CC BY
4
Машиностроение и машиноведение
DOI 10.36622^Ти.2023.19.2.018 УДК 621.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОИСТЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В.И. Федосеев1, М.В. Молод2, В.И. Максименков2
Филиал ПАО «Корпорация «Иркут», г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрены вопросы изготовления слоистых панелей, применяемых для снижения шума турбореактивного двигателя. Приведены однослойные и двухслойные конструкции, применяемые в кожухах шумоглушения двигателей. Разработан технологический процесс изготовления слоистых панелей, определяющий этапы получения плоской панели и панели заданной криволинейной формы. Процесс изготовления осуществляется с нагревом в вакуумных печах. Осуществляя формообразование слоистых панелей, выявлены браковочные признаки: пружинение панели, разрыв верхнего несущего слоя, потеря устойчивости внутреннего слоя панели, смятие сотового заполнителя. Для проводимых исследований были выбраны материалы сотовых панелей - стальные и титановые сплавы. Проведенные испытания на растяжение образцов на испытательной машине «Р-10» в холодном состоянии и с нагревом заготовки с записью диаграмм «о-е» позволили определить предельные возможности материала, необходимые для разработки технологического процесса. Проведен расчёт параметров формообразования панели. Представлена новая конструкция штампа, в котором при формообразовании осуществляется предварительное и последующее растяжение панели. Степень растяжения регулируется углом наклона применяемых клиньев с учетом предельных возможностей материала панели. Проведены исследования, которые позволили сравнить результаты полученных панелей при базовом варианте и при растяжении панели. Эксперименты выявили отсутствие браковочных признаков, кроме перечисленных выше и в виде искажении граней ячеек заполнителя, оказывающих влияние на ресурс слоистых панелей
Ключевые слова: слоистые конструкции, формообразование, нагрев, штамп, деформации Введение
В конструкциях современных летательных аппаратах особая роль отводится решению вопросов снижения уровня шума двигателя, так как акустические характеристики -один из основных показателей, определяющих его конкурентоспособность.
Задачи шумоглушения в турбореактивном двигателе решаются применением звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Наиболее широкое применение нашли однослойные и двухслойные панели (рис. 1), состоящие из несущих слоев - перфорированной и сплошной обшивок и наполнителя - сотового заполнителя.
Для горячей части двигателя панели изготавливаются из титановых сплавов и нержавеющих сталей.
© Федосеев В.И., Молод М.В., Максименков В.И., 2023
Рис. 1. Звукопоглощающие конструкции
Процесс деформирования плоской ЗПК на заданный радиус кривизны является основной технологической операцией изготовления панелей шумоглушения [1, 2]. Формообразование осуществляется в штампах (рис. 2) с нагревом в вакуумной печи (УВН) следующим образом: заготовку панели 7 устанавливают на матрицу 1; сверху на панель устанавливают пуансон 2; рычаги 3 с грузами 4 перемещаются в рабочее положение до касания упоров 5 пуансона 2.
Постановка задачи
Рис. 2. Схема штампа для формообразования: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - рычаг; 4 - груз; 5 - нажимной рычаг;6 - направляющие; 7 - панель
Штамп помещают в печь и нагревают. При высокой температуре предел текучести материалов резко снижается. Под действием нагрузки, приложенной к панели, начинается процесс ее деформации, который продолжается до полного прилегания к матрице.
При формообразовании панелей возможно появление браковочных признаков (рис. 3).
Основными браковочными признаками являются:
• разрыв наружного слоя;
• потеря устойчивости/ складкообразование/внутреннего слоя;
• смятие сотового заполнителя;
• пружинение панели;
• седловидность панели.
Рис. 3. Браковочные признаки
Кроме того, в процессе применения существующего оборудования выявлено, что при деформировании сотовой панели двойной кривизны невозможно обеспечить заданную величину предварительного растяжения, что оказывает влияние на точность изготовления панели.
Цель работы: разработать конструкцию штампа, исключающую появление браковочных признаков. Провести исследования по оценке качества получаемых панелей.
Штамп для формообразования с нагревом в печи УВН с растяжением
Разработанная конструкция штампа обеспечивает повышение точности панели (рис. 4), что достигается посредством того, что узел регулирования давления на пуансон снабжен средством одновременного растяжения панели, выполненном в виде клинового соединения, подвижно соединенного с рычагами.
Процесс формообразования панели, описанный выше, сопровождается ее растяжением с помощью клиньев 8.
Применение растяжения в процессе формообразования панели позволяет обеспечить растяжение внутренней и наружной обшивок и соединенных с ними ячеек сотового заполнителя. При этом грани ячеек остаются прямолинейными, то есть не теряют своей геометрической формы, что обеспечивает требуемое качество получаемой панели.
Рис. 4. Схема разработанного штампа: 1 - матрица;2 - пуансон; 3 - рычаг; 4 - груз; 5 - нажимной рычаг; 6 - клинья; 7 - направляющие; 8 - панель
Проведенные исследования подтвердили решение поставленной задачи [3,4].
Рассмотрены деформации ячеек заполнителя.
Формообразование без растяжения панели показано на рис. 5. Размеры ячеек заполнителя на наружной стороне панели, контактирующей с заполнителем, растягиваются (рис. 5, б), а на внутренней - сжимаются (рис. 5, а). При этом грани ячеек теряют прямолинейную форму.
Рис. 5. Схема искажения ячеек заполнителя без растяжения: 1 - внутренняя обшивка; 2 - внешняя обшивка; 3 - стенка ячейки заполнителя
Рис. 6. Схема искажения ячеек заполнителя с растяжением: 1 - внутренняя обшивка; 2 - внешняя обшивка;
3 - стенка ячейки заполнителя
Применение растяжения панели (рис. 6) исключает процесс искажения граней ячейки
Сравнивая характер деформаций заполнителя следует, что в первом случае возникающие деформации на внутренней ячейки и внешней имеют различные знаки (сжатие и растяжение), что ведет к искажению граней ячейки, вследствие этого снижается устойчивость панели и ее ресурс.
Применение растяжения обеспечивает деформации одного знака, что исключает искажение граней ячейки и достаточно для получения качественной панели, при этом происходит снижение ее пружинения, увеличение ресурсных характеристик [1].
Технологический процесс изготовления панели
Схема технологического процесса изготовления слоистой панели с нагревом приведена на рис. 7.
Выбор материала заготовки, указанный в схеме технологического процесса, требует проведения механических испытаний образцов в холодном состоянии и с нагревом для определения предельных возможностей слоистых панелей, которые являются критерием выбора технологии изготовления слоистой панели. Полученные результаты испытаний представлены в табл. 1 [3].
Таблица 1
Механические характеристики образцов
Материал Температура 1, °С Предел прочности ав, МПа Относительное удлинение 5, %
12Х18Н10Т 20 650 19,5
700 265 34
ОТ4-1 20 670 23
760 100 40
Рис. 7. Схема технологического процесса изготовления слоистой панели
Расчет параметров формообразования панели
Усилие формообразования определяется по зависимостям (1) и (2) [4]:
Р2 =
Р=Р2+а
Р1 • Í1 • cosa1
(l)
(2)
12 • соБа2
где Р2 - регулируемое усилие деформирования; G - масса пуансона; Р1 - усилие от веса груза; ¡1 - расстояние от центра вращения нажимного рычага до тяги; 12 - расстояние от нажимного рычага до точки касания рычага. Усилие растяжения панели в процессе формообразования панели зависит от угла наклона клина (рис.8) и определяется по зависимости (3):
P Р3
Pp=--cosy,
p
cosa
(3)
где а - угол клина, град.;
у - угол между плоскостью клина и горизонтальной плоскостью, град; Р3 - вертикальное усилие клина, кгс.
Проведенные испытания панелей с нагревом в штампе подтвердили повышение качества получаемых деталей. Технологический процесс реализован при изготовлении кожухов шумоглушения горячей части турбореактивного двигателя.
Заключение
1. Проведенный анализ конструкции штампов по формообразованию панелей ЗПК позволил разработать новую конструкцию, в которой исключаются появление браковочных признаков при формообразовании.
2. Технология изготовления слоистых панелей определяет этапы получения плоской панели и заданной криволинейной формы, обеспечивая требуемую точность изделия.
3. Выполнены расчеты определения усилия формообразования панели ЗПК при предварительном растяжении и изгибе панели, исключающие искажение граней ячейки заполнителя.
4. Внедрение штампа для формообразования панелей ЗПК для горячей части ТРД позволяет повысить качество получаемых деталей для изготовления кожухов шумоглушения.
Литература
1. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. 351 с.
2. Максименков В.И., Одинг С.С. Термодеформирование сотовых панелей с электроконтактным нагревом // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 12. С. 89-91.
3. Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И. Формообразующие технологии для изготовления кожухов шумоглушения турбореактивного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т.17. № 3. С. 167-174.
4. Пат. 2 707 024 Российская Федерация, МПК В32В 3/12. Штамп для формообразования панелей / В.И. Максименков, М.В. Молод, В.И. Федосеев; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет». № 2019104810; заявл. 20.02.2019; опубл. 21.11.2019, Бюл. №33. 8 с.
Рис. 8. Расчет усилия растяжения в зависимости от угла клина
Поступила 05.03.2023; принята к публикации 20.04.2023 127
Информация об авторах
Федосеев Владислав Игоревич - ведущий инженер-конструктор, филиал ПАО «Корпорация «Иркут» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: vladislav.f@inbox.ru
Молод Марина Владиславовна - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84) , e-mail: molodmv@yandex.ru
Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: maksimenkov.v.i@mail.ru
STUDY OF THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURING NOISE REDUCTION HONEYCOMB PANELS FOR THE HOT PART OF A TURBOJET ENGINE
V.I. Fedoseev1, M.V. Molod2, V.I. Maksimenkov2
branch of Corporation «Irkut», Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses the issues of manufacturing honeycomb panels used to reduce engine noise. The designs of single-layer and double-layer panels made of steel and titanium alloys are given. The shaping of these panels is carried out in dies in vacuum furnaces. The developed stamp designs do not exclude the appearance of defective signs. The developed design of the stamp allows the formation of a layered panel with stretching, which eliminates distortion of the cell faces. The scheme of the technological process of forming panels is given, including the materials used with an assessment of the ultimate deformations at different temperatures, the geometric parameters of the panels obtained, the kinematics of the stamp and the forming process. Tests with heating were carried out on a universal breaking machine with a record of the diagrams "a-s". The calculation of the shaping parameters with the estimation of the shaping effort is performed. At the same time, the tensile force of the panel during shaping is determined with an assessment of the limiting capabilities of the material determined during the tensile testing of samples. On the received panels, an increase in their quality was noted, which is necessary for the subsequent manufacture of the turbofan muffler casing
Key words: layered structures, shaping, heating, stamp, deformation
References
1. Gorbunov M.N. "Technology of procurement and stamping works in the production of aircraft" ("Technologia zagotovitelno-shtampovochnykh rabot v proizvodstve letatelnyh apparatov"), Moscow: Mashinostroyeniye, 1970, 351 p.
2. Maksimenkov V.I., Oding S.S. "Thermodeforming of honeycomb panels with electric contact heating", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2012, vol. 8, no. 12, pp.89-91.
3. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Fedoseev V.I. "Forming technologies for the manufacture of turbojet engine noise reduction casings", The Bulletin of Samara University. Aerospace engineering, technology and mechanical engineering (Vestnik Samar-skogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekh-nika, tekhnologii i mashinostroyeniye), 2018, vol.17, no. 3. pp. 167-174.
4. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Fedoseev V.I. "Stamp for forming panels" ("Shtamp dlya formoobrazovaniya peneley"), Patent of RF 2 707 024, IPC B32B 3/12, cop. holder Voronezh State Technical University, no 2019104810; application 20.02.2019, publ. 21.11.2019, Bul. no. 33, 8 p.
Submitted 05.03.2023; revised 20.04.2023 Information about the authors
Vladislav I Fedoseev, Chief Designer, Branch of Corporation «Irkut», (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: vladislav.f@inbox.ru.
Marina V. Molod, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Department of Aircraft Engineering, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), E-mail: molodmv@yandex.ru
Vladimir I. Maksimenkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Department of Aircraft Engineering, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: maksimenkov.v.i@mail.ru
