Шпангоут, изготовленный методом селективного лазерного сплавления

Полезная модель относится к области беспилотных аппаратов, а именно к элементам силового набора корпусов изделий, например фюзеляжей беспилотных летательных аппаратов, боеприпасов и торпед  как управляемых, так и неуправляемых.
Из уровня техники известен шпангоут каркаса фюзеляжа летательного аппарата (патент РФ на изобретение №2357892, приоритет от 07.11.2005), который содержит нижнюю дугу, поперечную балку, удерживающую элемент настила, и решетчатую ферму, соединяющую нижнюю дугу и поперечную балку.
Недостатком шпангоута каркаса фюзеляжа (патент РФ на изобретение №2357892) является выполнение шпангоута из значительного количества элементов, что приводит к снижению прочности конструкции и усложняет изготовление шпангоута.
Также из уровня техники известен шпангоут (патент РФ на изобретение №2553531, приоритет от 15.04.2010), наиболее близкий к предлагаемой полезной модели и выбранный в качестве прототипа. Шпангоут выполнен в виде, по меньшей мере, одного монолитного формованного шпангоутного элемента, выполненного из армированного волокном полимерного композита с пазами на обращенной к фюзеляжу стороне для прохождения лонжеронов.
Недостатком шпангоута (патент РФ на изобретение №2553531) является высокая сложность и трудоемкость изготовления шпангоутного элемента.
Полезная модель направлена на решение следующей технической проблемы: создание шпангоута сложной формы, простого в изготовлении и при этом соответствующего требованиям к прочности, жесткости и массовым характеристикам шпангоута.
Техническая проблема решается за счет того, что шпангоут, предназначенный для установки в корпусе изделия параллельно плоскости поперечного сечения корпуса изделия, состоит из замкнутого элемента со сквозным отверстием и разомкнутого элемента, соединенных друг с другом, внешний контур формы сечения шпангоута плоскостью поперечного сечения изделия соответствует части формы внешнего контура поперечного сечения корпуса изделия в месте установки шпангоута, при этом замкнутый элемент образован внешней продольной стенкой, внутренней продольной стенкой, первой и второй боковыми стенками, имеющими криволинейную форму, боковые стенки имеют меньшие длины и большие толщины, чем продольные стенки, и выполнены с отверстиями, разомкнутый элемент выполнен в виде криволинейной балки, один конец которой соединен с внутренней продольной стенкой замкнутого элемента, а второй выполнен свободным, в состав шпангоута входит ребро жесткости, выполненное в виде пластины, расположенное внутри внешней огибающей шпангоута параллельно плоскости поперечного сечения изделия и соединенное с внутренней продольной стенкой замкнутого элемента и разомкнутым элементом, шпангоут выполнен в виде монолитной неразъемной детали и изготовлен из порошка металлического материала с помощью метода селективного лазерного сплавления с последующей термообработкой.
В частном случае осуществления полезной модели техническая проблема решается за счет того, что разомкнутый элемент состоит из первой и второй частей, выполненных прямолинейными и расположенных под углом друг к другу, внешний контур шпангоута в сечении плоскостью поперечного сечения изделия имеет форму, приближенную к форме треугольника, одна из сторон которого образована внешней продольной стенкой замкнутого элемента, вторая - первой боковой стенкой замкнутого элемента и первой частью разомкнутого элемента, а третья - второй частью разомкнутого элемента и второй боковой стенкой замкнутого элемента и выполнена разомкнутой с зазором между второй частью разомкнутого элемента и второй боковой стенкой замкнутого элемента.
В другом частном случае осуществления полезной модели техническая проблема решается за счет того, что сквозное отверстие, внешняя продольная стенка, внутренняя продольная стенка, первая и вторая боковые стенки замкнутого элемента выполнены с плавными переходами в углах.
В еще одном частном случае осуществления полезной модели техническая проблема решается за счет того, что шпангоут выполнен из порошка титана или титанового сплава.
Полезная модель позволяет достичь следующего технического результата: снижение сложности и трудоемкости изготовления шпангоута корпуса изделия, имеющего сложную форму, при сохранении прочности и жесткости, а также обеспечение минимальной массы шпангоута, за счет использования при изготовлении шпангоута метода селективного лазерного сплавления.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами: На фиг. 1 изображен шпангоут, изготовленный методом селективного лазерного сплавления.
На фиг.2 изображена заготовка шпангоута на платформе построения. На фиг. 3 показана термограмма термообработки заготовки шпангоута. На фиг 1-3 обозначены следующие позиции:
1 - замкнутый элемент;
2 - сквозное отверстие;
3 - разомкнутый элемент;
4 - ребро жесткости;
5 - внешняя продольная стенка замкнутого элемента
6 - внутренняя продольная стенка замкнутого элемента
7 - первая боковая стенка замкнутого элемента
8 - вторая боковая стенка замкнутого элемента
9 - отверстие боковой стенки замкнутого элемента
10 - первая часть разомкнутого элемента;
11 - вторая часть разомкнутого элемента;
12 - отверстие ребра жесткости;
13 - платформа построения;
14 - поддерживающий элемент.
Шпангоут, изготовленный методом селективного лазерного сплавления, выполнен в виде монолитной неразъемной детали.
Шпангоут является частью силовой конструкции корпуса изделия, например, фюзеляжа беспилотного летательного аппарата, боеприпаса или торпеды, выполненного с дополнительными элементами, такими как воздухозаборные устройства, центральные тела воздухозаборных устройств, гаргроты, гондолы и пр., что приводит к необходимости использования шпангоута сложной формы. Шпангоут предназначен для установки в корпусе изделия параллельно плоскости поперечного сечения корпуса изделия. Шпангоут состоит из замкнутого элемента 1 со сквозным отверстием 2 и разомкнутого элемента 3. Замкнутый элемент 1 и разомкнутый элемент 3 жестко соединены друг с другом, а также с ребром жесткости 4, таким образом, что все три элемента (замкнутый элемент 1, разомкнутый элемент 3 и ребро жесткости 4) представляют собой монолитную деталь.
Замкнутый элемент 1 образован внешней продольной стенкой 5, внутренней продольной стенкой 6, первой боковой стенкой 7 и второй боковой стенкой 8, имеющими криволинейную форму, при этом боковые стенки 7 и 8 имеют меньшие длины и большие толщины, чем продольные стенки 5 и 6, и выполнены с отверстиями 9 для снижения массы шпангоута. Сквозное отверстие 2 расположено между внешней продольной стенкой 5, внутренней продольной стенкой 6, первой боковой стенкой 7 и второй боковой стенкой 8. В частном случае осуществления полезной модели сквозное отверстие 2, внешняя продольная стенка 5, внутренняя продольная стенка 6, первая боковая стенка 7 и вторая боковая стенка 8 выполнены с плавными переходами в углах.
Разомкнутый элемент 3 выполнен в виде криволинейной балки, один конец которой соединен с внутренней продольной стенкой 6 замкнутого элемента 1, а второй выполнен свободным. Разомкнутый элемент 3 может иметь различную форму, например, разомкнутый элемент может состоять из первой части 10 и второй части 11, выполненных прямолинейными и расположенных под углом друг к другу.
Ребро жесткости 4 выполнено в виде пластины с отверстиями 12 для снижения массы шпангоута, и расположено внутри внешней огибающей шпангоута параллельно плоскости поперечного сечения изделия. Ребро жесткости 4 соединено с внутренней продольной стенкой 6 замкнутого элемента 1 и разомкнутым элементом 2, например, с первой частью 10 разомкнутого элемента 2. Ребро жесткости 4 предназначено для увеличения жесткости конструкции шпангоута и предотвращения взаимного перемещения замкнутого элемента 1 и разомкнутого элемента 3 вследствие деформаций.
Внешний контур формы сечения шпангоута плоскостью поперечного сечения изделия соответствует части формы внешнего контура поперечного сечения корпуса изделия в месте установки шпангоута. Например, в частном случае осуществления полезной модели, показанном на фиг. 1, внешний контур шпангоута в сечении плоскостью поперечного сечения изделия имеет форму, приближенную к форме треугольника, одна из сторон которого образована внешней продольной стенкой 5 замкнутого элемента 1, вторая - первой боковой стенкой 7 замкнутого элемента 1 и первой частью 10 разомкнутого элемента 3, а третья - второй частью 11 разомкнутого элемента 3 и второй боковой стенкой 8 замкнутого элемента 1 и выполнена разомкнутой с зазором между второй частью 11 разомкнутого элемента 3 и второй боковой стенкой 8 замкнутого элемента 1.
С учетом вышеописанного шпангоут имеет сложную форму, и известные методы изготовления шпангоутов, например, фрезерование или изготовление за счет намотки армирующих волокон композитного материала, связанных полимерной матрицей, являются слишком сложными и недостаточно эффективными по сравнению с аддитивными методами. Поэтому шпангоут изготовлен с помощью метода селективного лазерного сплавления в виде монолитной неразъемной детали. Заготовка шпангоута изготовлена из порошка металлического материала, т.е. металла или сплава одного или более металлов, например, титана или сплава титана ВТ6 по ГОСТ 19807-91. Заготовка шпангоута расположена на платформе построения 6 и дополнительно содержит удаляемые поддерживающие элементы 7, соединяющие с платформой построения 6 вертикальные поверхности, выступающие над ней (на фиг. 2).
При изготовлении заготовки шпангоута формируют заготовку на платформе построения 6 с помощью способа селективного лазерного сплавления. Толщина слоя построения составляет 50 мкм. Толщина стенок заготовки составляет 1,5÷мм. Шероховатость поверхностей Ra6,3(Rz40)…Ra12,5(Rz80) и однородность материала заготовки обеспечивают технологическим режимом сплавления в среде защитных газов, например, аргона.
После формирования заготовки проводят ее термообработку без отделения от платформы построения 6. В случае, если заготовка изготовлена из порошка титана или титанового сплава, в процессе термообработки в течение 6 часов нагревают заготовку в печи до температуры 650°С, выдерживают при температуре 650°С в течение 3 ч, после чего позволяют остыть в течение 8 часов в печи, далее заготовка остывает на воздухе.
Термограмма термообработки заготовки воздуховода из порошка сплава титана ВТ6 (фиг. 3).
За счет режимов послойного синтеза и последующей термообработки обеспечивают стабильность геометрии заготовки с отклонением размеров от теоретического контура в пределах 0,1…0,3 мм.
Удаляют заготовку шпангоута с платформы построения 6, например, с помощью электроэрозионной обработки. Удаляют поддерживающие элементы 7, например, с помощью слесарной обработки. Обрабатывают поверхности шпангоута.
При сборке корпуса изделия устанавливают шпангоут согласно конструкции силового набора корпуса изделия.
Шпангоут, изготовленный методом селективного лазерного сплавления, предназначен для применения в области беспилотных аппаратов, а именно элементов силового набора корпусов изделий, например, фюзеляжей беспилотных летательных аппаратов, боеприпасов и торпед, как управляемых, так и неуправляемых, а также обеспечить минимальную массу.