CC BY
116
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
DOI.org/10.5281/zenodo.808901 УДК 621.9.06-529
Т.А. Грищенко, Н.И. Мелюхов, В.О. Любушкин
ГРИЩЕНКО ТАТЬЯНА АНДРЕЕВНА - инженер-технолог 3 категории МЕЛЮХОВ НИКИТА ИГОРЕВИЧ - инженер-технолог Арсеньевская авиационная компания «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина, e-mail: aac@progress.ru
Площадь Ленина, 5, Арсеньев, Приморский край, 692335 ЛЮБУШКИН ВАДИМ ОЛЕГОВИЧ, студент (специальность «Самолёто-вертолётостроение», Филиал ДВФУ в г. Арсеньеве) Дальневосточный федеральный университет Площадь Ленина, 6, Арсеньев, Приморский край, 692335
Применение гидроабразивной резки при обработке деталей
из полимерных композиционных материалов
Аннотация: Представлена задача производственного применения роботизированного комплекса для резки крупногабаритных обводообразующих тонкостенных панелей из полимерных композиционных материалов (ПКМ), созданного совместно со специалистами Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. Описаны направления исследований по новой технологии разметки и резки с минимальным допуском панели, состоящей в зоне реза, из разнородных композитных материалов и с конструктивными вставками из различных металлов. Осваиваемые решения применимы при изготовлении обводообразующих тонкостенных панелей из ПКМ для предприятия в авиакосмической отрасли промышленности, а также в области судостроения. Ключевые слова: формообразующая поверхность, полимерная панель, гидроабразивная резка, разнородные наполнители, абразив, металлические вставки.
Введение
В рамках гранта, выигранного Инженерной школой ДВФУ, по постановлению правительства Российской Федерации № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских вузов и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», был создан роботокомплекс для гидроабразивной обработки (ГАР) крупногабаритных полимерных композиционных панелей для ААК «ПРОГРЕСС», в который входит установка портального типа (рис. 1).
Крупногабаритные панели - обшивочные конструкции, как правило тонкостенные, обладают высокой податливостью и гибкостью, т.е. сложны при обрезке технологических припусков и при изготовлении вырезов под проёмы [1, 3, 5, 6]. Дополнительные условия: обеспечение высокой
© Грищенко Т.А., Мелюхов Н.И., Любушкин В.О., 2017.
Научные руководители: Ю.П. Денисенко, управляющий директор, М.Ю. Ивашков, руководитель проекта по реконструкции производства из полимерных композиционных материалов (АКК «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина); О.Ш. Бердиев, заместитель директора филиала ДВФУ в г. Арсеньеве по НИР и развитию.
О статье: поступила: 24.8.2016; принята к публикации: 24.04.2017, финансирование: бюджет ДВФУ. [49] www.dvfu.ru/vestnikis
точности резания, в том числе при сочетаниях и комбинациях разноструктурных и разнотолщин-ных полимерных наполнителей с фрагментными включениями вставок из разных металлов [2, 4]. Эти позиции обусловливали высокую долю малопроизводительного ручного труда. Поэтому в рамках нашего проекта необходимо было выбрать выбор между тремя технологиями реза изделий из ПКМ: фрезерная механическая обработка, лазерный раскрой и гидроабразивная резка.
Рис. 1. Установка портального типа для ГАР.
Анализ методов реза
Анализ указанных выше методов реза, проведенный в Инженерной школе ДВФУ (в основном на кафедре технологий промышленного производства), показал следующее.
Фрезерная обработка. Тонкостенные детали из ПКМ оказались слишком податливыми. Как результат - потеря механической прочности и разрушение краев детали. Оказалось, что с некоторыми из предоставленных образцов не справляются даже дорогие фрезы из поликристаллического алмаза.
Лазерный раскрой. В отдельных случаях подобранный для многослойных композитов луч высокой мощности легко прорезал внутренние полимерные слои детали, но при этом обгорали наружные металлические покрытия - горел даже слой титана. Рез тонкостенных заготовок приводил к обугливанию их краев и значительной потере прочности. Помимо этого сгорание полимерных материалов сопровождалось образованием ядовитых паров.
Гидроабразивная резка. Именно этот способ показал лучшие результаты по точности, универсальности, качеству, прочности, экологичности, безопасности и т.п. позициям. Но и при его использовании есть проблемы. Например, при прохождении высоконапорной струи параллельно стенкам сот, в месте контакта со стенкой соты струя ее «обтекает» и может быть рассечена стенкой, что снизит её режущие свойства. Из-за уменьшения кинетической энергии струи она в месте контакта с нижней обшивкой, не прорезая ее, вполне может изменить направление под углом 90°, насыщая при этом стенки соседних сот водой и воздействуя на клеевое соединение. Вследствие чего может произойти растрескивание связующих в местах концентрации остаточных напряжений, ослабление адсорбционного воздействия на границе волокно-смола, приводящее к ухудшению физико-механических свойств материала и сотовой панели в целом. В результате было рекомендовано отказаться от метода механической резки лезвийными инструментами и применения лазера (рисунки 2, 3).
Рис. 2. Схема фрезерной механической обработки: а - толщина реза; Ь - толщина панели из ПКМ; с - толщина обшивки; d - толщина металлической вставки: 1 - фреза; 2 - металлическая вставка в панели из ПКМ; 3 - внутренняя структура панели из разнородных наполнителей; 4 - внутреннее ребро жесткости панели; 5 - верхняя и нижняя обшивки панели.
Рис. 3. Схема лазерного раскроя: а - толщина реза (диаметр лазера); b - толщина панели из ПКМ; с - толщина обшивки; d - толщина металлической вставки. 1- блок лазерного излучения;
2 - средство фокусировки лазерного луча; 3 - патрубок для подачи инертного газа; 4 - камера;
5 - сопло; 6 - лазерный луч; 7 - металлическая вставка в панели из ПКМ; 8 - внутренняя структура панели из разнородных наполнителей; 9 - внутреннее ребро жесткости панели;
10 - верхняя и нижняя обшивки панели.
Концепция комплекта гидроабразивной резки
К дальнейшей проработке и развитию была принята концепция гидроабразивной резки - ГАР (рис. 4), при которой высокоэнергетический поток воды, направленный со скоростью, превышающей скорость звука в три раза, с высокой точностью обрабатывает заготовку по заданной траектории, не создавая нагрева. Для обработки тонкостенных деталей из стеклопластика достаточно использования простой воды, которая при выходе из сопла под давлением 4000 атмосфер полностью справляется с задачей резки. При наличии деталей большой толщины либо при наличии в зоне реза вставок из металлических пластин, в том числе титановых, необходимо добавление в рабочую жидкость абразивного материала. В интеллектуальном программном аппаратном робототехническом комплексе (ИАПРК), разработанном в Инженерной школе ДВФУ, в качестве абразива используется специально просеянный и подготовленный гранатовый песок марки MESH 230.
Рис. 4. Схема гидроабразивной резки (ГАР): а - толщина реза (диаметр песко-водяной струи);
Ь - толщина панели из ПКМ; с - толщина обшивки; d - толщина металлической вставки. 1 - магистраль для подвода воды под высоким давлением; 2 - сопло; 3 - патрубок для подачи абразива; 4 - смеситель; 5 - кожух; 6 - режущая струя воды с абразивом; 7 - металлическая вставка в панели из ПКМ; 8 - внутренняя структура панели из разнородных наполнителей; 9 - внутреннее ребро жесткости панели; 10 - верхняя и нижняя обшивки панели.
Режущий узел робототехнического комплекса, использующего гидроабразивную резку, показан на рис. 5.
Рис. 5. Режущий узел ГАР.
Обсуждение результатов и перспективы
Для внедрения ИАПРК в промышленную эксплуатацию предприятию предстоит освоить серийную обработку методом гидроабразивной резки более 250 видов деталей, размером более 6 м из 22 типов композитных материалов, имеющих разную структуру по высоте реза и с включениями металлических элементов из разных металлов (рис. 6).
Рис. 6. Панели с различным сочетанием материалов (композитные и армированные, в том числе стекловолокном, с углетканью с наклеенной алюминиевой и титановой фольгой,
в разном сочетании и разной толщины).
Закрепление панелей из ПКМ для обработки производится при помощи стоек с вакуумными присосками. Для увеличения жесткости закрепления стойка оснащена подстилающим элементом, повторяющим теоретический контур детали, согласно ее математической модели (рис. 7).
Рис. 7. Крепежная стойка с подстилающей поверхностью.
Характеристики ИАПРК позволяют надеяться, что позиционирование панельной заготовки и крепление её на рабочем столе значительно упростятся. ИАПРК позволит также исключить трудоёмкую операцию по точной разметке линии реза, поскольку робот имеет функцию сканирования сложной рельефной поверхности панели и позволяет наметить линию реза в соответствии с чертежом, хранящимся в памяти.
В настоящее время целью исследований заводских специалистов является выработка технических рекомендаций производственному персоналу. Предстоит с разработать такие траектории резания, которые исключают возможность попадания воды в полимерный наполнитель панели, поскольку это ослабляет конструкцию, особенно сотовые конструкции - сотоблоки из ПКМ, включённые в структуру панели.
Результаты завершения отладки и настройки комплекса на различные режимы в Инженерной школе ДВФУ и передача рекомендаций для его развития в условиях серийного производства на ААК «ПРОГРЕСС» позволяют надеяться на оперативную разработку технических процессов (см. таблицы 1, 2).
Таблица 1
Результаты завершения отладки и настройки комплекса
Деталь, Параметры обработки Рез, Неустранимые Устранимые
№ качество дефекты дефекты
1 2200 40 0,008 3 182 Хороший 0 0 0 0 -
2 2200 50 0,01 3 146 Хороший 0 0 0 0 -
3 2200 40 0,01 3 146 Хороший 0 0 0 0 -
4 2200 50 0,01 3 146 Хороший 0 0 0 0 -
5 3000 40 0,006 3 695 Хороший 0 0 0 0 -
6 3000 40 0,006 3 695 Хороший 0 0 0 0 -
Таблица 2
Результаты настройки комплекса на различные режимы
Наименование детали Режим контурной резки
Давление, бар Абразив, г/мн Контурная подача, м/с Дистанция разгона, мм
Обшивка 2000 50 0,01 3
Створка гаргрота 3000 40 0,006 3
Обшивка 3000 40 0,008 3
Панель носка верхняя 3000 80 0,004 3
Заключение
Итак, освоение и развитие процессов ГАР на крупногабаритных панелях позволяет надеяться на ускоренное внедрение в недалёком будущем вариантов бесстапельной сборки. В настоящее время отработаны технологии первой очереди: роботокомплекс уже способен резать комбинированную панель, композитную обшивку (угле-, стекло-, органопластик) и металловставки из нержавеющей стали, титана, алюминия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грищенко Т.А., Рябкова Н.М., Тарабанова В.В., Речицкий В.А. Применение гидроабразивной резки при обработке деталей из ПКМ // Проблемы и перспективы развития малых городов Приморского края: материалы студ. науч.-практ. конф., Дальнегорск, 22 апр. 2016 / Дальневосточный федеральный университет; под общ. ред. Н.В. Лисичкиной. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2016. С. 70-75. URL: https://www.dvfu.ru/science/student_scientific_life/proceedings-of-student-activities/ (дата обращения: 24.06.2016).
2. Рябкова Н.М., Грищенко Т.А. Технология изготовления формообразующей оснастки для крупногабаритных композитных панелей на авиапредприятии // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2014. № 4 (21). С. 50-53. URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/4-21/5/ (дата обращения: 24.06.2016).
3. Способ изготовления композиционных силовых панелей: пат. 2579779 Российская Федерация: МПК В 32 В 1/00, F 16 S 1/00 / В.И. Сергиенко, Ю.П. Денисенко, В.Г. Добржанский, Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2014135941/06; заявл. 02.09.14; опубл. 10.04.16. 10 с.: ил.
4. Способ изготовления многослойных конструкционных панелей: пат. 2508496 Российская Федерация: МПК F16S 1/00 B32B 1/00 / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2013101394/06; заявл. 10.01.2013; опубл. 27.02.2014, Бюл. № 6.
5. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн. 1 / под ред. Дж. Любина; пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта. М.: Машиностроение, 1988. 448 с.: ил.
Investigations of metal's corrosion resistance in the sea climate conditions / V.I. Sergienko, Y.P. Denisenko, V.G. Dobrzhansky, Y.F. Ognev, O.Sh. Berdiev, N.E. Dushina // Современные технологии и развитие политехнического образования: междунар. науч. конф., Владивосток, 14-18 сент. 2015 / Дальневост. федерал. ун-т; отв. ред. А.Т. Беккер, В.И. Петухов. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2015. URL: http://www.dvfu.ru/web/dpd/katalog_(дата обращения: 25.06.2016). THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Aircraft Designing and Manufacturing
D0l.org/10.5281/zenodo.808901
Grishchenko T., Melukhov N., Lyubushkin V.
TATIANA GRISHCHENKO, Engineer
NIKITA MELUKHOV, Engineer
PJSC AAC Progress, e-mail: aac@progress.ru
5, Lenin Square, Arsenyev, Primorsky Krai, Russia, 692335
VADIM LYUBUSHKIN, Student, Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University Far Eastern Federal University
6, Lenin Square, Arsenyev, Primorsky Krai, Russia, 692335
Scientific advisers: Yury Denisenko, Managing Director, Mikhail Ivashkov, Director, The Project of the Reconstruction of the Production of Polymer Composite Materials, PJSC AAC Progress, Oleg Berdiev, SRW Deputy Director, FEFU in Arsenyev Branch.
Application of waterjet cutting when processing parts from polymer composite materials
Abstract: The article deals with the application of a robot machine tool for cutting oversized stretch-forming thin-walled panels made from polymeric composite materials (PCM), the tool being produced by the specialists of the Engineering School, the Far Eastern Federal University. Described are the lines of the investigations in the new techniques of marking and cutting with minimum tolerance the panels consisting in the cutting zone of heterogeneous composite materials and structural inserts of different metals. The adopted solutions may be applied when manufacturing stretch-forming thin-walled panels RMB by the companies of the aerospace industry, as well as in shipbuilding.
Key words: molding surface, the polymer plate, water jet cutting, heterogeneous fillers, abrasives, metal inserts. REFERENCES
1. Grishchenko T.A., Ryabkov N.M., Tarabanova V.V., Rechitsky V.A. The use of waterjet cutting for machining of PCM. Problems and prospects of development of small cities of Primorye Territory: the materials stud. scientific-practical. conf., Dalnegorsk, April 22. 2016, ed. N.V. Lisichkina. Vladivostok, Far East. Fed. Univ., 2016, p. 70-75. URL: https://www.dvfu.ru/science/student_scientific_life/proceedings-of-student-activities/ - 24.06.2016.
2. Ryabkov N.M., Grishchenko T.A. Shaping equipment manufacturing technology for large composite panels on the aviation enterprise. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014;4(21):50-53.
URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/4-21/5/ - 24.06.2016.
3. A method of manufacturing composite panels power: Pat. 2579779 Russian Federation: IPC 32 B 1/00, F 16 S 1/00/. V.I. Sergienko, Y.P. Denisenko, V.G. Dobzhansky, Yu.F. Ognev, O.Sh. Byrdiev. N 2014135941/06; appl. 09/02/14; publ. 04.10.16. 10 p .: silt.
4. The method of manufacturing a multilayer construction panels: Pat. 2508496 Russian Federation: IPC F16S 1/00 B32B 1/00/Yu.F. Ognev, O.Sh. Byrdiev. N 2013101394/06; appl. 01/10/2013; publ. 27.02.2014, Bull. N 6.
5. Handbook of composite materials: a 2-Prince. Bk. 1 / ed. J. Lubin; tr. English. A.B. Geller, M.M. Helmont. M., Engineering, 1988, 448 p .: silt.
6. Investigations of metal's corrosion resistance in the sea climate conditions. V.I. Sergienko, Yu.P. Denisenko, V.G. Dobrzhansky, Yu.F. Ognev, O.Sh. Berdiev, N.E. Dushina. Modern technologies and the development of polytechnic education: Intern. scientific. conf., Vladivostok, 14-18 Sept. 2015, ed. A.T. Becker, V.I. Petukhov. Vladivostok, Far East. Fed. Univ., 2015. URL: http://www.dvfu.ru/web/dpd/katalog - 06.25.2016.
