоместных формообразующих оснасток.
Раскрытие полезной модели
Прежде чем перейти к объяснению существа заявленной полезной модели, необходимо отметить, что технологические процессы изготовления авиационных конструкций из ПКМ и из металлических материалов совершенно различаются между собой.
Для авиационной техники чрезвычайно важным является соблюдение симметричности аэродинамических обводов элементов конструкции летательного аппарата, таких как крылья. При асимметричности левой и правой консолей крыла летательного аппарата возникают аэродинамические силы, приводящие к затруднению управления летательным аппаратом и необходимости применения специальных устройств для устранения асимметричности. В наибольшей степени влияние асимметричности проявляется на высоких скоростях полета.
Кроме того, использование двух автономных формообразующих оснасток для изготовления левой и правой консолей крыла летательного аппарата приводит к дополнительным явлениям асимметрии летательного аппарата.
Задачей полезной модели является разработка конструкции оснастки, в которой обеспечивается одновременное изготовление симметричных левой и правой консолей (полуплоскостей) крыла летательного аппарата из ПКМ с использованием технологии RTM.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении одинаковых технологических режимов пропитки волокнистого армирующего наполнителя (преформы) и отверждения полимерного связующего для левой и правой консолей крыла, и в обеспечении, как следствие, одинаковых геометрических характеристик и физико-механических свойств материала консолей.
Для достижения указанного технического результата предлагается оснастка для изготовления крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала, включающая форму с горизонтальной плоскостью разъема на нижнюю и верхнюю полуформы. Внутри формы имеется герметичная формообразующая полость, в которой производится формование крыла летательного аппарата. Внутри формообразующей полости размещается формообразующий дорн. Для пропитки волокнистого армирующего наполнителя - преформы, охватывающей формообразующий дорн, служит система подачи связующего в формообразующую полость.
В соответствии с заявленным техническим решением внутри формы предусмотрена вторая герметичная формообразующая полость с размещаемым в ней своим формообразующим дорном. Система подачи связующего разветвлена на обе формообразующие полости и включает расположенные в один ряд литниковые каналы инжекции связующего и сообщающиеся с ними и с формообразующими полостями распределительные каналы. Указанные формообразующие полости, с размещаемыми в них дорнами, предназначены для формования соответственно левой и правой консолей крыла летательного аппарата, имея соответствующую этому предназначению конфигурацию, и расположены симметрично относительно ряда литниковых каналов в продольном направлении таким образом, что участки полостей, предназначенные для размещения участка дорна, соответствующего хвостовой части консоли крыла, обращены навстречу друг другу.
Важным фактором обеспечения симметричности изготавливаемых левой и правой консолей крыла летательного аппарата является указанное выше симметричное расположение формообразующих полостей и, как следствие, симметричное расположение формообразующих дорнов в оснастке.
Асимметричное расположение полостей, а следовательно, и формообразующих дорнов в оснастке при изготовлении правой и левой консолей крыла (см. фиг. 4 прилагаемых чертежей) недопустимо по следующим причинам:
1. Давление инжекции связующего в зоне максимальной толщины профиля всегда будет выше давления в хвостовой части аэродинамического профиля, поэтому податливость формообразующей оснастки окажет плюсовое влияние на поле допуска аэродинамического контура.
2. Температурное поле будет неравномерным в виду разности скоростей прогрева и охлаждения более массивных и менее массивных частей формообразующей оснастки и, соответственно, отдельных частей изготавливаемого изделия.
3. Совокупность причин по 1 и 2 приведет к асимметрии геометрических размеров и различию физико-механических свойств материалов и конструкции левой и правой консолей крыла летательного аппарата.
4. Дополнительной причиной необходимости симметричного расположения изготавливаемых консолей крыла является обеспечение равномерной пропитки преформ левой и правой консолей крыла полимерным связующим по технологии RTM.
За основу современного описания процесса RTM принят фундаментальный закон Дарси - закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде, к чему относятся и преформы из волокнистых армирующих наполнителей.
Закон Дарси выражает зависимость скорости фильтрации жидкости или газа и имеет вид:
3
где  - скорость фильтрации (т.е. скорость распространения потока полимерного связующего),
- коэффициент фильтрации (т.е. проницаемость преформы из волокнистого армирующего наполнителя),
- градиент напора (т.е. перепад давления связующего в различных зонах преформы из волокнистого армирующего наполнителя).
В данном законе Дарси коэффициент фильтрации «К» не является постоянной физической величиной для конкретных условий пропитки (фильтрации) и зависит от многих конструктивно-технологических факторов производства изделия, в частности от применяемых волокнистых армирующих наполнителей, толщины изделия, направления потоков связующего в формообразующей оснастке и т.д.
Не вдаваясь в дальнейшие подробности процесса пропитки, уже на основании вышесказанного можно сделать вывод, что несимметричное расположение левой и правой консолей крыла в формообразующей оснастке приведет к различиям в их физико-механических и геометрических характеристиках.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая оснастка в поперечном разрезе;
На фиг. 2 - то же, но с размещенными в оснастке дорнами;
На фиг. 3 - предлагаемая оснастка, вид сверху со снятой верхней полуформой;
На фиг. 4 - схематичное изображение в поперечном разрезе варианта оснастки, который не является предметом заявленного предложения, но используется для пояснения технического результата.
Осуществление полезной модели
Формообразование наружного аэродинамического контура изделия производится в герметичной оснастке, содержащей форму 1 с горизонтальной плоскостью 2 разъема, разделяющей форму 1 на верхнюю 3 и нижнюю 4 полуформы (части).
Верхняя полуформа 3 имеет две выемки 5 и 6, ограниченные формообразующими поверхностями соответственно 7 и 8, и нижняя полуформа 4 имеет выемки 9 и 10, ограниченные формообразующими поверхностями соответственно 11 и 12. Выемки 9 и 10 расположены напротив выемок 5 и 6 таким образом, что при смыкании полуформ 3 и 4 по горизонтальной плоскости 2 разъема пары выемок 5, 9 и 6, 10 образуют замкнутые герметичные формообразующие полости: полость 13 для формования правой консоли крыла и полость 14 для формования левой консоли этого крыла. Конфигурация формообразующих поверхностей 7 и 11 полости 13 соответствует наружным поверхностям обшивок правой консоли крыла летательного аппарата, и конфигурация формообразующих поверхностей 8 и 12 полости 14 соответствует наружным поверхностям обшивок левой консоли крыла летательного аппарата.
Внутри полости 13 размещается формообразующий дорн 15, выполненный в соответствии с конфигурацией правой консоли крыла и внутри полости 14 - формообразующий дорн 16, выполненный в соответствии с конфигурацией левой консоли крыла. Каждый дорн 15, 16 охватывают (оборачивают) волокнистым наполнителем - преформой 17 из полимерного композиционного материала, получая тем самым сборки дорнов.
Полости 13 и 14 проходят в продольном направлении параллельно одна другой.
Показанное выше конструктивное выполнение обеспечивает формование в одной оснастке одновременно левой и правой консолей единого крыла летательного аппарата.
Оснастка имеет единую систему подачи связующего для пропитки волокнистого армирующего наполнителя - преформы 17, образующей обшивку консолей крыла. Указанная система связана с обеими формообразующими полостями 13, 14 и включает выполненные в верхней полуформе 3 литниковые каналы 18 инжекции связующего, и сообщающиеся с каналами 18 и с полостями 13, 14 распределительные каналы 19. Литниковые каналы 18 расположены в один ряд (центры 20 проекций каналов 18 на горизонтальную плоскость лежат на одной прямой, фиг. 3). В верхней полуформе 3 предусмотрены каналы 21 для удаления избыточного связующего.
Для обеспечения одинаковых технологических режимов пропитки волокнистого армирующего наполнителя - преформы 17 и отверждения полимерного связующего для левой и правой консолей крыла имеет значение взаимное расположение литниковых каналов 18 и формообразующих полостей 13 и 14 и взаимное расположение полостей 13 и 14 относительно друг друга. Указанные полости 13 и 14, согласно предлагаемому техническому решению, располагаются симметрично относительно ряда литниковых каналов 18 в продольном направлении таким образом, что участки 22 полостей, предназначенные для размещения тех участков 23 дорнов 15, 16, которые соответствуют хвостовой части консолей крыла, обращены навстречу друг другу.
При этом, как видно на фиг. 3, крайние периферийные кромки 24, 25 участков 22 полостей 13, 14, а соответственно, и крайние периферийные кромки 26, 27 участков 23 дорнов 15, 16 параллельны между собой.
Сборка формообразующей оснастки и ее герметизация обеспечиваются герметизирующими жгутами и соединительными болтами, которые на фиг. 1-3 условно не показаны.
Оснастка используется следующим образом.
Предварительно изготавливают формообразующие дорны 15, 16 из жесткого материала (преимущественно, металла), придавая им форму левой и правой консолей крыла. Дорны 15, 16 охватывают (оборачивают) волокнистым армирующим наполнителем - преформой, получая тем самым сборки дорнов.
При поднятой в нерабочее положение верхней полуформе 3 на формообразующие поверхности 11 и 12, выполненные в нижней полуформе 4, укладывают нижние слои преформы, формируя, таким образом, нижнюю обшивку правой и левой консолей крыла необходимой толщины. На выложенные слои последовательно устанавливают и фиксируют ранее подготовленные сборки дорнов 15 и 16.
Выкладывают на поверхности дорнов 15 и 16 необходимое количество верхних слоев преформы, формируя верхние обшивки правой и левой консолей крыла необходимой толщины. Скрепляют между собой верхнюю 3 и нижнюю 4 полуформы, обеспечивая герметичность формообразующих полостей 13 и 14.
Далее производят пропитку заготовки волокнистого армирующего наполнителя - преформы полимерным связующим (технология RTM) с использованием установки типа HypajectMKIII. Texнoлoгичecκиe режимы пропитки заготовки волокнистого армирующего наполнителя полимерным связующим зависят от состава связующего, конфигурации и размеров изделия, других факторов.
Через литниковые каналы 18 подают полимерное связующее, которое через распределительные каналы 19 попадает в формообразующие полости 13 и 14 и далее распределяется в слоях волокнистого армирующего наполнителя по направлениям вдоль обшивок консолей крыла. Постепенно связующее равномерно распространяется по всей площади поперечного сечения волокнистого армирующего наполнителя, обеспечивая его равномерную пропитку. Слив избыточного связующего происходит через каналы 21.
Подготовленную таким образом форму помещают в термопечь. Осуществляют формование изделия, при котором производят нагрев оснастки с заложенным в ней технологическим пакетом до заданной температуры, обеспечивающей достижение требуемой степени полимеризации связующего. Извлекают из формы сформованные композитные изделия - правой и левой консолей крыла летательного аппарата. Извлечение из оснастки полученных, в результате формования, отвержденных изделий производят после охлаждения оснастки до температуры не более 50°С. Из извлеченных из оснастки изделий удаляют сборки дорнов. После этого отформованные изделия подвергают необходимой механической обработке и проведению контроля качества.
Дорны могут быть удаляемыми после отверждения изделий или оставаться в составе изделий. Удаляемые дорны изготавливаются из металла, а остающиеся в составе изделий изготавливаются из пенопласта, полимерсотопласта или других легких материалов.
Реализация полезной модели наряду с решением поставленной задачи обеспечит повышение производительности труда, сокращение цикла производства, его энергоемкости и себестоимости изделия.
Преимущества изготовления левой и правой консолей одного крыла в единой формообразующей оснастке:
- цикл изготовления консолей сокращается почти в 2 раза;
- обеспечивается одинаковый технологический режим пропитки волокнистого армирующего наполнителя и отверждения полимерного связующего;
- обеспечиваются стабильные геометрические характеристики изделия и физико-механические свойства материала изделия;
- изготовление формообразующей оснастки производится за один установ на металлообрабатывающем оборудовании.