Изготовление деталей авиационной техники многопроходной ротационной вытяжкой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.983.44.01

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ МНОГОПРОХОДНОЙ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКОЙ В.И. Корольков, В.М. Чернов, А.И. Егоров

Разработаны и исследованы технологические процессы изготовления деталей обтекателя-теплообменника мотогондолы транспортного самолета Ан-70 и пассажирского Ил-96. Описан примененный в данном исследовании метод определения деформаций в готовом изделии на основании геометрии и толщин в обработанной заготовке. Приведены диаграммы деформаций. Сравниваются результаты моделирования техпроцесса с результатами изготовления деталей

Ключевые слова: ротационная вытяжка, деформация, обтекатель

Традиционно высокие требования по массе, прочности, точности геометрии, предъявляемые к конструкциям в авиационной отрасли, способствуют внедрению

прогрессивных технологических процессов, к которым относится ротационная вытяжка. Учитывая, что этот процесс известен достаточно давно, широкое его внедрение сдерживается трудностями, обусловленными сложностью отладки технологии и дефицитом квалифицированных кадров.При изготовлении транспортного самолета АН-70 потребовалось в сжатые сроки произвести подготовку производства и изготовление обтекателя-теплообменника мотогондолывинто-

вентиляторного двигателя - сложного инженерного узла, основными деталями которого являются три оболочки тороидальной формы из нержавеющей стали диаметром около 1400 мм каждая (рис.1,2).

Рис.1. Модель обтекателя мотогондолы Ан-70 в сборе

Корольков Владимир Иванович - ВГТУ, профессор, е-mail: korolkov_vi@bk.ru Чернов Владислав Михайлович - ВГТУ, преподаватель, (473)248-14-57

Егоров Алексей Иванович - ОАО «ВАСО», инженер, тел. +7(920)225-40-61

д-р техн. наук,

старший

Существовала возможность их изготовления с использованием таких технологий, как штамповка,

формообразование эластичной средой, изготовление оболочек изнескольких частей с использованием сварки. При этом для штамповки требуется дорогостоящая оснастка, а сварная конструкция без правки и доводки не может в полной мере удовлетворять прочностным, аэродинамическим и

геометрическим требованиям, таким как обеспечение высокой геометрической точности и качества поверхности деталей, выходящих в воздушный поток, исключив доводочные операции. Требовалось

максимально удешевить оснастку, стоимость серийных деталей, сократить цикл технологической подготовки производства.

Рис. 2. Детали 1, 2 и 3

С учетом технологических требований и имеющегося в наличии оборудования, а также экономических факторов на основе анализа предложенных технологий для серийного производства деталей в ОКБ «Антонов» был выбран процесс формообразования ротационной вытяжкой. Таким образом, технология, уже применявшаяся при изготовлении носка обтекателя мотогондолы ИЛ-96, получала развитие на деталях Ан-70.

Для достижения успеха без длительной отладки данный процесс требует тщательного предварительного расчета, позволяющего определить как возможность изготовления деталей из заданного материала с соблюдением требуемых по техническим условиям параметров точности и разнотолщинности, так и непосредственно спроектировать технологию изготовления.

При расчете деформированного состояния использовался метод, базирующийся на доказанной предположении об

осесимметричности деформированного

состояния оболочки после полного цикла

перемещения очага пластической деформации в окружном направлении [1]. Данная гипотеза позволяет при расчете исключить из рассмотрения перемещение очага в окружном направлении и рассматривать перемещение очага пластической деформации только в меридиональном направлении.

Поведение заготовки в процессе

ротационной вытяжки моделировалось в самостоятельно разработанной САПР ТП ротационной вытяжки «RWS» [2]. Принцип работы "RWS" основан на математическом моделировании процесса формообразования, при необходимости - на конкретном оборудовании, в процессе которого производится тестирование моделируемого

процесса с учетом изменяющихся во времени деформационных свойств материала

заготовки, конструктивных кинематических и энергосиловых параметров оборудования.

После полной укладки на оправку элемент модели выводится из расчета.

Исходными данными для системы "RWS" являются геометрия изделия, начальные характеристики материала, параметры

оборудования. На выходе получены рекомендуемые диаметры заготовок,

требуемое количество переходов, траектории проходов инструмента на каждом переходе, управляющие программы для ЧПУ давильного станка. При помощи «RWS» спрогнозирована вероятность появления специфического для ротационной вытяжки брака - гофров, трещин, шейкообразования. Определены

коэффициенты запаса по деформациям, по разрыву, по гофрообразованию. На основании полученных результатов спроектированы шаблоны для копировального управления процессом, максимально точно

воспроизводящие расчетные траектории.

Кроме расчета в RWS был осуществлен дополнительный аналитический расчет

деформаций, при котором внутренний борт был разделен на четыре зоны в зависимости от условий деформирования и ожидаемого распределения деформаций (рис.3) [3].

Рис.З. Разбиение внутреннего борта обшивки на зоны

Зона I. От оси коллектора (точка 0) до точки наклона образующей 45° (точкаї). Ротационная вытяжка выполняется

проецированием, при этом выполняется «закон синуса», следовательно,

- окружные деформации =0 ;

- меридиональные деформации

ет= ; (1)

cos а

- деформации по толщине из условия

несжимаемости материала

толщина

t = t0 cosa,

(2)

(3)

где to - исходная толщина заготовки.

Зона II. В этой зоне

- окружные деформации возрастают от

max ~

нуля до максимума ^ по линейному закону;

- меридиональные деформации постоянны и равны деформациям в точке 1;

- деформации по толщине из условия несжимаемости

eZ=-(em+ef)• (4)

Зона III. На исходной заготовке ширина этой зоны равна радиусу роликар. В этой зоне:

- окружные деформации постоянны;

- меридиональные деформации снижаются до нуля

- деформации по толщине определяются из условия несжимаемости

е = —е •

z т ?

Зона IV. На исходной заготовке ширина этой зоны равна радиусу ролика р. В этой зоне:

- окружные деформации постоянны;

- меридиональные деформации изменяются

е.

от нуля до ет = —

- деформации по толщине определяются из условия несжимаемости и изменяются от

е1

е2=-егдо е2 =- —

Проектное распределение толщины показало, что утонение стенок будет достигать 30%, превышая разрешенные заказчиком 25%, что было подтверждено при изготовлении детали (рис. 6, 7). По результатам

проектирования было принято решение увеличить толщину заготовки детали 1с 1.8 мм до 2.0 мм.

Проведенные исследования и

моделирование процесса изготовления деталей обтекателя ротационной вытяжкой позволили сделать вывод о возможности изготовления деталей с помощью данного техпроцесса с соблюдением требуемого заказчиком распределения толщин. Таким образом, по результатам расчета была спроектирована технология, позволяющая получать детали 1, 2, 3 из цельных кольцевых заготовок

толщиной 2.0, 1.2 и 2.0 мм, соответственно. Важным положительным отличием от техпроцесса изготовления обтекателя Ил-96 стало отсутствие промежуточных

термообработок.

Изготовление деталей осуществлялось на универсальном однороликовом давильном станке фирмы ЬБ1СО "Leifeld" РЬБ-1600 с горизонтальной осью вращения. Крепление заготовки производили с помощью планшайбы. Формовку деталей 1 и 2 носка воздухозаборника осуществляли по копиру при движении давильного ролика от оси коллектора сначала по внутренней

поверхности (первый переход), затем по наружной (второй переход). Для детали 3 добавилось 2 перехода для формирования

ветвей внешней и внутренней ветвей. В качестве смазки использовали жидкое мыло. При изготовлении внутренней ветви деталей применялась сравнительно мало

распространенная операция отбортовки отверстия ротационной вытяжкой. При выполнении данной операции трудно

осуществить закрепление заготовки по

наружному контуру на вращающейся оправке. Кроме этого, размеры отверстия и высота борта ограничены возможностями кинематики станка [3].

Кольцевая заготовка обтекателя Ил-96 из стали 12Х18Н10Т толщиной 1,5 мм была сварена из трех равных секторов. Цельные кольцевые заготовки деталей Ан-70 имели толшины 2.0, 1.2 и 2.0 для деталей 1, 2 и 3, соответственно.

Для определения деформаций в полученных изделиях была разработана специальная методика, позволяющая обойтись без разрушения изделия. Это вызвано как высокой стоимостью заготовок из нержавеющей стали, не говоря о готовом изделии, так и высокой трудоёмкостью таких измерений. Сущность данной методики заключается в последовательном приведении деформированной геометрии к геометрии исходной заготовки и расчете меридиональных, окружных и деформаций по толщине, используя результаты измерений и рассчитанные данные [4].

Формула, выражающая координаты точки на заготовке через координаты на готовом изделии, имеет следующий вид:

Д° =

71/„

- + Б.

где

- объем і

кольцевого элемента, Р = I

г-1

(5)

элементарного

- площадь

2

сечения элемента, а ^ - радиус центральной точки сечения.

В приведенном на рис.4 случае скорректированная по сравнению с [3] формула

АХ

И +

Рис. 4. Схема к алгоритму расчета деформаций

2

Для операции отбортовки - внутренней ветви деталей

АХ [ ?. , +1 j

, ,-1 2 \ 4

(

Здесь у1 = 1

1 — соэ ~1— - прогиб элемента,

с = 2гср5т^-

2г /

2 ср J

■ хорда элемента, гср =

1и + г,

2

средний по сечению радиус кривизны, ^ и ti -толщины на границах элемента, 1 -

криволинейная длина элемента.

Учитывая, что начальная толщина элемента известна, а объем остается

неизменным, поэлементно от центра заготовки определяются исходные координаты точек на заготовке. Тогда меридиональная деформация

1 21 = 1п

", »,■

окружная деформация

ег =

деформация по толщине

1 ,}-е/=Ъ^

10

В соответствии с данной методикой написана прикладная компьютерная программа, автоматизирующая ввод данных о геометрии, получаемых из САПР(в данном случае - и^гарЫс8 и SolidWorks), расчет, обработку и визуализацию результатов расчета

[5].

Было выполнено сравнение

деформированного состояния обтекателей мотогондолы Ан-70 (детали 1 и 2) и Ил-96. Для этого в готовых изделиях были произведены необходимые измерения. Для Ил-96 - разрушающим способом, для Ан-70 -неразрушающими методами, описанными выше. Измерения детали для Ил-96 производились по радиальным темплетам шириной 30-40 мм, вырезанным из детали, по центру которых располагалась предварительно нанесенная разметка [6]. Исходной информацией для расчета деформаций служили начальные Я и текущие Я.

радиальные координаты реперов, толщина заготовки и детали к в месте расположения

отпечатка, а также начальные я и текущие я.

расстояния между двумя соседними метками. Координаты Я , а также расстояния между

метками я измеряли на инструментальном микроскопе БМИ-1 с точностью 0,005 мм.

10-1

2.75

2.25

1.75

1.25 0.75 0.25

-0.25

-0.75

Егп (Л

^1^55 \ А 1

у '

Ось носка

Рис. 5. Диаграммы деформаций обтекателя мотогондолы Ил-96

На рис.5для сравнения приведено распределение окружных и меридиональных деформаций в зависимости от начальной радиальной координаты метки R0 для двух обтекателей Ил-96. Как показал анализ деформированного состояния, уровень большей из деформаций 8т на наружной ветви оказывается больше, чем на внутренней, и именно вблизи наружной поверхности возможно появление браковочных признаков.

Диаграммы деформаций деталей Ан-70 (рис.6, 7) свидетельствуют о более высокой устойчивости процесса деформирования. Деформации не имеют резких всплесков и провалов ни в центре, ни на границах наружных и внутренних ветвей.

Рис. 6. Диаграммы деформаций детали 1

Рис. 7. Диаграммы деформаций детали 2

На внешней ветви от R0=580 до Я^=675 деформации монотонно возрастают, достигая 38% и оставаясь далее практически постоянными. Похожая картина наблюдается

ср

I

на внутренней ветви, где меридиональная деформация после Ио=475 и до конца ветви не превышает 30%, снижаясь к ^=440 до 19%. Вероятность появления браковочных признаков для детали 1 несколько больше на наружной ветви, для детали 2 такая вероятность практически одинакова для обеих ветвей.

На внешней ветви детали 2 от Ио=580 до Ио=635 деформация плавно нарастает, достигая постоянного значения 28%. На внутренней ветви деформация быстро возрастает до Ио=505, где достигает 22%, однако не останавливает свой рост и к R0=RзАг..Внyгp.- на внутреннем диаметре заготовки -достигает ~30%.Для выбранного материала такой уровень деформаций приемлем. Таким образом, по результатам анализа стало очевидно, что в принципиальных корректировках техпроцесса нет необходимости.

Анализрезультатов проведенных

экспериментальных исследований и данных других исследований показывает, что уровень меридиональных деформаций при отбортовке отверстия - изготовлении внутренних ветвей деталей - несколько ниже, чем при вытяжке -изготовлении внешних ветвей. Однако, это не означает меньшей вероятности разрушения, т.к. при отбортовке происходит двухосное растяжение (е >0) - это хорошо видно на диаграммах. Предельные устойчивые и предельные разрушающие деформации при двухосном растяжении для большинства материалов ниже, чем при одноосном растяжении. При формообразовании внешних ветвей наблюдалось достаточно интенсивное гофрообразование, но по ходу процесса гофры полностью разглаживались.

Внедрение технологического процесса ротационной вытяжки в совокупности с предварительными компьютерными расчетами технологии при изготовлении оболочечных осесимметричных деталей позволило получить высококачественные изделия, значительно сократив при этом производственные затраты.

Литература

1.Корольков В.И. Моделирование

деформированного состояния заготовки при ротационной вытяжке без преднамеренного утонения // Кузнечно-штамповочное производство - 2001г. - №7 -С.40-44.

2.Захаров Е.Е., Корольков В.И. Система

автоматизированного проектирования технологических процессов ротационной вытяжки «RWS» // XXVII Гагаринские чтения: Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. - М., 2001.

3.Саликов В.А., Корольков В.И., Чернов В.М.,

Захаров Е.Е. Моделирование и технологическое проектирование процессов ротационной вытяжки

деталей носка обтекателя мотогондолы транспортного самолета // Кибернетика и технологии XXI века: Труды II Международной научно-технической конференции -

Воронеж., 2001. - С.197-201.

4. Чернов В.М. Определение пластических

деформаций при многопроходной ротационной вытяжке // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении: Труды международной научно-

технической конференции -Воронеж. 2000. - С. 133-138.

5.Корольков В.И., Захаров Е.Е. Компьютерное

моделирование процесса ротационной вытяжки

обтекателя мотогондолы самолета Ан-70 // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Материалы

международной конференции. - Сочи, 2000. - Ч.6 -С.33-37.

6.Корольков В.И., Попов С.П., Томилов Ф.Х., Чернов В.М. Исследование процесса ротационной вытяжки крупногабаритной тороидальной детали из плоской заготовки // Кузнечно-штамповочное производство - 1995г. - №3 -С.8-9.

Воронежский государственный технический университет

ОАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество»

MANUFACTURING OF AIRCRAFT CONSTRUCTION DETAILS BY SPINNING V.I.Korolkov, V.M.Tchernov, A.I. Egorov

The technological process of manufacturing turbofan engine inlets lipskins of cargo aircraft An-70 is described. Original measurement method, based on geometry and thickness of treated workpieces, applies in this investigation. In addition, results of modeling and manufacturing are compared. Diagrams of deformations are published

Keywords: rotary extractor, deformation, fairing.