CC BY
208
УДК 627.042.2
В. В. Злотенко, Н. Н. Ишенина
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Рассмотрена структура сотовых панелей, обоснован выбор кольцевого сверла как режущего инструмента для получения отверстий склееных сотопанелях.
В конструкции космических аппаратов (КА) связи применяются сотовые панели различного назначения, выполненные из разных материалов. Применение легких и жестких трехслойных панелей, изготовленных с использованием тонких обшивок ^ = 0,3...0,5 мм) и сотового заполнителя из алюминиевых сплавов в качестве базы для размещения радиолокационного оборудования эффективно решает проблему прецизионного позиционирования и обеспечения теплового режима работы приборов при эксплуатации в космическом пространстве.
Федеральной космической программой России на период 2004-2015 гг. предусмотрено производство ряда современных КА, созданных на базе унифицированных платформ негерметичного исполнения с использованием клееных сотовых панелей из алюминиевых сплавов: «Экспресс-1000», «Экспресс-2000», «Экспресс-АТ», «Эк-спресс-АМ» (рис. 1) и др.
Механическая обработка сотопанели имеет свои особенности, накладывающие ряд ограничений на параметры режимов резания. Они обусловлены тем, что сотопа-нель представляет собой композиционный материал с неоднородными свойствами входящих в нее структурных элементов.
Рис. 1. Модуль полезной нагрузки КА «Экспресс-АМ» с установленными приборами, созданный на базе клееных алюминиевых сотопанелей
На одной сотопанели могут быть установлены сотни приборов, что требует наличия сотен и тысяч опорных узлов для их крепления. Опорный узел представляет собой закладной элемент в виде катушки с крепежным резьбовым отверстием, вклеиваемый в предварительно выполненное в сотопанели посадочное отверстие (рис. 2). В склеенной сотопанели отверстия под установку закладных элементов выполняются методом механической обработки.
Оптимизация процесса резания при выполнении посадочных отверстий, обеспечив надежность и качество сотопанели, позволит значительно повысить производительность и снизить себестоимость, что имеет большое значение в условиях высокой конкуренции на внутреннем и внешнем рынке КА связи, навигации и геодезии.
Рис. 2. Структура сотовых панелей: 1 - обшивка из сплава Д16АТ с покрытием Ан.Окс.хром./гр. ЭП-0234; 2 - пленка клеевая ВК-36РТ.260 (ТУ 1-595-24-486-96); 3 - сотовый
заполнитель 5056-2,5-23П (ТУ У-1431577.232-97); 4 -пенокомпаунд ПЭК-74 (ТУ 2257-315-07500935-2000); 5 -закладной элемент; 6 - клей ВК-25
Известно, что любой процесс резания сопровождается тепловыделением, которое при обработке клееных конструкций может стать ограничивающим фактором процесса. Наиболее критичным в этой части является клеевое соединение «обшивка-сотовый заполнитель», так как нагрев клея ВК-36РТ выше квалификационной температуры +150 °С приводит к его охрупчиванию, снижению адгезии и, как следствие, - к разрушению клеевого соединения и всей сотовой конструкции. Поэтому возникла необходимость в проведении исследования тепловых процессов резания при механической обработке сотовой панели для определения оптимальных режимов резания, обеспечивающих сохранение механических свойств сотовой конструкции.
Объектом исследования является технологическая, математическая и теплофизическая модель обработки резанием сотопанели при выполнении отверстий кольцевым сверлом. Цель работы состояла в обеспечении надежности и качества изделий на базе трехслойных сотовых конструкций за счет сохранения механических свойств сотовой панели при наименьшей себестоимости ее изготовления в рамках исследования процессов резания.
В нашей стране исследования конструкции и технологии изготовления сотовых клееных конструкций из алюминиевых сплавов при производстве авиационной
техники проводились в ряде научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий, в том числе в НИАТ, ВИАМ. По результатам проведенных исследований в целях обеспечения подготовки производства ряда изделий, имеющих агрегаты с сотовым заполнителем, был разработан руководящий технический материал (РТМ-984). Последующие исследования были посвящены обеспечению и регулированию механических, теплофизических и других характеристик, которые необходимы для эффективной реализации инженерных разработок по созданию сотовой панели как композиционного материала.
В рамках проведения работ по технологической подготовке производства клееных сотовых панелей из алюминиевых сплавов в ФГУП НПО ПМ был проведен ряд исследований по технологии изготовления данных панелей с выпуском итоговых отчетов, содержащих рекомендации, в том числе и по обработке резанием склеенных панелей. Вместе с тем процесс резания склеенных сотовых конструкций из алюминиевых сплавов по-прежнему остается малоизученным и требует проведения дополнительных исследований.
Сотовые (сандвичевые) конструкции - особая форма композиционных материалов. Сотовые конструкции состоят из следующих элементов: двух тонких прочных облицовочных пластин - обшивок, толстой легкой сердцевины - заполнителя, разделяющего несущие пластины и распределяющего нагрузку между ними, и адгезионных слоев, связывающих обшивки с заполнителем и передающих нагрузку от заполнителя к обшивкам и обратно.
В аэрокосмической промышленности, в частности для космических аппаратов связи, наиболее широко применяются клееные сотовые панели из алюминиевых сплавов.
В исследуемой конструкции сотовых панелей используются обшивки из сплава Д16АТ с покрытием Ан.Окс. хром./гр.ЭП-0234, пленка клеевая ВК-36РТ.260 (ТУ 1-59524-486-96), пенокомпаунд ПЭК-74 (ТУ 2257-315-075009352000) и сотовые заполнители 5056-2,5-23П (ТУ У-1431577.232-97), АМг2-Н-2,5-40 (ТУ 92-923-1-205-88).
Сотовый заполнитель представляет собой сотовую ячеистую структуру, состоящую из тонких полос алюминиевой фольги, соединенных в определенных местах клеем ВК-25.
Пленка клеевая ВК-36РТ является полимерным пленочным материал на эпоксидной основе и предназначена для склеивания сотовых заполнителей с обшивками. Клей квалифицирован для интервала рабочих температур от -180 до +150 °С. Температура отвержения 175 ± 5 °С в течение 3 ч, давление 0,8...1,0 кгс\см2 .
В процессе полимеризации клеевая пленка ВК-36РТ переходит в жидкую фазу, клей перераспределяется и концентрируется в местах соединения сотового заполнителя и обшивок по периметру каждой ячейки в форме галтели (см. рис. 2). В данном состоянии клей отвердевает, образуя на внутренних поверхностях обшивок вафельную структуру.
Таким образом, в процессе резания клееной сотовой панели инструмент последовательно прорезает слои материалов, различающихся между собой как прочностны-
ми, теплофизическими и другими свойствами, так и формой (рис. 3).
Рис. 3. Ячейка сотовой панели
Для вырезки отверстий в склеенной сотопанели в качестве режущего инструмента было выбрано кольцевое сверло, в соответствии с рекомендациями РТМ-984 и в связи с тем, что применение кольцевых сверл, по сравнению со сплошным сверлением, обеспечивает значительное повышение производительности труда.
Кольцевые сверла в металлообработке используются в основном при сверлении глубоких отверстий сравнительно больших диаметров (рис. 4). Кольцевое сверло представляет собой полый цилиндр, на торце которого закреплены режущие зубья. На наружной поверхности кольцевого сверла могут быть прорезаны стружечные канавки, расширяющиеся к нерабочему торцу для облегчения удаления стружки.
Рис. 4. Кольцевое сверло
При проектировании кольцевых сверл можно применять различные схемы резания, обеспечивающие деление ширины резания, деление подачи и комбинированную схему. По схеме, обеспечивающей деление ширины резания, подача, приходящаяся на каждый зуб, равна подаче в целом на инструмент. Каждый зуб срезает стружку небольшой ширины, в совокупности же все зубья инструмента снимают полную ширину резания. Схема деления подачи обеспечивает срезание полной ширины резания каждым зубом инструмента. Благодаря этому значительно увеличивается подача на оборот инструмента в целом: она равна произведению подачи на зуб на число зубьев. Однако условия работы инструмента, сконструированного по схеме деления подачи, затруднительны, так как при полной ширине резания стружка своими торцами соприкасается с боковыми поверхностями отверстия, что усложняет ее отвод. Поэтому чаще всего используется комбинированная схема резания, когда происходит разделение ширины реза и подачи между отдельными зубьями.
На работу инструмента влияют стружколомы, или выкружки, на передней поверхности зубьев, которые обеспечивают получение дробленной стружки с эффективным отводом ее из зоны резания. Отвод стружки при кольцевом сверлении происходит во взвешенном состоянии в потоке охлаждающей жидкости, подаваемой под давлением в зону резания.
Надежным методом дробления стружки является кинематический метод, когда обработка ведется с принудительными вибрациями и обеспечивается прерывистое резание, что оказывается особенно эффективным при кольцевом сверлении легированных сталей и других материалов.
Величины задних углов на режущих кромках выбираются небольшими (порядка 3...5°), так как большие задние углы дают неплавное резание в начале работы инструмента. По мере затупления инструмента вибрации постепенно прекращаются.
Для обоснованного выбора геометрии и материала режущей части кольцевого сверла были проведены исследования, целью которых была отработка конструкции режущего инструмента, обеспечивающая стабильность геометрических размеров полученных сквозных отверстий в сотопанелях.
Исходные данные:
- диаметр обрабатываемого отверстия - 20...40 мм;
- требуемый квалитет точности отверстия - Н10;
- толщина сотовой панели - 30.50 мм.
В результате проведения экспериментальной отработки инструмента было спроектировано и изготовлено кольцевое сверло (рис. 5) со следующими параметрами:
V. V. Zlotenko, N. N. Ishenina
PECULIARTIES OF MACHINING OF ALUMINIUM CELLULAR CONSTRUCTIONS
Is considered the structure of cellular panels, is substantiated the choice of the annular auger of cutting instrument for the reception of openings of stick cellular panels.
- количество зубьев - 4;
- угол наклона режущей части а - (-10°);
- высота зуба h - 10 мм;
- ширина режущей части a - 2,0 мм;
- материал режущей части - Р6М5К5;
- форма и размеры хвостовика - конус Морзе №2 (крепление в шпинделе через переходную втулку.
3 I
Рис. 5. Эскиз кольцевого сверла
