Технология изготовления панелей подвижных частей крыла из композитных материалов методом выкладки на оборудовании с ЧПУ

УДК 621.73.034

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАНЕЛЕЙ ПОДВИЖНЫХ ЧАСТЕЙ КРЫЛА ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВЫКЛАДКИ НА ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ

А.В. Г илёва, А.А.Г ордюхина, В.И.Максименков

В ходе выполнения работы для оборудования с ЧПУ предложена универсальная переналаживаемая оснастка, обеспечивающая качественную выкладку получаемых деталей. Произведен анализ существующего технологического процесса. Выявлен ряд недостатков. Предложен качественно новый уровень изготовления панелей подвижных частей крыла на оборудовании с ЧПУ. Для реализации технологического процесса в ходе работы разработана универсальная оснастка с помощью компонента САПР ЫХ

Ключевые слова: оснастка, панель, композиционные материалы

Обеспечение безопасности эксплуатации авиационной техники предъявляет крайне жесткие требования к надежности материалов, используемых в этих конструкциях. Установлено, что наиболее существенное влияние на техническое состояние техники оказывает не механический износ деталей, а процессы коррозии и старения материалов под совместным воздействием факторов окружающей среды.

Применение современных полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиастроении обеспечивает не только существенное снижение массы конструкции планера, но и повышение ресурса, живучести конструкции, снижение затрат на производство и эксплуатацию самолетов.

Однако повсеместное использование материалов данного класса влечет за собой решение целого круга сложных технических вопросов.Одним, из которых является разработка технологии изготовления деталей из ПКМ соответственно с разработкой необходимой оснастки.

Среди всевозможных методов

формования углепластиков метод выкладки позволяет получать изделия с наиболее высокими деформационно-прочностными характеристиками. В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией [1].

Гилёва А. В. - ОАО «ВАСО», инженер-конструктор,тел. 89081480963

Гордюхина А. А. - ОАО «ВАСО», инженер-конструктор, тел. 89507622802

Максименков В.И. - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 249-53-24

Появление слоистых конструкций вызвали требования к высокой удельной прочности при минимально возможном весе конструкции. Слоистые конструкции представляют собой листовые обшивки, между которыми установлен заполнитель,

обеспечивающий совместную работу обшивок и необходимую жёсткость конструкции. В качестве заполнителя в слоистых конструкциях применяются заполнители в виде гофров и вафель из пенопластов и пеноалюминия, а также наиболее распространенный - сотовый заполнитель [2].

Основными особенностями методов выкладки являются:

1) Возможность максимальной реализации высокой прочности и модуля упругости углеродных волокон и получения углепластиков с хорошими характеристиками.

2) Возможность автоматизации процесса выкладки и, как следствие, получения изделий со стабильными свойствами.

3) Многообразие схем ориентации волокон при выкладке позволяет выбирать оптимальную структуру материала в зависимости от требуемых свойств конечного изделия.

В данной работе предложена технологическая оснастка, в том числе рассмотрен вариант перехода от ручной выкладки к технологии автоматизированной выкладки на примере изготовления панелей подвижных частей крыла.

Технологический процесс выкладки является достаточно специфическим и трудоёмким процессом. В ходе процесса могут возникать допустимые и не допустимые дефекты качества внешней поверхности. Все дефекты, возникающие в процессе изготовления панелей подвижных частей крыла можно разделить на три группы см. рис. 1.

Рис. 1

Суммарная площадь непроклея 0,2% для внутренней обшивки и 0,1% для внешней обшивки. При этом величина одного участка не должна превышать 5 см2 и расстояние между соседними участками не должно быть менее 40 мм.

Суммарная площадь расслоения допускается 0,2% для внутренней обшивки и 0,1% для внешней обшивки. При этом величина одного участка не должна превышать 5 см2 и расстояние между соседними участками не должно быть менее 40 мм [3].

Рассмотрим недостатки существующего технологического процесса:

1) Непосредственный процесс выкладки происходит вручную;

2) Прижатие препрегов происходит от усилия руки, что приводит к различию механических свойств в панели;

3) Обрезка тех. припуска производится вручную;

4) Качество конечного изделия из стеклопластика зависит от мастерства исполнителя;

5) Относительно большое время изготовления изделия из стеклопластика;

6) Низкая скорость оборачиваемости оснастки;

7) Большое количество отходов;

8) Высокая трудоемкость изготовления, и, как следствие, высокая стоимость изделия.

Автоматизировать процесс предлагается с помощью станка VIPER 1200.

Основные этапы выкладки панелей подвижных частей крыла см. на рис. 2.

Станок VIPER 1200 поставляется стандартно в комплекте с системой точечного нагрева при уплотнении, уплотнительным роликом, системой натяжения жгутов и

системой подачи волокна фирмы MAG Cincinnati. Встроенное в процесс ламинирование и производство деталей сложной формы с управлением от ЧПУ исключает трудоемкие ручные операции выкладки. Поскольку детали изготавливаются с формой, близкой к заданной, последующая обработка и съем материала уменьшаются, и сокращается таким образом стоимость изготовления детали.

Рис. 2

Рис. 3

Основным элементом процесса выкладки нитей является выкладочная головка. Она обеспечивает обрезание, соединение (натяжение) и повторное введение каждой

нити в процесс, а также поддержку соответствующей разницы температуры между поверхностью для выкладки и собственной внутренней частью. Благодаря температурной разнице, обеспечивается соответствующая транспортировка нитей с низкой температурой и их приклеивание на оправочную поверхность с контролируемым нагревом перед выкладкой. Выкладка на поверхность осуществляется с помощью специального ролика, который точно направляет каждую нить отдельно и выкладывает их рядом друг с другом, обеспечивая при этом возможность выкладки каждой нити с разным радиусом. Последним и ключевым шагом данного процесса является применение определенной силы давления, которая обеспечивает правильное взаимодействие слоев, образуя таким образом, идеальную структуру изделия.

Головка для выкладки имеет уникальную конструкцию согласно рис. 4, которая точно распределяет, отрезает, закрепляет и возобновляет до 12 отдельных пропитанных смолами термореактивных композитных жгутов. Это позволяет варьировать ширину выкладываемой полосы с шагом ширины жгута в ходе процесса для создания конусных форм с почти постоянной толщиной стенки и практически без нахлеста. Головка

разработана с учетом ремонтопригодности и функциональных возможностей. Узел можно открывать для инспекции или очистки и быстро возвращать в рабочее положение. Другой особенностью является

автоматическое определение неисправности жгута, предупреждающее оператора при помощи сообщения на пульт управления об этой неисправности.

Рис. 4

Станок для выкладки волокна имеет 32битную ЧПУ, обеспечивающую

технологический процесс выкладки.

Как было сказано выше станок управляется системой ЧПУ, что является необходимым в современном производстве на этапе всеобщей компьтеризации производства.

ЧПУ СМ100 CNC использует 32-битный микропроцессор класса РеПшт в каркасе CompactPCI. CompactPQ - промышленный стандарт с открытой архитектурой, основанный на расширенном наборе стандарта РС1, использующий формфактор платы ЕигосаМ с разъемом 1ЕС-1076.

Для возможности использования станка необходимо иметь универсальную оснастку, которая позволяет осуществлять изготовление деталей различной геометрической формы. Оснастка должна быть составной из отдельных частей, обладать требуемой жесткостью и прочностью, удобной в эксплуатации..

Одним из основных способов использования вычислительной техники является применение совершенных систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе все более мощных ЭВМ, периферийной техники и широко развитого математического и программного обеспечения.

Универсальная оснастка спроектирована с помощью компонента САПР NX..

Для более наглядного изображения составных частей оснастки и их установки относительно друг друга система NX позволяет в файле сборки выполнять разнесенные виды согласно рис. 5.

Рис. 5

Сборочный проект электронный аналог сборочного чертежа в трехмерном виртуальном измерении согласно рис. 6. Для удобства, сборки именуются номером сборочного чертежа и иерархия сборочных единиц и деталей, входящих в чертеж повторяется в сборочном проекте.

Рис. 6

На этапе проектирования деталей конструктор может выяснить неточности чертежей, такие как отсутствие каких-либо

размеров, неточность графики, несоответствие зазоров в случае, где явно просматривается размерная цепь. Но основная проверка конструкции проводиться именно в сборочных проектах или просто сборках, т.к. именно здесь легко проверить зазоры, «перехлесты» тел деталей (когда одно тело врезается в другое, например) и т.п., к тому же система предоставляет определенный набор функций для этого. Следует добавить, что система позволяет редактировать модели деталей непосредственно в сборке и, более того, можно создавать новые модели сразу в сборке. Также система с приложением «КХ Расширенная симуляция» позволяет произвести расчет оснастки на жесткость.

С точки зрения универсальности проектируемая оснастка является

специальным приспособлением.

По возможности настройки - сборноразборным, если рассматривать в сборе с универсальной оснасткой и не разборной, если рассматривать отдельно от оснастки для непосредственной выклейки.

Изготовление оснастки является

трудоемким процессом, так как необходимо очень точно выполнить фланцы для крепления оснастки со станком.

Для определения жесткости

рассматриваемой конструкции использовалось приложение «КХ Расширенная симуляция» на базе промышленного решателя КХКа81хап [4].

Расчет начинается с идеализации модели, на этом этапе деталь рассматривается как одно твердое тело, отверстия оставляются под крепление съемной оснастки только в наиболее деформируемых и нагруженных местах. Данное упрощение не повлияет на точность результата, но значительно ускорит время выполнения прочностного анализа и требует менее производительной электронновычислительной техники.

Расчет проводится из условия действия силы тяжести конструкции умноженной на коэффициент безопасности равный 1,1 и распределенной по поверхности оснастки нагрузки равной 15000 Н в соответствии с рис. 7.

Принимаем направление действия указанных сил параллельно оси (^С).

Выбираем по торцам оснастки тип ограничения «пространственный шарнир», это тип ограничения, где все степени свободы перемещения зафиксированы, а все вращательные свободны.

Далее производится запуск модели на расчет.

После завершения работы решателя КХКа81хап получаем результаты расчета.

Из результатов анализа видно, что наибольшие перемещения по узлам

составляют 0,859 мм см. рис. 7, 8.

Рис. 8

Оцениваем максимальные эквивалентные напряжения.

Рис. 9

Участки с максимальными напряжениями на мониторе компьютера выглядят (см. рис. 10).

Рис. 10

Действующие в процессе выкладки напряжения неравномерно распределенными по всему объему оснастки.

Из полученных результатов видно, что участки с максимальными напряжения см. рис. 11 находятся в районе заделки оснастки и равны 33,03 МПа.

Рис. 11

Сравним максимальные напряжения, полученные из анализа с пределом текучести стали 3 и определим запас прочности: а 11 = -

т

а

240 7 4

г) -------------- 7,2

33,03

где: П - коэффициент запаса прочности;

о - предел текучести, МПа;

а - напряжение, МПа.

В местах сварных швов примем о

работы для предложена

Определим запас прочности по сварным швам из учета максимального напряжения: 0,6-0

11 =-----т,

о

0,6 -240 „ ,

Л = —------= 4,3

33,03

Полученные в ходе анализа максимальные перемещения (упругие деформации) равные 0,859 мм и максимальные напряжения равные 33,03 МПа допустимы для данного типа оснастки.

Заключение

В ходе выполнения оборудования с ЧПУ универсальная переналаживаемая оснастка, обеспечивающая качественную выкладку

получаемых деталей [5].

Произведен анализ существующего

технологического процесса. Выявлен ряд

недостатков. Предложен качественно новый уровень изготовления панелей подвижных частей крыла на оборудовании с ЧПУ;

Для реализации технологического процесса в ходе работы разработана универсальная оснастка с помощью компонента САПР NX.

Литература:

1 Братухин А.Г. Современные технологии авиастроения / А.Г. Братухина, Ю.Л. Иванова. - М.: Машиностроение, 1999. - 832с.

2 Войт Е.С. и др. Проектирование конструкций самолётов. - М: Машиностроение, 1987. - 416 с.

3 Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под ред. В.В. Васильева. - М.: Машиностроение, 1990. - 512с.

4 Электронный каталог ГПНТБ России. -

Электрон.дан. - Режим доступа:

http ://ellib. gpntb.ru/bin/gpntb/ellib.cgi? header=header.htm&head1=head1.html

5 Максименков В.И Авторское свидетельство 1526057.В29 с33/50 1994г.

равное 0,6 <Г т .

ОАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество» Воронежскийгосударственныйтехническийуниверситет

PANEL MANUFACTURING MOBILE WING OF COMPOSITE MATERIALS BY CALCULATIONS ON THEEQUIPMENT WITH CNC

A.V. Gileva, A.A. Gordyuhina, V.I. Maksimenkov

During the performance of CNC equipment tooffer a universal re-adjustable equipment that provides high-quality computation producedparts. The analysis of the existing process. A number of shortcomings. We propose aqualitatively new level of manufacturing the panels moving parts of the wing on CNC equipment. To implement the process developedin the course of universal equipment by using theCAD NX

Keywords: equipment, panel, composite materials