CC BY
194
Порошковая металлургия и композиционные материалы
УДК 620.1-535
Н.М. Рябкова, Т.А. Грищенко
РЯБКОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА - инженер-технолог цеха композитного производства (Арсеньевская авиационная компания «Прогресс им. Н.И. Сазыкина», г. Арсеньев Приморского края). E-mail: [email protected] ГРИЩЕНКО ТАТЬЯНА АНДРЕЕВНА - инженер-технолог цеха композитного производства (Арсеньевская авиационная компания «Прогресс им. Н.И. Сазыкина», г. Арсеньев Приморского края). E-mail: [email protected]
Технология изготовления формообразующей оснастки
для крупногабаритных композитных панелей на авиапредприятии
Представлено техническое решение коллектива сотрудников авиапредприятия «Прогресс» по проектированию и изготовлению формообразующей технологической оснастки из полимерных композиционных материалов при получении крупногабаритных обводообразующих тонкостенных силовых панелей летательного аппарата с целью минимизации механообработки рабочих поверхностей оснастки. Последовательно описаны результаты поэтапной работы по проектированию конструкции и технологии изготовления сложной крупногабаритной оснастки из ПКМ. Полученное решение практически применимо для предприятия авиационной отрасли промышленности и внедрено на ААК «Прогресс» для создания формообразующей поверхности крупногабаритной оснастки среднего вертолета, также может быть применено и при изготовлении иных конструкций оснастки в авиакосмической отрасли промышленности, а также в судостроении.
Ключевые слова: формообразующая поверхность, оребрённая панель, полимерная паста, корковый формоноситель.
В конструкции летательных аппаратов (ЛА) принципиально рациональное сочетание прочности конструкции с минимальной массой, что достигается расширением применения полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые в некоторых машинах уже сейчас составляют более половины массы ЛА. Например, современный средний вертолет Ка-62 более чем на 60% состоит из ПКМ. Экономический эффект от снижения массы вертолета за счет применяемых ПКМ достигает 11 000 руб. на каждый килограмм, поэтому производители в авиаконструкциях наращивают количество тонкостенных крупногабаритных силовых оребрённых панелей [3], которые в серийном производстве пока что делают на сложной и дорогостоящей технологической оснастке. На наружной обводообразующей поверхности панелей имеется большое количество различных узлов для крепления носимых и съемных агрегатов различной формы, габаритов и массы. Оснастка для изготовления панелей чрезмерно громоздка, ее производство обходится дорого из-за стоимости материалов, трудоемкости обработки и длительности циклов изготовления сложнопро-фильных формообразующих поверхностей, разнохарактерных изменений рельефа обводообразу-ющей поверхности. Выбор материала при производстве технологической оснастки становится
© Рябкова Н.М., Грищенко Т.А., 2014
Научные руководители: Ю.П. Денисенко, управляющий директор ААК «Прогресс», О.Ш. Бердиев, заместитель директора филиала Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве по НИР [48]
трудноразрешимой задачей, поскольку легкообрабатываемые цветные металлы (как правило, алюминиевые сплавы) сложно предохранить от механических повреждений при хранении, а изготовление стальной оснастки сопряжено с обработкой на различных больших станках и с неизбежным выходом огромного количества стружки, особенно при формировании обводообразующих поверхностей. Разработка и освоение технологического процесса проводились коллективом технических служб предприятия, а поэтапная отработка велась на производственном участке композитного производства, где работают авторы публикации.
Цель настоящих исследований - сокращение затрат на оснащение при изготовлении тонкостенных силовых панелей из ПКМ в серийном производстве и сокращение массы оснастки, а также минимизация получения повреждений при хранении.
Исследования велись авторами данной статьи в содружестве с коллегами из структурных подразделений службы главного технолога под научным руководством Ю.П. Денисенко, управляющего директора ААК «Прогресс», О.Ш. Бердиева, заместителя директора филиала Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве по НИР. На начальной стадии поиска прорабатывался вариант изготовления формообразующей полости оснастки из тонколистового металла с использованием высокоэнергетического импульсного метода, называемого «штамповкой взрывом», хорошо освоенного на предприятии и длительное время применявшегося в производстве тонколистовых труднообрабатываемых материалов [1]. Однако проведенный анализ достоинств и недостатков, а также экономических характеристик этого метода не позволил применить штамповку взрывом при производстве оснастки для крупногабаритных композитных авиапанелей.
В отечественной практике приемлемых технических решений разрешения данной проблемы нами выявлено не было, поэтому мы обратились к общемировым научным достижениям. Некоторые авиапроизводители минимизировали применение металла и дерева при производстве крупногабаритной оснастки для изготовления панелей из ПКМ, но обращения нашего предприятия по заимствованию зарубежных «ноу-хау» вежливо отклонялись. Поэтому руководством предприятия была поставлена задача разработать и применить собственные решения для полного отказа от использования металла и дерева в крупногабаритной оснастке, более широкого применения полимеров основного производства и изготовления формозадающих элементов средств оснащения непосредственно в серийном цехе, а не в цехах подготовки производства. Причем ставилась задача применять ПКМ в виде своеобразной «скорлупы», или формозадающей «корки», на пространственном каркасе.
При работе в новых экономических условиях риск подобного экспериментирования, безусловно, велик, поскольку для проведения исследований применялись дорогостоящие композитные материалы и оборудование, была произведена необходимая перепланировка производственного участка, к тому же ошибки могли существенно повлиять на сроки освоения производства нового вертолета, а на конечном этапе процесса вместо кондиционной панели мы вполне могли получить брак, который обошелся бы в несколько сот тысяч рублей. Поэтому освоение технологического процесса постоянно контролировалось руководством предприятия, принимаемые технологическими службами производства композитов и специалистов службы главного технолога предприятия решения оперативно корректировались и новый способ производства оснастки самостоя-
тельно был внедрен в короткие сроки. Возможно, какие-то элементы или стадии процесса дублировали применяемые за рубежом, но, повторяем, от зарубежных коллег технической документации до проведения исследований получить не удалось, и результат был достигнут в процессе собственных работ.
Разработанный процесс позволил значительно сократить сроки проектирования, упростить изготовление формообразующей оснастки, на порядки снизить ее массу, сократить циклы изготовления крупногабаритных формозадающих поверхностей, предоставил возможность применять и в последующем хранить технологическую оснастку непосредственно у рабочего места. При этом существенно сократить трудоемкость работ, обеспечить сохранность оснастки от повреждений, а показатели качества выпускаемой продукции и культуры производства - резко повысить.
Для сравнения приведем пример изготовления типовой обводообразую-щей крупногабаритной панели из ПКМ для среднего вертолета (рис. 1). Для изготовления этой панели методом вакуумной инфузии (пропитка всасыванием связующего материала в слой каркасного пакета панели) [2, 4] на формообразующей оснастке традиционной металлической конструкции потребуется сооружение с габаритными размерами 3000х3000х1800 мм и массой более 1700 кг (рис. 2). Аналогичная конструкция оснастки из дерева при таких же размерах обладает массой почти 850 кг. Очевидно, что подобную оснастку сложно изготовить, хранить и обслуживать в Рис. 2. Ранее применявшаяся типовая течение всего технологического процес-
металлическая оснастка са создания панели ЛА. Громоздкая
оснастка требует использования столь же громоздких, дорогостоящих и энергоемких технологических установок в производстве и сложного вспомогательного и подъемно-транспортного оборудования для их обслуживания.
Оснастка из металла обладает большой массой и размерами, поэтому на ней усложнен и монтаж различных технологических коммуникаций, ее сложно герметизировать, вакуумировать и неудобно хранить. Оснастке из дерева присущи аналогичные недостатки, кроме того, она склонна к изменению размеров при насыщении влагой или растрескиванию при хранении. Последнее обстоятельство постоянно проявляется в условиях влажного климата Приморского края и неблагоприятно отражается на хранимой оснастке.
Более рациональным представляется исследуемый и предлагаемый вариант конструкции комбинированной оснастки, где на упрощенной и облегченной пространственной металлической каркасной подставке крепится только формообразующая, или формозадающая, «корка» из ПКМ.
Для изготовления подобной «корки» требуется сначала изготовить пластиковую мастер -модель, представляющую собой комбинацию скрепленных между собой пенополиуретановых блоков (ППУ), где промежутки между блоками заполнены склеивающей полимерной композицией. Наружная формообразующая поверхность блока мастер-модели после клеевого скрепления подвергается фрезерованию с определенным эквидистантным занижением теоретического контура. Размеры занижения подобраны опытным путем и влияют на физико-механические характеристики оснастки. Затем на полученном эквидистантном занижении поверхности мастер-модели из многокомпонентных полимерных паст выкладывается утолщенный слой будущей монолитной «корки». Причем к изготовлению полимерной пасты предъявляются особые требования, что, так же как предыдущий этап процесса, существенно влияет на физико-механические характеристики
продукта. Необходимо достижение высокой однородности массы состава из нескольких компонентов, что обеспечивается вспомогательным технологическим оборудованием. Данная стадия требует тщательной технологической отработки и наличия профессионального навыка у работающих операторов, поскольку живучесть модельных составов сравнительно невелика (20-60 мин), а площадь обработки - в пределах нескольких квадратных метров. Время последующего отверждения нанесенного состава полимерной пасты колеблется в пределах 16-24 ч.
Рис. 3. Круговой и сегментный метод нанесения поверхностного слоя полимерной пасты
Кроме того, при исследовании вариантов нанесения полимерной пасты было выявлено, что предпочтителен сегментный способ параллельных лент, или кругов, «с перехлестом» (рис. 3). Отработка этого технологического варианта позволила получить следующие преимущества:
- напряжение, действующее на поверхности изделия, оказывается ниже;
- полученные конструкции менее склонны к деформации;
- полимерные пасты менее подвержены воздействию внутренних напряжений, что позволяет избежать растрескивания при отверждении и при последующей эксплуатации и хранении.
Напротив, если паста наносится одномоментно (за один раз, без дифференцирования слоя на сегменты), возможны проблемы с адгезионными процессами в зоне контакта пасты и ППУ и последующим растрескиванием поверхности сформированной монолитной «корки».
Отвердевшая поверхность монолитной «корки» фрезеруется, согласно чертежу, до получения гладкой поверхности. Толщина «корки» 8-12 мм, но наилучшие физико-механические характеристики поверхностного слоя достижимы при толщине около 10 мм, после двухэтапного фрезерования. В настоящее время круг работ расширен и исследуется возможность применения ячеистого сотового заполнителя в межобшивочном пространстве «корки», что позволит снизить ее общую массу и сократить использование дорогостоящих материалов.
Поэтапное изготовление оснастки показано на схеме (рис. 4). Исследованный способ изготовления мастер-модели (после проведения анализа ее химических и физико-механических характеристик и свойств) позволил получить от применения пластиков определенные преимущества:
- параметры окружающей среды не влияют на формы полученной конструкции (т.е. формообразующие размеры оснастки менее подвержены изменениям в зависимости от воздействия изменений температуры и влажности);
- формообразующие поверхности сравнительно легко обрабатываются;
- формообразующие поверхности оснастки обладают приемлемой химической и физико-механической прочностью, а
Рис. 4. Поэтапное изготовление оснастки на примере фрагмента ее верхней части, этапы: а - склейка блока ППУ (пунктиром показана зона фрезерования), б - фрезерование блока ППУ (в верхней части блока показана зона эквидистантного занижения поверхности), в - нанесение полимерной пасты, г - оформление «корки»
также высокой стойкостью к воздействию абразивов и ремонтопригодностью.
По полученной мастер-модели методом вакуумной инфузии из ПКМ изготавливается формообразующая поверхность оснастки и укрепляется в пространственном каркасе (рис. 5). Исследовались несколько вариантов применяемых материалов, но из экономических соображений на первой серии технологической оснастки было решено остановиться на сочетании стеклопластикового полотна ТМЭС и эпоксидного связующего Toolfusion, дающего вполне приемлемые результаты. Экспериментальные исследования показали применимость для последующей работы полимерной «корки» толщиной 8-12 мм. Обрезку корки «в размер» возможно производить не только механическим, но и лазерным методом, поскольку термическое воздействие лазерного луча существенно не изменяет физико-механических характеристик формообразующей корки. Торцы полученной корки зачищают от выступающих элементов волокон наполнителя механическим способом.
Итак, цель исследований была достигнута: при изготовлении оснастки, выполненной по данной технологии, получены следующие преимущества:
- изготовление в кратчайшие сроки с минимальными затратами на механическую обработку;
- более низкая стоимость по сравнению с металлической оснасткой (за счет более рационального расходования материалов и минимальной трудоемкости изготовления);
- хорошая ремонтопригодность;
- широкая гамма применяемых материалов с различными химическими и физико-механическими свойствами и ценой;
- изготовление монолитной оснастки любых габаритов и относительно малым весом по сравнению с металлической;
- высокие показатели качества выпускаемой продукции и культуры производства.
Полученная оснастка из ПКМ продемонстрировала возможность применения для изготовления крупногабаритных силовых панелей ЛА [5-7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Интенсифицированные схемы процессов штамповки // Актуальные вопросы современной техники и технологии // Сборник докладов V Междунар. науч. конф., Липецк, 29 окт. 2011 / отв. ред. А.В. Горбенко. Липецк: Гравис, 2011. С. 66-71.
2. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей: пат. 2463166 Рос. Федерация: МПК В 32 В 1/00, F 16 S 1/00 / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2011112270/05; заявл. 30.03.11; опубл. 10.10.12, Бюл. № 28.
3. Способ изготовления многослойных конструкционных панелей: пат. 2508496 Рос. 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.
4. Способ неразрушающего контроля деталей из полимерных композиционных материалов: пат. 2488772 Рос. Федерация: МПК G01B 11/16, G01L 1/24, G01N 21/88 Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2011137769/28; заявл. 13.09.2011; опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21.
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.
6. Berdiev O.Sh., Klukman E.F. The investigation into the advantages of the dry process of manufacturing composite aircraft panel of mesh structure. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014; 1: 20-24.
7. Ognev Yu.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Yu.P. Investigation of peculiarities in manufacturing and nondestructive testing of large-dimensioned multilayered stiffened panels having mesh structure. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014;1:25-30.
Панель
Каркас f
\_^
7-"s
С=ЬЬ [===□
Рис. 5. Схема крепления коркового формоносителя на каркасе
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
TECHNICAL SCIENCES. Materials science and materials technology
Ryabkova N.M., Grishenko T.A.
NATALYA M. RYABKOVA, Engineer (Arsenyev Aircraft Company "Progress" named after N. I. Sazykin, Arsenyev, Russia). E-mail: [email protected]; TATYANA A. GRISHCHENKO, Engineer (Arsenyev Aircraft Company "Progress" named after N. I. Sazykin, Arsenyev, Russia). E-mail: [email protected]
Manufacturing techniques of the shaping equipment for large-sized composite panels at an aircraft enterprise
The article presents the technical solution proposed by the staff of the Aircraft Enterprise Progress for designing and producing the shaping industrial equipment from polymeric composite materials when producing large-sized line-forming thin-walled power panels of aircrafts with the intent to minimise the machining of the working surfaces of the equipment. Consistently described are the results of the stage-by-stage work on designing the structure and manufacturing techniques of complex large-sized equipment. The resulting solution may be applied in practice at the enterprises of aviation industry and introduced at the AAK Progress to produce the shaping surface of the large-sized equipment of an average-sized helicopter. It may be also introduced to produce other equipment designs in the aerospace industry as well as the shipbuilding one.
Key words: shaping surface, ribbed panel, polymeric paste, shaping crust.
REFERENCES
1. Ognev Y.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Y.P. Intensive scheme of pressing process, Topical Questions of Modern Technics and Technology, V Intern. Scientific Conference collection of papers, Lipetsk, Okt., 29, 2011, ed. A.V. Gor-benko. Lipetsk, Gravis, 2011, p. 66-71. (in Russ.). [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Intensificirovannye shemy processov shtampovki // Aktual'nye voprosy sovremennoj tehniki i tehnologii // Sbornik dokladov V Mezhdu-nar. nauch. konf., Lipeck, 29 okt. 2011 / otv. red. A.V. Gorbenko. Lipeck: Gravis, 2011. S. 66-71.].
2. The method of multilayered thin power panels manufacture. Patent 2463166 Russian Federation, Y.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Appl. 30.03.2011; publ. 10.10.2012, Bull., N 28. (in Russ.). [The method of multilayered thin-power panels manufacture]: pat. 2463166 Russian Federation / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Appl. 30.03.2011; publ. 10.10.2012, Bull., № 28].
3. The method of production of multilayered constructional panels: Patent 2508496 Russian Federation: MPK F16S 1/00 B32B 1/00 Y.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. N 2013101394/06; Appl. 10.01.2013; publ. 27.02.2014, Bull., N 6. (in Russ.). [Sposob izgotovlenija mnogoslojnyh konstrukcionnyh panelej: pat. 2508496 Ros. Federacija: MPK F16S 1/00 B32B 1/00 Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. № 2013101394/06; zajavl. 10.01.2013; opubl. 27.02.2014, Bjul. № 6].
4. The method of nondestructive control of details from polymeric composite materials. Patent 2488772 Russian Federation: MPK G01V 11/16, G01L 1/24, G01N 21/88 Y.F. Ognev, O. Sh. Berdiyev. N 2011137769/28; Appl. 13.09.2011; publ. 27.07.2013, Bull. N. 21. (in Russ.). [Sposob nerazrushajushhego kontrolja detalej iz polimernyh kompozicionnyh materialov: pat. 2488772 Ros. Federacija: MPK G01V 11/16, G01L 1/24, G01N 21/88 Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. № 2011137769/28; zajavl. 13.09.2011; opubl. 27.07.2013, Bjul. № 21].
5. Reference book on composite materials: in 2 books. 1-st Book, ed. J. Lyubina; transl. A.B. Geller. M.M. Gelmont. M., Mechanical engineering, 1988, 448 p., ill. (in Russ.). [Spravochnik po kompozicionnym materialam: v 2-h kn. Kn.1 / pod red. Dzh. Ljubina; per. s angl. A.B. Gellera, M.M. Gel'monta. M.: Mashinostroenie, 1988. 448 s.: il.].
6. Berdiev O.Sh., Klukman E.F. The investigation into the advantages of the dry process of manufacturing composite aircraft panel of mesh structure. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014; 1: 20-24.
7. Ognev Yu.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Yu.P. Investigation of peculiarities in manufacturing and nondestructive testing of large-dimensioned multilayered stiffened panels having mesh structure. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014;1:25-30.
Research supervisors: Yuriy P. Denisenko, Managing Director, Arsenyev Aircraft Company "Progress" named after N. I. Sazykin, Arsenyev, Russia." Oleg Sh. Berdiev, Deputy Director, Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University, Arsenyev, Primorsky Krai, Russia.
