CC BY
44
УДК 621.961.2
РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНОИМПУЛЬСНОГО ПРИВОДА И МАТЕРИАЛОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ ДЛЯ СБОРКИ ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
© 2001 Ю.А. Вашуков, О.В. Ломовской, Н.Ю. Поникарова,
А.Н. Кирилин, С.М. Олексийко
Самарский государственный аэрокосмический университет
Разработано технологическое оборудование для сборки трехслойных конструкций изделий авиакосмической техники. Оборудование позволяет получить качественное отверстие, а также осуществлять осевое пластическое сжатие материала резьбового вкладыша и его закрепление в отверстие трехслойной конструкции. Оно также позволяет закреплять устройство для сверлильно-зенковаль-ных работ и инструментальную головку для постановки вкладыша. В качестве силопривода используется материал с эффектом памяти формы и магнитно-импульсный привод. Данное оборудование позволяет значительно снизить трудоемкость процесса постановки резьбового вкладыша.
В настоящее время одно из перспективных направлений в развитии аэрокосмической техники связано с разработкой и широким использованием трехслойных конструкций, выполненных из полимерных композиционных материалов. Объективной предпосылкой к разработке трехслойных конструкций является необходимость снизить массу и увеличить их жесткость, уменьшив при этом расход материала на несущие поверхности, а также повысить аэродинамические свойства поверхностей. Применение таких конструкций позволяет выполнять обшивку агрегатов летательного аппарата без продольных элементов жесткости и ограничиваться наружным слоем малой толщины, что приводит в целом к уменьшению массы летательного аппарата.
Вместе с тем, одной из проблем, решаемых в процессе разработки и изготовления трехслойных конструкций, является их крепление к силовым элементам (лонжеронам, нервюрам, шпангоутам) и обеспечения местной прочности в местах крепления. В настоящее время имеется определенный опыт получения соединений в этих конструкциях. Для образования соединений в местах приложения сосредоточенной нагрузки предусматриваются местные усиления (рис.1). Они осуществляются за счет различных вставок, которые размещаются внутри панели в местах
крепления и обеспечивают прочность несущих слоев и сотового заполнителя. Вставки помогают распределить нагрузки, предотвращая, таким образом, концентрацию напряжений в несущих слоях [1, 2].
В целях совершенствования существующих способов образования соединений авторами была разработана конструкция вкладыша [3, 4] и способ его постановки (рис.2), который заключается в осевом пластическом сжатии материала вкладыша. В процессе осевого сжатия происходит радиальная раздача вкладыша по внешнему диаметру с образованием тороидальной поверхности, позволяющей зафиксировать вкладыш между верхней и нижней обшивками.
Для реализации технологического про-
Рис. 1. Вариант местного усиления для крепления деталей в трехслойных конструкциях
Рис. 2. Способ постановки в сквозное отверстие трехслойной конструкции: 1 - вкладыш;
2 - трехслойная конструкция; 3 - подштамповая плита; 4 - прижимная плита
цесса образования резьбовых отверстий в трехслойных конструкциях применительно к условиям стапельной сборки разработан и изготовлен манипулятор (рис.3), представляющий собой шарнирный двухзвенник с системой самофиксирующихся шарниров 1. Манипулятор устанавливается на раму стапеля 2 и фиксируется с помощью струбцин 3. На сферическом шарнире 4 манипулятора можно закреплять клепальный молоток (инструментальную головку) или устройство для сверлильно-зенковальных работ 5.
Разработаны два типа манипулятора, отличающихся друг от друга системой рас-фиксации самофиксирующихся шарниров.
Для постановки втулок с резьбой до М5 в отверстия трехслойных конструкций в разработанном манипуляторе предусмотрена система, включающая гидропневмопреобразователь, способный создавать давление рабочей жидкости до 20 МПа, и систему гидроцилиндров, встроенную в каждую самофик-сирующуюся коническую муфту.
Для постановки втулок вкладышей с резьбой от М6 до М18 разработан и изготовлен более мощный манипулятор, где в качестве силопривода расфиксации шарниров используются силовые элементы из сплава с эффектом памяти формы.
Процесс образования отверстий в деталях из трехслойных конструкций, обшивки которых выполнены из полимерных композиционных материалов (ПКМ), требует решения ряда задач, связанных с обеспечение качества кромки отверстия на входе и выходе
сверла, а также с образованием пылевидной стружки, значительно ухудшающей экологическую обстановку рабочих мест [5]. В результате решения поставленных задач разработано и изготовлено специальное устройство (рис.4) для образования отверстий в трехслойных конструкциях, предназначенное для размещения на манипуляторе.
Данное устройство состоит из корпуса
1, в котором размещен пневмодвигатель с редуктором 2. Корпус 1 имеет воздуховод 3, предназначенный для отвода отработанного воздуха и эвакуации пылевидной стружки. На шпинделе редуктора установлен трехкулачковый патрон 4, в котором закрепляется сверло
5. Геометрические параметры сверла для получения отверстий в изделиях из ПКМ и режимы сверления подробно рассмотрены в [5]. На корпусе 1 размещена пружина 6 и контактирующий с ней кондуктор 7, служащий для фиксации оси сверла 5 и прижима детали, необходимого для получения качественных отверстий. Кроме того на корпусе размещен подпружиненный треножник 8, способствующий установке оси устройства по нормали к поверхности обрабатываемой детали 9.
Устройство для получения отверстий соединено с манипулятором посредством сферического шарнира 10, который имеет зажимное устройство 11. На схеме (рис.4) представлено зажимное устройство с силоприво-дом из сплава с эффектом памяти формы. Для обеспечения подачи режущего инструмента корпус 1 устройства соединен с шарниром через направляющие 12 и контактирует с ус-
4
/1Г
/уУ
А. Ух X б
Рис. 3. Схема манипулятора: 1 - шарнирный двухзвенник; 2 - рама стапеля; 3 - струбцина; 4 -сферический шарнир; 5 - устройство для образования отверстий в деталях из ВКМ; 6 -ложемент; 7 - обрабатываемая деталь
Рис. 4. Схема устройства для образования отверстий в деталях из ВКМ: 1 - корпус;
2 - пневмодвигатель; 3 - воздуховод; 4 - патрон;
5 - сверла; 6 - пружина; 7 - кондуктор;
8 - позиционирующее устройство;
9 - обрабатываемая деталь; 10 - шарнир;
11 - зажимное устройство; 12 - направляющие;
13 - устройство подачи; 14 - лазерный указатель
тройством подачи 13. Для установки оси устройства согласно предварительно нанесенной на деталь разметки осей отверстий с резьбой, на корпусе 1 размещен лазерный указатель 14.
Процесс образования отверстий под установку резьбового вкладыша заключается в следующем. На ложементах 6 сборочного приспособления (рис.3) фиксируется обрабатываемая деталь 7 (фиксирующие устройства условно не показаны). Затем включается система расфиксации шарниров манипулятора и устройство для образования отверстия 5, по пятну лазерного указателя 14 (рис.4) устанавливается согласно разметки. Причем, треножник 8 устройства обеспечивает автоматическую перпендикулярную установку оси устройства относительно поверхности обрабатываемой детали. Система расфиксации шарниров манипулятора включается и происходит фиксация оси устройства по оси подготавливаемого отверстия. На пневмодвигатель 2 подается сжатый воздух, вследствие этого приводится во вращение сверло 5. С помощью устройства подачи 13 корпуса 1 кон-
дуктор 7 взаимодействует с обрабатываемой деталью и происходит сверление отверстия. Отработанный воздух, поступая в зону сверления, которая заключена в замкнутый объем, сдувает образующуюся пылевидную стружку, улавливаемую подключенным к установке пылесосом. По окончании процесса сверления пневмодвигатель останавливают и устройство приводят в исходное положение.
При постановке в полученное отверстие резьбового вкладыша используется инструментальная головка с магнитно-импульсным приводом (рис.5), которая также может быть закреплена к шарнирному двухзвеннику. Она состоит из обоймы 9, индуктора 6, бойка 7 и пружины 10. В работе инструментальной головки используется энергия, запасенная в батарее высоковольтных конденсаторов 3. При разряде конденсаторной батареи через неподвижный индуктор 6 возбуждается импульсное магнитное поле, которое инициирует в метаемом теле (бойке 7) ток. Взаимодействие импульсного магнитного поля индуктора 6 с полем, образованным током в бойке создает ускоряемую силу. В результате в инструментальной головке происходит непосредственное преобразование электрической энергии, запасенной в конденсаторах, в кинетическую энергию бойка 7, а затем и в работу деформации материала вкладыша. После удара о деформирующий пуансон боек
Рис. 5. Принципиальная схема электрической установки: 1 - трансформатор; 2 - выпрямитель;
3 - конденсаторная батарея; 4 - разрядник;
5 - регулятор запасаемой энергии; 6 - индуктор; 7 - ударник; 8 - возвратная втулка;
9 - направляющий корпус; 10 - пружина
7 с помощью пружины 10 возвращается в исходное положение.
В качестве источника энергии разработан специальный переносной магнитно-импульсный энергетический блок с номинальным напряжением в несколько киловольт. Он позволяет от небольшого источника накопить достаточную энергию и затем, при разряде, сконцентрировать ее в небольшом объеме и, тем самым, повысить полезную мощность и энергию удара, приходящую на единицу веса ударного узла.
Проведенные в работе исследования показали, что коэффициент полезного действия всей инструментальной головки выше в случае если ударник и пуансон штапмовой оснастки отделены друг от друга на определенном расстоянии. Кроме того, данный вариант более универсален и позволяет перейти на другой типоразмер путем замены оснастки.
От работы параметров магнитно-импульсного блока во многом зависят масса и габариты инструмента и обеспечивается необходимая скорость бойка при ударе. В работе [4] получено уравнение для определения работы осадки Л0 резьбового вкладыша. Магнитно-импульсный инструмент должен быть спроектирован таким образом, чтобы кинетическая энергия ударника была больше величины Л0 на величину потерь, приходящихся на упругие деформации и перемещения элементов машины, а также силы трения.
В работе [6] разработана методика расчета энергосиловых параметров магнитноимпульсной установки для постановки вкладыша в отверстие трехслойной конструкции. При этом кинетическая энергия бойка определялась из зависимости
шУ2 2
= кЛг
(1)
сохраняется практически максимальный КПД системы ц равный 14% при всех уровнях запасаемой энергии.
Исходя из рабочего напряжения накопителя ио и величины кинетической энергии можно вычислить емкость накопителя С и частоту разрядного тока
шУ2
(2)
С
пи 0
П
1
!С:
где к - эмпирический коэффициент, учитывающий величину потерь к » 1,5-2; т - масса бойка; V - скорость бойка.
Ранее проведенными исследованиями установлено, что масса бойка не может быть выбрана произвольно, так как только при массах ударника в диапазоне от 0,1 до 0,15 кг
где Ь - индуктивность контура "индуктор-боек".
Внедрение разработанной установки позволяет повысить качество получаемых отверстий в трехслойных конструкциях за счет исключения дефектов при сверлении отверстий и снижения массы силовой точки, а также снизить трудоемкость процесса постановки резьбового вкладыша.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сборочные, монтажные и испытательные процессы в производстве летательных аппаратов / Под ред.В.А. Барвинка. М.: Машиностроение, 1996.
2. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование / А.И. Ендогур, М.В. Вайнберг, К.М. Иерусалимский. М.: Машиностроение, 1986.
3. Вашуков Ю.А., Ларионов В.А. Патент №2062912. Резьбовой вкладыш для постановки в глухое отверстие трехслойной конструкции / Приоритет от 11.01.93. Опубликовано Б.И. 1996. №18.
4. Барвинок В.А., Вашуков Ю.А., Поникаро-ва Н.Ю. Определение энергосиловых параметров осадки вкладыша при его постановке в отверстие трехслойной панели // Проблемы машиностроения и автоматизации. 1999. №4.
5. ВашуковЮ.А., Горячев А.С., Самохвалов
В.П. Технологические особенности получения отверстий в деталях и узлах летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов: Учебное пособие. Самара: СГАУ, 1996.
6. Вашуков Ю.А., Поникарова Н.Ю., Кирилин А.Н. Разработка методики рас-
чета энергосиловых параметров маг- слойной конструкции // Проблемы
нитно-импульсной установки при по- машиностроения и автоматизации.
становке вкладыша в отверстие трех- 2000. №1.
DEVELOPMENT OF THE EQUIPMENT WITH USAGE OF MAGNETIC-PULSE DRIVE AND MATERIALS WITH FORM MEMORY EFFECT FOR ASSEMBLY OF THREE-LAYERED DESIGN OF PARTS OF AN AEROSPACE ENGINEERING
© 2001 Yu.A. Vashukov, O.V. Lomovskoy, N.Yu. Ponikarova,
A.N. Kirilin, S.M. Oleksyiko
Samara State Aerospace University
The technological equipment for assembly of three-layered designs of parts of an aerospace engineering is developed. The equipment allows to receive a qualitative hole, and also to execute axial plastic compression of the threaded insert material and its fastening in hole of a three-layered design. It also allows to fasten the device for drilling-countersink works and tool head for placing of the insert. A form memory effect material and magnetic-pulse drive is used as a force drive. The given equipment allows considerably lower labour input of threaded insert placing process.
