ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.36622^Ти.2022.18.6.016 УДК 62-213-6

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.И. Максименков1 , М.В. Молод1 , Д.С. Гребенников2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрены вопросы применения композиционных материалов в отечественных и зарубежных самолётах. Показаны их преимущества, обеспечивающие решение вопросов по снижению веса и повышению прочности деталей, узлов, агрегатов и в целом изделия. В то же время отмечены недостатки, связанные с низкой ударной стойкостью, что снижает эффективность их применения в высоконагруженных зонах планера. Одно из направлений решения данного вопроса - это применение в конструкциях металлополимерных композиционных материалов (МПКМ). Сформулированы цель и задачи исследования. Приведены варианты изготовления МПКМ, которые представляют собой сочетание алюминиевых заготовок и ПКМ. Учитывая, что ПКМ имеет низкую пластичность - 1-2 %, то рассмотрен процесс раздельного деформирования алюминиевого листа и ПКМ. Формообразование алюминиевого листа осуществляли методом обтяжки. Применяемый обтяжной пуансон изготовляли из алюминиевого сплава методом литья, который после обработки обеспечивал процесс формообразования листа на заданную кривизну с последующим его использованием для выкладки и термостатирования в автоклаве. Одна из важных решаемых задач - это обеспечение равномерности деформаций и обеспечение стабильных свойств в полученной заготовке при обтяжке. Это достигается за счёт снижения трения на поверхности пуансона с использованием решения, приведенного в патенте №2459680. Проведен анализ формообразования образцов из ПКМ. Разработан технологический процесс изготовления деталей из МПКМ, который включает все этапы: от получения заготовки до процесса обтяжки, последующей выкладки, термостатирования и контроля готовой детали. Приведены результаты испытания на растяжение образцов из МПКМ - алюминиевого -Д16чАТ, из ПКМ и МПКМ, которые показали прочностные и пластические характеристики испытуемых материалов. Проведен весовой расчёт составляющих элементов МПКМ, который выявил весовую эффективность разработанной конструкции МПКМ по сравнению с Д16чАТ. Выявлено повышение прочности обшивки из МПКМ и снижение веса больше чем на 20%. Применение данной технологии изготовления МПКМ позволяет обеспечить повышение качества получаемых деталей требуемой точности

Ключевые слова: пуансон, обшивка МПКМ, трение, углепластик, оборудование с ЧПУ

Введение

Развитие I отечественной и зарубежной авиационной техники требует поиска новых решений по снижению веса, повышению прочности конструкционных элементов, обеспечению ресурса изделия. Так, в последнее время для решения этих задач применяют композиционные материалы КМ [1]. В отечественных самолётах доля ПКМ составляет более 35%, в зарубежных более 50%.

Применение ПКМ обеспечивает: • высокую удельную прочность, позволяющую снизить вес планера на 20-40%;

© Максименков В.И., Молод М.В., Гребенников Д.С., 2022

• возможность получения деталей, узлов, панелей и агрегатов с требуемыми свойствами.

Однако низкая ударная стойкость ПКМ снижает эффективность их применения в некоторых зонах планера. Низкий уровень пластичности не позволяет осуществлять формообразование ПКМ сложной

геометрической формы.

Проведенные исследования выявили высокую пластичность металлических материалов, входящих в состав МПКМ, и ограниченную степень деформации ПКМ.

Постановка задачи

С целью расширения технологических

возможностей ПКМ, применения их в

конструкциях летательных аппаратов

рассмотреть варианты применения

металлических листов в сочетании с ПКМ, т.е. металлокомпозитов (МПКМ).

Варианты изготовления МПКМ

На рис. 1 представлена схема образца двухслойного листового металлополимерного композита (алюминий-углепластик) МПКМ.

Рис. 1:

1. Алюминиевый лист Д16чАТ толщиной 2 мм.

2. Лист ПКМ полимерного композиционного материала-углепластика толщиной 2 мм.

3. Клеевое плёночное связующее ВК36РТ

Сочетание слоёв алюминиевого сплава и углепластика, связующего ВК36РТ, позволяет получить МПКМ.

Рассмотрим формообразование

металлического листа из МПКМ (рис. 1) для придания требуемой геометрической формы. Металлические слои из алюминиевого сплава Д16АТ обладают высокой степенью пластичности, предельная степень деформации их от 18 до 24%. Волокна ПКМ, имеющие высокую жёсткость и малую пластичность, ограничивают реализацию пластических свойств металлических слоёв.

В связи с этим основной операцией формообразования МПКМ является операция гибки на большие радиусы кривизны. При этом возможно появление браковочных признаков в виде расслоения слоёв ПКМ.

Из приведённых экспериментальных исследований выявлено, что предельные деформации на растяжение ПКМ колеблются от 1 до 2%.

Кроме низкой деформируемости ПКМ гетерогенность структуры вызывает

значительный разброс механических характеристик, и как следствие, значительное и нестабильное состояние при

формообразовании, снижая точность изготовления деталей. Применение широко используемой термической обработки для повышения пластичности листовых металлов для ПКМ неприемлемо из-за наличия органических волокон и связующего.

В связи с вышеизложенным необходимо изыскание способов изготовления деталей из

МПКМ, которые позволяют получать детали одинарной и двойной кривизны с заданной точностью.

Способы раздельного изготовления деталей из металлического листа и из ПКМ

Процесс изготовления металлического листа осуществлялся методом обтяжки на оборудовании с ЧПУ для получения заданной геометрической формы [4].

Рис. 2:

1. Пуансон. 2. Заготовка. 3. Зажимы

При этом на характер деформации оказывает влияние трение в зоне контакта заготовки с пуансоном [6].

Рассмотрим характер деформации на вершине пуансона £уов и на сходе заготовки с пуансона, и между зажимами пресса £уо, который определяется по зависимости

Ма\

/Ма\

еуо = еуов х I )

где еуо - деформация на сходе заготовки; еуов - деформация заготовки на вершине пуансона;

М - коэффициент трения; а - угол охвата заготовкой пуансона; п - коэффициент упрочнения заготовки.

С целью повышения точности процесса формообразования разработан способ [5], позволяющий уменьшить трение на поверхности пуансона [7], при этом снижение трения способствует повышению

равномерности деформации и получению заготовки заданной точности. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Обеспечивая выравнивание деформации на поверхности заготовки, исключая её утонение, можно говорить о стабильных механических характеристиках заготовок, полученных обтяжкой на прессах с ЧПУ.

Полученная обшивка методом обтяжки была использована как оснастка для получения ПКМ методом выкладки. Оснастка для процесса выкладки включает: обтяжной пуансон, обшивку, полученную методом обтяжки.

Материал пуансона - алюминиевый сплав. Пуансон получают методом литья с последующим фрезерованием, шлифованием и полированием. Пуансон оборудован средствами для процесса отверждения в автоклаве.

Технологический процесс изготовления слоя из ПКМ осуществляли по обшивке, зафиксированной на пуансоне выкладкой на установке Vipez1200-FPS, которая позволяет осуществлять процесс изготовления заготовки с обеспечением требуемой точности.

Схема технологического процесса изготовления обшивки из МПКМ приведена на рис. 3.

Схепа технологического процесса

| Раскрой гжошгсхой шото&кй

Разработка кшсщукш универсального путсш дляаётяхщ Пятка тернажтираНаш

Обтяжка заготовки на оборудовании с ЧПУ с использованием стредств, снижающих трение

] Г I

Лгаа гцХСн

зонт ¿сгап&д

| Контроль пюшсти ттротай ойшидки

Фшсот оЫбки но пуонсснг перед ЬихлаВкой КМ

Вишдка КМ ко оёоруЗабаяии с ЧГМ

Установка пуансона с оОшибкай аз МПКМ 6 сбтшоб для птЬержатт

Контроль качества обшивки из МПКМ

I о

/ЭйЮС/ГЛ&ЫЪХ №<Н

ег

Рис. 3

Разработанный технологический процесс требует проведения экспериментальных исследований по оценке механических характеристик и весовых параметров образцов металлических ПКМ и МПКМ.

Экспериментальные исследования

Образцы из Д16чАТ испытывали на растяжение согласно ГОСТ 1497-84 с записью диаграмм на Р-10. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Материал Толщина. о„ °02• £02. л К. МПа

мм МПа МПа % %

Д1бчАТ 2 463 331 17,9 1.18 0,12 570

КМУ 2 800 1,2

При испытании на растяжение образцов из ПКМ использовали ГОСТ 25601-80. Предел прочности на растяжение образца толщиной 2 мм составил ств= 800 МПа.

При растяжении образца из МПКМ сохранились монолитность слоистой конструкции материала и совместная работа слоя металла и углепластика вплоть до разрушения. Предельная деформация при растяжении МПКМ зависит от деформации слоя МПК и составляет 1,2%, что значительно меньше, чем у Д16чАТ.

Результаты испытаний образцов приведены на рис. 4.

€. %

Рис. 4. 1 - Зависимость а- г - Д16чАТ, 2 - ПКМ, 3 - МПКМ

Зависимость а- £ МПКМ показывает, что получена обшивка с радиусом кривизны 1500 с более высокими прочностными характеристиками, чем Д16чАТ.

Рассмотрим изменение характеристик обшивки из МПКМ.

весовых

Таблица 3

материал толщина, мм ширина, мм длина мм бес, кг

Д16чАТ i 600 1500 9,7

Д16чА Т 2 600 1500 4,8

МПКМ 1 600 1500 7,7

ПКМ 2 600 1500 3,9

Из табл. 3 следует, что выигрыш в весе обшивки, изготовленной из МПКМ, составляет более 20%.

металла на композиты является сложной технической и экономической проблемой.

Заключение

1. Разработан технологический процесс изготовления обшивки из МПКМ, включающий процесс обтяжки металлической заготовки, являющейся поверхностью для выкладки ПКМ и соединённой с обтяжным пуансоном для последующего термостатирования.

2. Разработан способ обтяжки, позволяющий уменьшить трение между заготовкой и пуансоном, обеспечить выравнивание деформации на поверхности заготовки и повысить точность получаемой обшивки.

3. Разработана технология изготовления МПКМ, обеспечивающая повышение прочности и снижение веса обшивки более чем на 20%.

Литература

1. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение итоги и перспективы // Вестник России академии наук 2002. №1. С. 3-12.

2. Гуняев Г.М., Железина Г.Ф., Ильченко Е.И. Слоистые металлополимерные композиты на основе алюминиевых и титановых сплавов //Авиационные материалы и технологи. 2002. №51. С. 50-58.

3. Акмеев Н.Р., Гуляев И.Н. Исследование механического поведения металлокомпозита с адаптивной схемой армирования// Авиационные материалы и технологии. 2017. № 3 (48). С. 43-49.

4. Одинг С.С., Молод М.В. Повышение технологических возможностей процесса обтяжки обшивок на прессах с ЧПУ// Аэродинамика, механика и технология авиастроения: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 11-15.

5. Пат. №2459680 РФ. Способ обтяжки листовых материалов /Максименков В.И., Молод М.В. и др.; 27.08.2012; Заявитель ВГТУ.

6. Максименков В.И. Определение параметров трения при обтяжке оболочек: монография. Воронеж: ВГТУ, 1993. 44с.

7. Максименков В.И., Одинг С.С., Молод М.В. Определение параметров трения при формообразовании оболочек: монография. Воронеж: ВГТУ, 2015. 81с.

Рис. 5

Проведённые исследования показывают, что применение МПКМ в конструкции приведённых деталей представляют

возможность реализации технологического прогресса, учитывая, что полная замена

Поступила 17.10.2022; принята к публикации 16.12.2022 Информация об авторах

Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры самолётостроения, государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д.84), е-тай: maksimenkov. V. i@mail.ru

Воронежский

Молод Марина Владиславовна - д-р техн. наук, доцент кафедры самолётостроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д.84), е-mail: molodmv@yandex.ru Гребенников Дмитрий Сергеевич - ведущий инженер, ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, д.27), е-mail: dmitry280294@gmail.com

IMPROVING THE QUALITY OF MANUFACTURING PARTS FROM METAL-POLYMER

COMPOSITE MATERIALS

V.I. Maksimenkov1 , M.V. Molod1 , D.S. Grebennikov2

'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Voronezh Joint-Stock Aircraft Building Company, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses the use of composite materials in domestic and foreign aircrafts. We show their advantages, providing solutions to issues of weight reduction and increasing the strength of parts, assemblies, aggregates and the whole product. At the same time, we note disadvantages associated with low impact resistance, which reduces the effectiveness of their use in highly loaded airframe zones. One of the ways to solve this issue is the use of metal-polymer composite materials (MPCM) in structures. We formulated the purpose and objectives of the study and gave manufacturing options of MPCM, which is a combination of aluminum blanks and PCM. Considering that the PCM has a low plasticity-1-2%, we considered the process of separate deformation of aluminum sheet and PCM. The shaping of the aluminum sheet was carried out by the method of skinning. The applied tight punch was made of aluminum alloy by casting, which, after processing, ensured the process of forming the sheet to a given curvature, followed by its use for laying out and temperature control in an autoclave. One of the important tasks to be solved is to ensure uniformity of deformations and ensure stable properties in the resulting workpiece during fitting. This is achieved by reducing friction on the surface of the punch using the solution given in Patent No. 2459680. We analyzed the formation of samples from PCM and developed the technological process of manufacturing parts from MPCM, which includes all stages from obtaining the workpiece, to the process of fitting, subsequent laying out, temperature control and control of the finished part. Here we present the results of tensile testing of samples from MPCM - aluminum - D16CHAT, from PCM and MPCM, which tested the strength and plastic characteristics of the tested materials. We carried out a weight calculation of the components of the MPCM, which revealed the weight efficiency of the developed MPCM design compared to SD16CHAT. We revealed an increase in the strength of the MPCM cladding and a weight reduction of more than 20%. The use of this MPCM manufacturing technology allows us to ensure an increase in the quality of the parts obtained with the required accuracy.

Key words: Punch, MPKM sheathing, friction, carbon fiber, CNC equipment.

References

1. Kablov E.N. "Aviation materials science results and prospects", Bulletin of Russian Academy of Sciences (Vestnik Rossiyskoy akademii nauk), 2002, no. 1, pp. 3-12.

2. Gunyaev G.M., Zhelezina G.F., Il'chenko E.I. "Layered metal-polymer composites based on aluminum and titanium alloys", Aviation Materials and Technologies (Aviatsionnye materialy i tekhnologi), 2002, no. 51, pp. 50-58.

3. Akmeev N.R., Gulyaev I.N. "Study of the mechanical behavior of a metal composite with an adaptive reinforcement scheme", Aviation Materials and Technologies (Aviatsionnye materialy i tekhnologi), 2017, no. 3(48), pp. 43-49.

4. Oding S.S., Molod M.V. "Improving the technological capabilities of the process of sheathing on CNC presses", Coll. of Scientific Papers: Aerodynamics, Mechanics and Technology of Aircraft Construction (Aerodinamika, mekhanika i tekhnologiya aviastroeniya),VSTU, 2000, pp. 11-15.

5. Maksimenkov V.I., Molod M.V. et al. "Method of tightening sheet materials" ("Sposob obtyazhki listovykh materialov"), patent of RF no. 2459680, dated 08/27/2012, applicant VSTU.

6. Maksimenkov V.I. "Determination of the friction parameters in the covering of shells" ("Opredelenie parametrov treniya pri obtyazhke obolochek"), monograph, 1993, 44 p.

7. Maksimenkov V.I., Oding S.S., Molod M.V. "Determination of friction parameters during shell shaping" ("Opredelenie parametrov treniya pri formoobrazovanii obolochek"), monograph, 2015, 81 p.

Submitted 17.10.2022; revised 16.12.2022 Information about the authors

Vladimir I. Maksimenkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: maksimenkov. v. i@mail.ru

Marina V. Molod, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: molodmv@yandex.ru

Dmitriy S. Grebennikov, Leading Engineer, Voronezh Aircraft Building Company (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: dmitry280294@gmail.com