Изготовление из МПКМ конструктивных элементов планера самолета и особенности их формообразования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В.И. Постное, В.И. Петухов, И.А. Казаков, П.А. Абрамов, А.В. Постное, О.Г. Сенатороеа, Г.Ф. Железина

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗ МПКМ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАНЕРА САМОЛЕТА И ОСОБЕННОСТИ ИХ ФОМООБРАЗОВАНИЯ

Освоено изготовление из МПКМ элементов конструкции методами деформирования, применяемыми для листов алюминиевых сплавов, с использованием имеющегося оборудования предприятий. При ограниченных допускаемых деформациях до 2-3% элементы сложных геометрических форм возможно изготовлять «раздельным» методом из слоев металла, деформированных по традиционным технологиям, с их последующей склейкой-формовкой с препрегами в автоклавах или прессах. При изготовлении обшивок с габаритами выше выпускаемых металлургическими заводами, освоена технология сращивания и получения деформированных элементов с малой кривизной под давлением автоклава, когда обшивка собирается из узких слоев металла, а стыки перекрываются накладками и препрегами. Проведены коррозионно-усталостные испытания плоских стенок с отбортовками из МПКМ, а также усталостные испытания обшивок двойной кривизны, показавшие преимущество элементов из МПКМ.

Ключевые слова: деформирование.

Металлополимерные композиционные материалы (МПКМ) разработаны с целью повышения живучести конструкций листовых элементов планера, их усталостной долговечности при снижении массы. МПКМ состоят из склеенных между собой тонких листов алюминиевых сплавов (0,2-0,6 мм) и слоев толщиной 0,2-0,5 мм высокопрочных композиционных материалов (КМ). В МПКМ металлические листы расположены на поверхностях пакета и защищают КМ от внешних воздействий (влаги, излучений, ударных нагрузок и других). При нагружении слои работают совместно. Композиционный материал с высокой прочностью армирующих волокон - до 5800 МПа - позволяет до 2,5 раз повысить прочность такого слоистого материала. В настоящее время разработаны и освоены в серийном производстве:

- АЛОР (алюминий-органопластик), зарубежный аналог - ARALL;

- СИАЛ (стеклопластик и алюминий), зарубежный аналог - GLARE.

Подготовлен для паспортизации и опытного применения ТИОР (титан-органопластик).

В конструкциях необходимые толщины листов или профилей набираются путем увеличения количества и толщины слоев металла и КМ, достаточных для обеспечения прочности и долговечности.

Существует преемственность технологии изготовления элементов обшивок и каркаса из готовых листов МПКМ и технологии изготовления традиционных материалов. Примером может служить поставка готовых листов МПКМ, изготовляемых централизованно на металлургических или специализированных предприятиях. В этом случае возможны значительное снижение стоимости производства, повышение уровня качества, сертификация МПКМ и стандартизация. Изготовление из МПКМ конструктивных элементов планера самолета, двигательных установок (ДУ) производится на предприятиях, выпускающих авиатехнику и другие изделия. Однако возможности широкого применения МПКМ ограничиваются габаритами выпускаемых стандартных тонких листов алюминиевых и других легких сплавов - для удовлетворения требований производства МПКМ необходима коренная перестройка металлургических предприятий, выпускающих листовой прокат.

Для преодоления металлургических проблем изготовления крупногабаритных (20,0x3,0 м) тонких листов алюминиевых сплавов, разработана технология сращивания,

когда изготовление листа МПКМ происходит из листов небольших габаритов, и в этом случае габариты ограничиваются только размерами автоклавов, в которых склеиваются пакеты слоев МПКМ. Формообразование деталей одинарной и двойной кривизны -аэродинамических поверхностей агрегатов крыла, оперения, фюзеляжа и мотогондолы - производится формованием в автоклаве. Поэтому при проектировании необходимо произвести членение агрегатов с обшивочными панелями, обеспечивающее необходимые расчетные деформации, допустимые при таком формообразовании. По такой технологии изготовлены панели фюзеляжа самолета А-380 с габаритами до 12,0x3,0 м (всего 22 панели с общей площадью 480 м2). Данная технология также опробована в УНТЦ, предложен метод расчета предельных деформаций листовых заготовок МПКМ для освоения в серийном производстве крупногабаритных условно-плоских или криволинейных элементов.

Проведенные технологические исследования на серийном оборудовании ЗАО «Авиастар-СП» показали, что способность слоистых МПКМ к формоизменениям зависит от схемы армирования листов волокнами. Так, для однонаправленных МПКМ при гибке вдоль оси армирования получают минимальные радиусы изгиба и углы пру-жинения. Необходимо отметить, что для производимых листовых заготовок МПКМ отработаны все общеизвестные технологические процессы формообразования деталей: гибка, гибка-прокатка, стесненный изгиб, штамповка на прессе, штамповка эластичной средой, обтяжка деталей одинарной и двойной кривизны и т. д. При этом получены следующие параметры: допустимый относительный радиус изгиба г > 5 (при стесненном изгибе г>1), коэффициент выдавки Квыд<8%; коэффициент обтяжки Кобт<1,02-1,025. В связи с ограниченными возможностями обтяжки СИАЛов, АЛОРов разработаны специальные методы и приемы с учетом пружинения детали в обтяжной оснастке. Образцы деталей, полученных пластическим деформированием из готовых листов МПКМ, показаны на рис. 1.

а) б) в)

Рис. 1. Образцы деталей, полученных пластическим деформированием из листов МПКМ: а - отбортовка (штамповка эластичной средой); б - рифт (штамповка эластичной средой); в - обшивка носка крыла; г - перекрещивающиеся рифты (штамповка эластичной средой); д - образец гнутый (углы изгиба 60-70 град); е - фрагмент стенки балки с отбортовками тарельчатой формы; ж - образец гнутый (угол изгиба 90 град); з - образец (гибка-прокатка н^ радиусы 500-100 мм); и - образцы обшивок реверса РУ-18Т (корона) и мотогондолы двигателя Д18Т (изготовлены обтяжкой)

Если деталь сложна по геометрии и не может быть изготовлена по традиционным технологиям для металлов, то для ее изготовления разработана новая технология «раздельного» формования, когда из отдельных слоев изготовляют элементы детали, а затем они формируются в специальной оснастке в прессе или автоклаве. Примером такой технологии является изготовление нервюр из АЛОР Д16/41 для носка крыла и обшивки мотогондолы самолета Ан-124-100 (рис. 2).

На рис. 3 и 4 представлены образцы сборочных единиц с листовыми элементами из МПКМ.

Как перспективные элементы, позволяющие значительно снизить материалоемкость и трудоемкость (при повышении ресурса), на рис. 5 показаны образцы монолитных панелей с ребрами и полотном из МПКМ.

а) б)

Рис. 2. Детали, полученные методом «раздельного» формования из слоев металла и КМ: а - нервюра носка крыла; б - обшивка мотогондолы Ан-124-100

Рис. 3. Собранный натурный фрагмент носка крыла с листовыми элементами из МПКМ АЛОР

Рис. 4. Собранный узел конструкции и профили, гнутые из листов МПКМ БМЬС (Нидерланды)

Рис. 5. Панели с полотном из МПКМ с перекрестными и продольными ребрами (лист алюминиевого сплава + КМ)

Ребра имеют полости, заполненные жгутами из КМ и связующим, и полимери-зуются заодно с полотном. Также ребра могут представлять собой штампованные или штампосварные коробки, установленные на полотне, например, по сборочным отверстиям, образуя в зазорах между коробками полости, заполненные КМ.

При отработке и освоении формообразования элементов конструкции из МПКМ установлены следующие основные особенности.

1. Предельные возможности пластического деформирования готовых листов МПКМ ограничиваются не только технологическими возможностями сплавов в состоянии после окончательной термической обработки (вшах), но и вшах слоев композита, анодных покрытий, величиной градиентов напряжений на границах металл-композит, схемой напряженно-деформированного состояния. Так, для алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и органопластика на основе органоткани СВМ (арт. 56313) и связующего - клея ВК-41 -в процессе обтяжки опасными являются 8шах в пределах 2,0-2,5%.

При стесненном изгибе профилей, где создается неравномерное всестороннее

сжатие в зоне деформирования, обеспечивается без разрушения относительный радиус

-

г = > 1,0,

Гн.о

где Нн о - расстояние от волокна до нейтральной оси изгиба, гн.о - радиус кривизны нейтральной оси.

Если слой композита и его границы расположены симметрично относительно нейтральной оси, то для трехслойного МПКМ (без расслоений) относительная деформация крайних металлических слоев может составлять до 30-33%. При этом усталостная прочность в них не уменьшается (по сравнению с аналогичной характеристикой для листа МПКМ).

Для работы МПКМ в коррозион- 400

ных средах нарушение целостности плакирующего слоя и анодного покрытия при деформации в пределах 1,8-2,5% требует изменения способа гибки на «раздельное» формообразование с деформированием отдельных слоев металла (в том числе и для профилей).

2. При освоении и исследовании процессов изготовления элементов каркаса с

г Рис. 6. Эскиз элемента стенки с отбортов-

°тб°ртовками (см. рис. 1 ^ е; рис. 6) кой 074 мм для усталостно-коррозионных ис-установлено, что деформации в зонах радиусов изгиба достигают 10-13% без расслоений для тарельчатых отбортовок.

Однако для серийного производства следует рассмотреть вопрос увеличения радиусов в сечении отбортовки либо применить «раздельное» формование (аналогично показанному на рис. 2, а для стенки нервюры с отбортовками). Для тороидальных от-бортовок следует уменьшить глубину отбортовки и увеличить радиус гиба в сечении. Стенки с отбортовками прошли усталостно-коррозионные испытания в СибНИА. Долговечность элементов с отбортовками, установленная при циклических испытаниях типовых отбортовок 074 мм при габаритах элемента 0,2*0,4 м, приведена в табл. 1. Усталостные испытания проводились в соответствии с ГОСТ 25.502-79 по методике СибНИА. Коррозионные испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9.017-74 на натур-

074 ) о

1

пытаний

ных образцах габаритом 0,2*0,4 м. Блок испытания состоял из выдержки в 3%-ном растворе

№аС1 (15 cут) и последующего циклического нагружения (1 • 105 цикл: от^от^ при/=11 Гц).

Таблица 1

Результаты испытаний стенок с отбортовками

Вид Материал Тип отбортовки Режим нагруже- Количе- Квоты

испытания элемента по ГОСТ 17040-80 ния при испыта- ство цик- превос-

и технология нии на МЦУ лов до ход-

изготовления (/=11 Гц, стт=20 МПа): стах, МПа разрушения, N ства, п раз

Усталостные Д16ч.-АТ-1,2 Тарельчатая, штам- 80,0 2709060 1

испытания повка из свежеза- 100,0 503270 1

(ГОСТ 25.502-79) каленного листа 120,0 185910 ]

Тороидальная, 80,0 762620 0,28

штамповка из све- 100,0 253210 0,50

жезакаленного ли- 120,0 156800 0,85

ста (серийная)

АЛОР Д16/41-1,3 Тарельчатая, штам- 80,0 Св. 5000000 1,95

с растяжением СВМ повка из полимери- 100,0 1056100 2,10

зованного АЛОРа 120,0 493430 2,70

АЛОР Д16/41-1,3 на гидропрессе 100,0 4828460 9,60

без растяжения СВМ

Коррозионные Д16ч.-АТ-1,2 Тарельчатая, штам- 100,0 130500 ■ 1

испытания по повка из закаленно- 120,0 93169

ГОСТ 9.017-74 го и состаренного

(15 сут в 3%-ном состояния

№аС1) + усталост- Тороидальная, штам- 100,0 106000 0,82

ные испытания повка (серийная) из закаленного и состаренного состояния 120,0 72584 0,63

АЛОР Д16/41-1,3 Тарельчатая, штам- 100,0 699347 5,35

с растяжением СВМ повка из полимери-зованного состояния на гидропрессе 120,0 234552 2,41

Возможность деформирования элементов без ухудшения ресурса сборочных единиц проверена ресурсными испытаниями в СибНИА.

Испытываемые натурные фрагменты ^ 2,0 (Д16ч.-АТ) носка носовой части крыла самолета Ан-124-100

ц/^--(АЛОР Д16/41) схематично показаны на рис. 7.

В этом фрагменте обшивки (см. рис. 7) все листовые детали, кроме мелких прокладок, выполнены из АЛОР Д16/41 с нерастянутой и растянутой при полимеризации структурой. Для сравнения испытывались фрагменты, выполненные по серийным чертежам. При этом были применены гибка, гибка-прокатка обшивки, штамповка на гидропрессе отбортовок на нервюрах и стенке, обрезка по контуру на высокооборотном фрезерном станке с ЧПУ.

Рис. 7. Упрощенная схема носка носовой части крыла Ан-124-100

Результаты ресурсных испытаний на статическое, повторно-статическое, акустическое нагружение, комплекс повторно-статического и виброакустического нагру-жения подтвердили преимущества фрагментов из МПКМ и приведены в табл. 2.

Таблица 2

Долговечность конструкции с листовыми деталями из АЛОР Д16/41 при виброакустическом нагружении с уровнем 162 дБ в полосе частот 80-100 Гц

Материал Комплекс Время до Квота превосходства Максимальные

листовых нагрузок* при разрушения, ч МПКМ перед сплавом напряжения при

деталей испытании до Д16ч.-АТ, п раз испытании, МПа

разрушения начало конец по началу разрушения по концу разрушения в обшивке в нервюре

Нервюры из Д16ч.-АТ (1,2); Акустические (I) 509,7 866,7 1 1 19,025,9 11,415,2

обшивка из Д16ч.-АТВ (1,2) с приклеенными клеем ВК-25 накладками Д16ч.-АТ (0,8) Повторная статика с трехкратной расчетной нагрузкой + 63 457 1 1 22,4 17,0

+ акустические нагрузки до разрушения (II)

АЛОР Д16/41 I 787,5 1261,0 1,55 1,45 26,3 16,1

(1,3) без растя-

жения СВМ при II 1292 1781 20,5 3,8 28,7 10,5

полимеризации

АЛОР Д16/41 I 2055 3356,5 4,03 3,9 22,1- 9,3-16,1

(1,3) с растяже- 26,3

нием СВМ на II 1580 1843,6 27,75 4,03 21,1 14,5

1%

* I и II - условные обозначения комплекса нагружения.

Наименее затратными и не требующими специального оборудования и обтяжной оснастки, больших площадей для ее хранения являются процессы формования со «сращиванием» и деформированием слоев МПКМ давлением автоклава с полимеризацией на поверхностях выклеечных форм одинарной и малой двойной кривизны.

Такой метод опробован на образцах, и показана возможность получения обшивок с неприлеганием к форме, устраняемым путем прижатия обшивки к форме нормированным для металлических обшивок усилием до 100 Н. Основные схемы сращивания и их выбор показаны далее.

Выбор технологических схем сращивания металлических слоев МПКМ предлагается по результатам (полученным при освоении самолета А-380) наземных, летных испытаний и сертификации самолета.

Анализ известных схем сращивания показал, что они являются разновидностью или комбинацией двух основных схем:

- схема со стыком металлических слоев без нахлеста с установкой металлической накладки снаружи на верхний слой пакета МПКМ, перекрывающей все стыки (рис. 8). (Накладка в конструкции расположена внутри агрегата);

- схема с перехлестом металлических слоев в местах стыка с перекрытием стыка в каждом слое (рис. 9). Ступеньки толщин расположены внутри агрегата и не выходят на аэродинамический контур.

Дублер (стыковая накладка) из металла

Рис. 8. Схема «сращивания» со стыком металлических слоев без нахлеста (НС - направление сращивания); В - ширина накладки (>150 мм); Д- дистанция сращивания (37-40 мм):

I I - слой металла; , I I - слой КМ с волокном, направленным параллельно и перпендикулярно НС соответственно

Длина

Подсечка

<->■ ■о-

Рис. 9. Схема «сращивания» с перехлестом металлических слоев: - металл; I I - слои КМ; - клей (связующее)

Для отработки технологии изготовления обшивок из МПКМ марок СИАЛ и АЛОР выбраны следующие технологические схемы сращивания металлических слоев:

- схема 1 - стык металлических слоев без нахлеста с установкой внешней металлической накладки снаружи на верхний слой пакета МПКМ, перекрывающей все стыки (см. рис. 8);

- схема 2 - перехлест металлических слоев в местах стыка с установкой металлической накладки внутри пакета на первый металлический слой с перекрытием стыка в этом слое (рис. 10).

-С

~35 ~35

\<——->

-

--

Рис. 10. Схема «сращивания» с перехлестом металлических слоев в местах стыка и с внутренней металлической накладкой в месте стыка в первом слое: -металл; I I - слой КМ

Схема 1 неприемлема для изготовления обшивок двойной кривизны, так как из-за подвижки листов при формовании невозможно обеспечить необходимый зазор 10-20 мм по их стыку, но она приемлема для обшивок одинарной кривизны. Схема 2 приемлема для обшивок двойной кривизны, так как наличие перехлестов в местах стыков обеспечивает качественное соединение, несмотря на возможные подвижки металлических слоев при формовании.

Для обеспечения прочности места сращивания на уровне не ниже, чем в местах с регулярной обшивкой, выполнен расчет необходимой величины нахлеста металлических слоев. Расчет величина нахлеста слоев (П) выполнен по формуле:

Б = ^' °°2А1, (1)

где - толщина сращиваемых листов, м; а0,2 - предел текучести алюминиевого сплава, МПа; тсдв - предел прочности при сдвиге соединения внахлест металлических листов, склеенных пленочным клеем либо препрегом, МПа.

Величина нахлеста слоев (для АЛОР и СИАЛ) составляет 35 мм исходя из прочностных характеристик листов Д16ч.-АТ толщиной 0,5 мм (ов=400 МПа) и величины тсдв=17,7 МПа для места склейки слоя КМ с анодированной поверхностью листа Д16ч.-АТ. При таком нахлесте прочность клеевого соединения в месте стыка в три раза выше прочности металлических слоев, и клеевой шов не будет причиной разрушения обшивки.

Для определения ширины В сращиваемых листов из прямоугольного треугольника на рис. 11 находим величину Н=В /8Я. Относительное сжатие 8 краев листа по отношению к середине, согласно рис. 11, вычисляется, исходя из отношения разницы длин дуг по центру и по краю к длине дуги по краю нарисованной поверхности, следовательно, величина 8 и есть интересующий нас критерий драпируемо-сти (при условии, что не произошло образования гофр на сжатых участках металлического листа), и он вычисляется по формуле:

Рис. 11. Схема укладки металлического листа на поверхность двойной кривизны

Н _ Б2 ~ г ~ 8г•Я

(2)

где В - ширина листа, м; г, Я - радиусы кривизны, м.

Максимально допустимое значение величины В было определено эмпирически в процессе опробования выкладки листов Д16 толщиной 0,3 и 0,5 мм, разных по ширине, на оснастку двойной кривизны с известными радиусами кривизны. Для этого использованы две выклеечные оснастки двойной кривизны с радиусами продольного (Я) и поперечного сечения (г): первая с Я=8 м, г=0,9 м, габаритом 0,9*0,7 м (рис. 12); вторая с Я=20 м, г=1,9 м, габаритом 1,8*0,8 м.

На первой оснастке с Я=8 м, г=0,9 м, при использовании металлических листов Д16 (толщиной 0,3 и 0,5 мм) различной ширины, отрабатывался критерий драпируемо-сти. При этом для контроля полноты прилегания листов к поверхности оснастки использовались отверстия, предварительно просверленные в листах. В результате формо-

т

сдв

вания образцов обшивок из МПКМ на первой оснастке при использовании металлических листов шириной более 0,3 м на поверхности образовались гофры, которые при формовании были заполнены выдавленным из препрега клеем. Следовательно, для первой оснастки максимально допустимая ширина полос не более 0,3 м, и поэтому при расчете по формуле (2) получено: 8=0,0015.

Полученные обшивки (рис. 13) имели разброс толщины в пределах ±0,1 мм. Неприлегание обшивок к выклеечной оснастке - не более 0,2 мм и устраняется сосредоточенной нагрузкой до 100 Н.

Проведенные исследования усталостных свойств (ОСТ 9.0268-78) образцов-свидетелей полученных обшивок (при напряжении на регулярной части 140 МПа с частотой f=9 Гц; коэффициенте асимметрии ^=0,2) показали, что выносливость по месту сращивания не ниже, чем по регулярной части, и составила для обшивки из АЛОР более 80 кциклов, а для обшивки из СИАЛ - более 200 кциклов. При металлографических исследованиях структуры обшивки в зоне стыков при сращивании расслоений не обнаружено (рис. 14).

Рис. 12. Оснастка двойной кривизны с Л=8 м, г=0,9 м, габаритом 0,9*0,7 м

Рис. 13. Обшивка двойной кривизны с Л=20 м; г=1,9 м и габаритом 0,7x1,2 м со структурой СИАЛ3-3/2-0,5

а)

б)

По результатам проведенных исследований можно сделать выводы: - показана возможность освоения производства элементов из МПКМ с применением методов деформирования, в том числе без применения обтяжного оборудования и уни-

кальных крупногабаритных листогибочных станков в условиях действующих серийных предприятий по изготовлению авиатехники;

- приемлемость отработанных технологий формообразования элементов и сборочных единиц подтверждена положительными результатами наземных ресурсных испытаний натурных фрагментов планера и последующей проверки в лётной эксплуатации;

- разработанный комплект НД для МПКМ освоен в производстве. Э.К. Кондратов, В.И. Постное, В.И. Петухов,

Н.С. Кавун, П.А. Абрамов, А.А. Юдин, С.Л. Барботько

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ НА МОДИФИЦИРОВАННОМ СВЯЗУЩЕМ ФПР-520Г

Проведен анализ свойств трехслойных сотовых панелей на модифицированном связующем ФПР-520Г. Показано влияние модифицированного связующего на увеличение прочностных свойств панелей и на снижение их пожароопасности при использовании в интерьерах пассажирских самолетов.

Ключевые слова: сотовые панели, модифицированное связующее.

В настоящее время для изготовления трехслойных панелей интерьера применяется высококонцентрированное фенолформальдегидное связующее ФПР-520, которое дает возможность получать панели с хорошими прочностными характеристиками по бесклеевой технологии. Отсутствие клея в составе трехслойных сотовых панелей приводит к уменьшению их пожароопасности, так как большинство клеев являются горючими материалами. Кроме того, связующее ФПР-520 изготовлено на водной основе без применения токсичных растворителей, что делает его экологически безопасным. Но в связи с изменением Авиационных правил многих стран и введением в них ряда новых требований по оценке пожаробезопасности конструкций самолета выяснилось, что не все из существующих материалов, применяемых в конструкции интерьеров пассажирских самолетов, отвечают в полной мере возросшим требованиям. Причем наиболее важным параметром оценки пожаробезопасности оказалось тепловыделение при горении, так как некоторые материалы (стеклопластики, трехслойные панели, в том числе и на связующем ФПР-520) по этому показателю попали на границу допустимого диапазона. В связи с тем что основным источником выделения тепла при горении ПКМ является используемое связующее, встал вопрос о модификации связующего ФПР-520, применяющегося в настоящее время для изготовления панелей интерьера пассажирских самолетов. В результате этого в ВИАМ было разработано модифицированное фенолформальдегидное связующее ФПР-520Г, включающее дисперсный антипирен, предназначенное для изготовления деталей интерьера пассажирских самолетов и позволяющее повысить их пожаробезопасность.

Экспериментальная часть

Объект исследования: трехслойные сотовые панели, изготовленные из препрега стеклоткани Т-15(П)-76 на модифицированном фенолформальдегидном связующем ФПР-520Г и сотового заполнителя ССП и ПСП.

Для проведения исследований были изготовлены препреги из стеклоткани Т-15(П)-76 с содержанием модифицированного связующего ФПР-520Г в количестве 56 и 65%. Изготовление препрегов проводилось на пропиточной установке УПР-3 с помощью специальной пропитывающей фильеры. Пропитка тканого наполнителя в фильере происходит путем подачи под давлением связующего в регулируемый щелевой зазор, через который производится протяжка ткани. В результате односторонней подачи связующего в пропитывающей фильере, полученные препреги имеют асимметричный нанос связующего*, т. е. препрег имеет лицевую сторону, где сосредоточено основное количество связующего, и изнаночную, где связующего меньше. Эта особенность пре-прегов была использована для повышения прочности сцепления обшивок с сотовым