CC BY
44
Б01 10.25987/У8Ти.2019.15.1.018 УДК 62-213.6
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПАНЕЛЕЙ КРЫЛА ДАЛЬНЕМАГИСТРАЛЬНОГО
САМОЛЕТА
Д.С. Гребенников1, В.И. Максименков2
ХПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: представлен анализ конструктивных особенностей основных типов длинномерных панелей крыла современных самолетов, оказывающих влияние на трудоемкость формообразования. Описана природа возникновения эффекта упругого пружинения, негативно влияющего на трудоемкость процессов формообразования и их точность. Рассмотрены основные методы формообразования панелей одинарной и двойной кривизны, такие как свободная гибка на прессовом оборудовании, гибка-прокатка на валковых машинах и дробеударное формообразование, выявлены их основные достоинства и недостатки. Разработан метод, предусматривающий локальный нагрев участка панели перед гибкой на прессовом оборудовании, позволяющий сократить трудоемкость процесса гибки за счет значительного снижения величины упругого пружинения, что влечет за собой сокращение доводочных работ. Рассмотрено с точки зрения энергетической эффективности существующее оборудование для нагрева длинномерных панелей. Разработана установка для нагрева заготовки инфракрасным излучением, оснащенная в качестве нагревательных элементов кварцевыми лампами. Проведен анализ эффективности предложенного метода, показавший значительное сокращение влияния эффекта упругого восстановления на процесс гибки заготовки с помощью пресса
Ключевые слова: панель, формообразование, пружинение, гибка, нагрев
Введение
В конструкции крыла средне- и дальнема-гистральных самолетов находят применение длинномерные панели. По сравнению с листовыми обшивками они обеспечивают снижение трудоемкости сборки крыла за счет сокращения количества стыков, а также повышение точности аэродинамической поверхности крыла. Однако следует отметить, что вопросы совершенствования технологии изготовления длинномерных панелей с высокой точностью требуют проведения дополнительных исследований.
Постановка задачи
Конструктивные особенности панелей
В зависимости от типа конструкции панели крыла делятся на монолитно-сборные (а) и монолитные (б), рис. 1.
В монолитных панелях обшивка выполнена как единое целое с элементами силового набора, они изготавливаются фрезерованием из плит, прессованием, прокаткой, горячей штамповкой и литьем. Монолитные панели имеют ряд преимуществ перед монолитно-сборными: меньшее количество сборочных деталей, повышенная герметичность и жесткость крыльев, улучшение качества поверхности и усталостных свойств конструкции за счет отсутствия отверстий [1].
Анализ технологии изготовления длинномерных панелей и разработка метода формообразования панелей, обеспечивающего повышение точности элементов аэродинамической поверхности, снижение трудоемкости их изготовления.
© Гребенников Д.С., Максименков В.И., 2019
Рис. 1. Классификация панелей
К недостаткам монолитных панелей следует отнести малый коэффициент использования материала и высокая трудоемкость при изготовлении, сложность технологического процесса формообразования.
Монолитно-сборные - это панели, к обшивкам которых заклепками или точечной сваркой крепят элементы силового набора: стрингеры, ребра жесткости, стыковочные профили. В качестве элементов силового набора используются гнутые профили из листового материала и получаемые методом прессования и прокатки. Обшивки таких панелей представляют собой детали с гладкой наружной поверхностью и внутренним набором, представляющим собой усиления под продольные и поперечные элементы каркаса, карманы, люки. Толщина обшивки чаще всего переменна и меняется от долей миллиметра до 30 миллиметров и более. Длина панелей может достигать 20 м и более, ширина до 2 м.
Заготовками для изготовления обшивок и монолитных панелей являются плиты, полученные прокаткой. Основным видом механической обработки при изготовлении обшивок является фрезерование торцовыми, концевыми и специальными фрезами. Режимы резания выбирают исходя из материала заготовки. Под действием изгибающего момента, возникающего в полете, верхние панели крыла нагружены циклическими сжимающими усилиями, а нижние - растягивающими. В связи с этим для верхних сжатых панелей используются высокопрочные материалы, хорошо работающие на сжатие, наиболее распространенным из которых является В95очТ2. Для нижних панелей применяются материалы, имеющие высокие усталостные характеристики, такие как Д16Т.
Анализ напряженно-деформированного состояния панелей при формообразовании
На рис. 2 представлена схема деформаций заготовки во время формообразования. Как известно, при данном типе нагружения, внутренние слои подвергаются сжатию, наружные -растяжению [2]. В связи с тем, что панели крыла имеют большие радиусы кривизны, порядка 3000 - 5000 мм, деформации, возникающие в заготовке, невелики и имеют значительные упругие составляющие.
Рис. 2. Схема деформаций при изгибе
В результате возникшие упругие напряжения приводят к частичному возврату заготовки к исходной форме после разгрузки. Этот процесс называется пружинением и является основной проблемой при обеспечении точности кривизны полотна панелей.
Следует сказать, что большинство классических теорий, учитывающих пружинение, относится к однородному по толщине материалу. В связи с чем использование их для конструкций с переменной толщиной не приемлемо, так как это приводит к неточности в расчете.
Для сечений с переменной толщиной весьма сложной задачей является определение положения нейтрального слоя, который смещается при нагружении в сторону сжатой зоны. Имеющиеся в настоящее время численные программные методы обладают существенными ограничениями. Либо метод применим для численного расчета в области упругих или упруго-пластических деформаций, либо для численного расчета в области пластических деформаций, что ограничивает возможность численного расчета пружинения при малых углах, где присутствуют все три области [3]. Поэтому процесс формообразования панелей крыла часто включает в себя доводку контура, наиболее трудоемкий и длительный этап.
Технологии формообразования панелей
Основным методом формообразования панелей одинарной кривизны является открытая гибка, рис. 3.
Разметка
Наладка контрольного стенда
Гидка на прессе
Контроль формы оббадообразующей поверхности
Дододка контура
Контроль формы оВбодообразующей поберхности
Рис. 3. Схема технологического процесса гибки панелей на прессе
Гибка может осуществляться на прессовом оборудовании, например СПП-250М. Пресс оснащен системой ЧПУ с гидравлической следящей системой, обеспечивающей позиционирование главного ползуна с погрешностью не более 0,1 мм. Придание нужной формы происходит путем плавного многократного нажатия на панель в местах утолщений с постепенной доводкой контура и может осуществляться в автоматическом и ручном режиме. Подобное оборудование для последовательного формообразования панелей по управляющей программе выпускается и за рубежом такими фирмами, как «Verson - LCM», «Hammerly», «Sheridan -Grey». После предварительной гибки панель укладывается на стенд с шаблонами по контрольным сечениям, рис. 4.
2
1 Г
1 - каркас
^ - шаблоны сечений
^ ТУ детали.
Рис. 4. Схема контрольного стенда
На панели выявляются не прилегающие к шаблонам места, после чего она опять возвращается на пресс, где происходит повторная гибка, эти операции повторяются несколько раз. Основные недостатки свободной гибки:
большая трудоемкость и длительность процесса формообразования, отсутствие стабильности, связанное с эффектом пружинения, потребность в высокой квалификации персонала.
Для формообразования панелей двойной кривизны используют комбинированные методы, включающие получение продольной кривизны путем гибки на прессе или гиб-ки-прокатки на валковой машине и получение поперечной кривизны с помощью дробеударно-го формообразования (ДУФ).
Формообразование панелей с помощью гибки-прокатки на валковых листогибочных машинах отличается от гибки на прессе более высокой производительностью, повысить которую также позволяет внедрение валковых машин, оснащенных ЧПУ, обеспечивающих высокую точность позиционирования нажимного валка и ликвидирующих необходимость остановок для замера кривизны и корректировки положения нажимного валка. К недостаткам можно отнести ограничения по габаритам заготовки до 15 метров, сложности при обработке монолитных панелей с мощными подкрепляющими элементами. Кроме того, детали, полученные с помощью данного метода, также подвержены упругому восстановлению исходной формы, что приводит к потребности в доводочных работах с помощью дробеударного формообразования.
Дробеударное формообразование осуществляется путем соударения потока дроби с обрабатываемой поверхностью детали, установленной против потока дроби, исходящего из соплового аппарата [4]. В результате силового воздействия деформирующей среды на поверхности панели образуются лунки и происходит продольное удлинение поверхностного слоя, возникающие при этом остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое приводят к деформации заготовки, рис. 5.
Н - дысота заготодки;■
Ап - смещение нейтрального слоя;
у - глубина остаточных напряжений.
Рис. 5. Схема напряженно-деформированного состояния при ДУФ
К технологическим преимуществам метода ДУФ можно отнести: отсутствие ограничений по габаритам заготовок, высокая точность, полное отсутствие эффекта частичного упругого восстановления исходной формы, поверхностное упрочнение детали, улучшающие ресурсные характеристики.
Применение ДУФ в качестве основной технологической операции возможно только для деталей типа монолитных ребристых панелей, при направлении ребер жесткости, совпадающем с линией гиба, когда жесткость ореб-рения значительно больше жесткости полотна. В других случаях образование поперечной кривизны детали сопровождается возникновением таких нежелательных деформаций, как искривление детали в продольном направлении и крутка сечений [5]. При больших толщинах возможно появление трещин, поэтому утолщения панелей перед дробеударной обработкой подгибают на гибочных прессах.
В итоге можно сказать, что свободная гибка, несмотря на ее недостатки, является наиболее универсальным и распространенным в производстве способом формообразования панелей. Она применяется и как самостоятельный процесс для получения панелей одинарной кривизны, и как предварительный для подгибки мест усиления перед дробеударным формообразованием панелей двойной кривизны. Основное достоинство - это возможность обработки крупногабаритных заготовок, кроме того для гибки панелей, имеющих усиления толщиной 30 миллиметров и более, прессовый метод является единственным возможным.
Предлагаемый метод формообразования панелей
Для повышения производительности, точности и стабильности процесса свободной гибки предлагается проводить предварительный локальный нагрев деформируемой области заготовки на прессе непосредственно перед формообразованием, с помощью нагревательной установки с инфракрасными излучателями, рис. 6. Рост температуры заготовки влечет за собой повышение ее пластичности, что позволит сократить упругие составляющие деформаций, а следовательно, снизить величину пружинения.
Инструкция ВИАМ 1021 предусматривает локальный нагрев заготовок из материалов В95, В95оч, В95пч, В93, но не предусматривает способ нагрева.
/ У / / / / / У / / / / / V / /
Рис. 6. Нагрев панели перед гибкой
1 - панель; 2 - пуансон; 3 - опоры; 4 - установка для нагрева
Существует метод, который предусматривает (ПИ 1.2.255-83) локальный нагрев части панели в печи камерного типа, после чего панель перемещается на пресс, где происходит гибка нагретого участка. Данный процесс сопровождается большими потерями энергии во время нагрева, так как конструкция печи не позволяет полностью изолировать теплоноситель, а именно горячий воздух, от окружающей среды. Температура падает также при транспортировке от печи к прессу и во время формообразования, ввиду чего процесс обладает низкой стабильностью. Поэтому данная технология в настоящее время не применяется.
Сущность обогрева излучением, и одновременно его преимущество, заключается в передаче тепловой энергии от источника излучения непосредственно нагреваемому объекту без участия теплоносителя (воздуха) и, как следствие, потерь на нагрев окружающей среды.
Разработана установка, где нагрев заготовки осуществляется с помощью кварцевых ламп. Этот тип излучателей имеет самый низкий показатель времени разогрева до рабочей температуры, поэтому лучше подходит для часто прерываемых процессов нагрева. Энергетические возможности установки позволяют осуществлять формообразование заготовок из алюминиевых, титановых сплавов и нержавеющих сталей. Недостаток установки в том, что применяемые нагревательные элементы требуют охлаждения в процессе эксплуатации и необходимо организовать подвод проточной воды, что ограничивает передвижение установки по цеху. Одно из направлений исследований по устранению недостатков метода формообразования с локальным нагревом - это создание новых оригинальных средств нагрева заготовок.
Для анализа влияния температуры на упругое пружинение заготовки после формообразования было проведено моделирование процессов гибки на опорах с помощь программного комплекса. Модель заготовки шириной 1500 мм и толщиной 4 мм из материала В95очТ2 была деформирована до радиуса 3000 мм, а затем разгружена при температуре материала 20 оС и 150 оС.
В итоге при температуре 150 оС величина пружинения заготовки оказалась значительно ниже, чем при температуре 20 оС. Полученные результаты носят ориентировочный характер ввиду ранее указанных ограничений, для получения более точных результатов планируется проведение комплекса натурных испытаний.
Заключение
1. В ходе анализа технологического процесса формообразования длинномерных панелей крыла самолета установлено, что одним из основных факторов, негативно влияющих на трудоемкость и длительность процесса, является упругое пружинение заготовки после разгрузки.
2. Разработан метод формообразования с предварительным локальным нагревом панели,
позволяющий, как показало компьютерное моделирование, снизить величину пружинения. Данный метод позволит сократить объем доводочных работ, за счет чего снижается трудоемкость и длительность процесса формообразования длинномерных панелей, а как следствие, и их себестоимость.
Литература
1. Абибов А.Л., Бирюков Н.М., Бойцов В.В. Технология самолетостроения. М.: Машиностроение, 1982. 551 с.
2. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. 512 с.
3. Сапрыкин Б. Ю. Анализ способов расчета пружинения листовых материалов // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2013. № 2. С. 133-139.
4. РТМ 1171-69. Дробеударное формообразование обшивок одинарной кривизны из монолитных ребристых панелей. М.: НИИАТ, 1969. 32 с.
5. Пашков А.Е., Малащенко А.Ю. Об автоматизации процесса гибки-прокатки деталей типа обшивок крыла в комбинированном процессе формообразования // Вестник ИрГТУ. 2011. № 11. С. 37-42.
6. Технология изготовления окантовок фонаря кабины среднемагистрального самолета АН-148 / В.И. Максименков, А.А. Коротков, А.С. Джибилов, М.В. Молод, В.И. Федосеев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 12.2. С. 97-99.
Поступила 29.10.2018; принята к публикации 04.02.2019 Информация об авторах
Гребенников Дмитрий Сергеевич - инженер-технолог, ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: [email protected]
Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
SHAPING WING PANELS OF A LONG-HAUL AIRCRAFT D.S. Grebennikov1, V.I. Maksimenkov2
1Voronezh Aircraft Company, Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the analysis of the design features of the main types of long wing panels of modern aircraft, affecting the complexity of shaping, is presented. The nature of the elastic springback effect, which negatively affects the labor intensity of the shaping processes and their accuracy, is described. The main methods of forming single and double curvature panels are considered, such as free bending on press equipment, bending, rolling on roller machines and shot hammering, their main advantages and disadvantages are revealed. A method has been developed that provides for local heating of a section of the panel before bending on press equipment, which allows reducing the laboriousness of the bending process due to a significant decrease in the value of elastic springing, which entails a reduction in finishing work. The existing equipment for heating long panels is considered from the point of view of energy efficiency of. An installation for heating the workpiece with infrared radiation, equipped with quartz lamps as heating elements, has been developed. The analysis of the effectiveness of the proposed method was carried out, which showed a significant reduction in the effect of elastic recovery on the process of bending the workpiece using a press
Key words: panel, shaping, springback, bending, heating
References
1. Abibov A.L., Biryukov N.M., Boytsov V.V. "Technology of aircraft construction" ("Tekhnologiya samoletostroeniya"), Moscow, Mashinostroenie, 1982, 551 p.
2. Bezukhov N.I. "Fundamentals of the theory of elasticity, plasticity and creep" ("Osnovy teorii uprugosti, plastichnosti i polzuchesti"), Moscow, Vysshaya shkola, 1968, 512 p.
3. Saprykin B.Yu. "Analysis of methods for calculating the springing of sheet materials", News of Moscow State Technical University MAMI (Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta MAMI), 2013, no. 2, pp. 133-139.
4. RTM 1171-69 "Shot impact forming of single curvature skins from monolithic ribbed panels" ("Drobeudarnoe formoobra-zovaniye obshivok odinarnoy krivizny iz monolitnykh rebristykh paneley"), Moscow, NIIAT, 1969, 32 p.
5. Pashkov A.E., Malashchenko A.Yu. "On automation of the process of bending-rolling parts of the type of wing skins in the combined process of forming", Bulletin of ISTU (VestnikIrGTU), 2011, no. 11, pp. 37-42.
6. Maksimenkov V.I., Korotkov A.A., Dzhibilov A.S., Molod M.V., Fedoseev V.I. "Manufacturing techniques for the edging of the lantern of the cabin of the medium-haul AN-148", Ihe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2012, vol. 8, no. 12.2, pp. 97-99.
Submitted 29.10.2018; revised 04.02.2019
Information about the authors
Dmitriy S. Grebennikov, Industrial Engineer, Voronezh Aircraft Company (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: [email protected]
Vladimir I. Maksimenkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
