Разработка панелей хвостовой части стабилизатора регионального пассажирского самолета

• Введение
• 1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
• 1.1 Композиционные материалы в самолетах «Ан»
• 1.2 Назначение и описание проектируемого самолета Ан-148
• 1.2.1 Основные геометрические характеристики
• 1.3 Общие сведения про оперение
• 1.4 Нагрузки, действующие на оперение
• 1.5 Конструктивное решения панелей хвостовой части стабилизатора
• 1.6 Расчет на прочность панели хвостовой части стабилизатора
• 1.7 Выводы
• 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 Введение
• 2.2 Общие положения о технологичности
• 2.3 Требования к панелям хвостовой части стабилизатора
• 2.4 Требования к организации производства
• 2.5 Требования, предъявляемые к технологическому процессу
• 2.6 Разработка технологии подготовки исходных материалов и приспособлений
• 2.6.1 Контроль армирующего материала
• 2.6.2 Приготовление связующего
• 2.6.3 Приготовление препрегов
• 2.7 Разработка техпроцесса формообразования детали
• 2.7.1 Выбор и обоснование метода формообразования.
• 2.7.2 Разработка схемы раскроя и укладки.
• 2.8 Разработка технологии формования изделия
• 2.8.1 Выбор и обоснование метода формования
• 2.8.2 Разработка техпроцесса формования
• 2.9 Обеспечение качества изготовляемого изделия
• 3. Экономическая часть
• 3.1 Введение
• 3.2 Стоимость основных материалов, покупных изделий и полуфабрикатов для трехслойных панелей пассажирского самолета
• 3.3 Анализ полученных результатов
• 3.4 Выводы
• 4. безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Введение
• 4.2 Выявление опасных и вредных факторов в цехе КМ
• 4.2.1 Мероприятия по предупреждению и защите от вредных и опасных факторов, возникающих при работе с ЭДТ — 69Н
• 4.2.2 Работы, связанные с обработкой углеродных волокон
• 4.2.3 Работы, связанные с получением препрега
• 4.2.4 Требования к безопасности при работе с клеями
• 4.2.5 Механическая обработка КМ
• 4.3 Техника безопасности и охрана труда
• 4.4 Охрана окружающей среды
• 4.5 Выводы
• 5. Специальная часть
• 5.1 Преимущества систем трехмерного моделирования
• 5.2 CADDS5 — информационная интегрированная система проектирования и изготовления
• 5.3 Рекомендации моделирования механообрабатываемых деталей
• 5.4 Методика моделирования стойки лонжерона
• Заключение
• Введение
• Общество всегда должно стремится к прогрессу. На современном этапе развития большую роль играет то, в каком состоянии находится экономика страны. Такие отрасли, как автомобилестроение, авиастроение и ряд других ведущих отраслей, и то, в каком состоянии они находятся, определяют экономический потенциал страны.
• Для Украины авиастроение занимает одно из ведущих мест в экономике. Главный разработчик авиационной техники на Украине — это авиационный научно-технический комплекс им. О. К. Антонова, который может выпустить самолет и обеспечить его окончательную доводку, а именно: постройка модели, изготовление опытного экземпляра, проведение прочностных испытаний и, наконец, доводка самолета на летно-испытательной и доводочной базе, и конечно сертификация самолета.

С 1970 г. АНТК им. «Антонова» является одной из ведущей организацией отрасли по разработке конструкций деталей транспортных и пассажирских самолетов с применением композиционных материалов (КМ).

В течение 30 лет АНТК им. «Антонова» выполнил комплекс работ по созданию и внедрению конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в самолеты АН-2, АН-2М, АН-26, АН-28, АН-32, АН-72, АН-74, АН-71, АН-124, АН-225, Ан-70 с постоянным ростом объема КМ. Эти объемы находились на уровне мировых достижений, а в самолетах сверхбольшой грузоподъемности АН-124 и АН-225 превысили уровень для самолетов данного класса.

В настоящее время ведущие авиационные фирмы мира уже разрабатывают проекты создания крупных пассажирских самолетов с объемом внедрения КМ до 60−70% от веса конструкции планера.

Следует отметить, что интенсивный рост объемов применения КМ произошел не только в авиастроении. На основе авиационных технологий расширились объемы применения КМ в наземном транспорте (автобусах, троллейбусах, трамваях, поездах), в судостроении, в спортивном инвентаре (велосипедах, санях, теннисных ракетках, лыжах).

Использование композитных материалов в конструкции различных самолетов.

В настоящее время современные КМ (углепластики, боропластики и органопластики) находят большое применение в конструкции летательных аппаратов. Особенно широкое применение новые материалы находят при изготовлении средненагруженных конструкций, хотя имеется и достаточное число примеров изготовления из них высоконагруженных конструкций, таких как крыло, стабилизатор, киль, шасси и др.

К основным преимуществам композиционных материалов следует отнести следующие: малую плотность, высокие характеристики статической и усталостной прочностей, жесткости, малый коэффициент температурного расширения, сопротивляемость к коррозии и т. п.

За счет применения более легких, по сравнению с алюминием материалов, уменьшения конструктивных и технологических разъемов, замены механического крепежа на клеевые соединения и др., удается снизить массу конструкции на 20−30%. При этом наибольший выигрыш достигается при изготовлении из КМ элементов конструкции фюзеляжа.

Кроме того, за счет применения современных средств механизации при изготовлении полуфабрикатов КМ, их раскроя и выкладки, удается одновременно снизить и трудоемкость изготовления конструкций из алюминиевых сплавов на 30−40%.

По удельным, прочностным и жесткостным характеристикам принципиально новые композиционные материалы (КМ) на основе полимеров, армированных высокопрочными углеродными, борными, органическими и стеклянными волокнами в 2 — 3 раза превосходят традиционные металлы и сплавы.

Применение КМ позволяет создавать конструкции с заранее заданными характеристиками и дает возможность значительно повысить их весовую эффективность и снизить металлоемкость. Для авиационной техники это обеспечивает:

снижение массы конструкции на 25−50%;

резкое сокращение количества деталей и нормалей;

снижение трудоемкости более чем на 30%;

повышение в 2 раза коэффициента использование материала;

трехкратную экономию металлов энергоресурсов на каждый килограмм примененного КМ;

повышение эксплутационной надежности, живучести, коррозиционной стойкости и аэродинамического качества;

снижение себестоимости перевозок.

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Композиционные материалы в самолетах «Ан»

В АНТК им. О. К. Антонова вопросу применения КМ уделяется большое внимание. Увеличение применения КМ в конструкциях самолетов «АН» можно проследить по процентному увеличению массы КМ по отношению к общей массе конструкции: от 1−2% в самолетах АН-26 до 20% в самолете АН-70 (от веса планера).

Применение КМ на самолетах осуществлялось в соответствии с программой, предусматривающей поэтапное развитие работ с постепенным расширением объемов и переходом от средненагруженных к силовым элементам конструкции.

Первыми агрегатами, выполненными с применением углепластика, являются подкосы крыла самолета АН-28. Применение углепластиков позволило повысить жесткость подкосов в 2 раза и снизить их массу на 15%. В этот же период успешно прошли летные эксплуатационные испытания следующие элементы конструкции:

створки носового шасси и панели пола на самолетах АН-24,

створки грузолюка и подкосы крыла на самолетах АН-28,

серворули руля высоты на самолете АН-22,

триммеры и интерцепторы на самолете АН-28,

цилиндры подъема и выпуска шасси, подкрепленные боропластиком на самолете АН-26,

закрылки и хвостовые части крыла и центроплана из органопластика на самолете АН-28.

Самолет АН-72 является первым отечественным самолетом, выполненным с широким применением КМ. На самолете АН-72 масса конструкции из КМ составила 980 кг (6% от массы планера), причем углепластики составляли 240 кг (25% от массы КМ), стеклопластики — 740 кг (75% от массы КМ). Было создано более 60 узлов и агрегатов из угле-, стеклои боропластиков и 70 деталей и узлов из органопластиков.

Рисунок 1.1. Применение КМ в конструкции Ан-124,АН-225

Наиболее значительной была комплексная программа по разработке, созданию и внедрению преимущественно средненагруженных конструкций из КМ для сверхтяжелого транспортного самолета Ан-124 (см. рис. 1.1). В конструкции самолета АН-124 объем применения КМ возрос по сравнению с самолетом АН-72 более чем в 5 раз. Масса конструкции из КМ составила 5500 кг (8% от массы планера), однако соотношение процентного содержания углепластика — 2500 кг (45% от массы КМ) и стеклопластика — 1500 кг (27,5% от массы КМ) несколько изменилось. в конструкции появился также органопластик — 1500 кг (27,5% от массы КМ).

Наработки, полученные в результате проведения исследований, позволили осуществить более сложную программу по созданию высоконагруженных агрегатов из КМ для широкофюзеляжного самолета Ан-70. Объем конструкции из стекло-, угле-, органопластиков на самолете Ан-70 достиг 20% от массы планера (см. рис. 1.2).

Рисунок1.2. Применение КМ в конструкции Ан-70

В процессе создания новых самолетов решены многие научно-технические проблемы, разработаны уникальные конструкции нового типа и технологические процессы их изготовления, многие из которых не имеют зарубежных аналогов. Широкое применение КМ вызвало необходимость отказа от традиционных и испытанных конструктивно-технологических решений и перехода к принципиально новым методам проектирования и производства.

Таким образом, широкое внедрение в авиационную технику КМ значительно повышает ресурсные характеристики летательных аппаратов и существенно снижает их массу. Реализация перспектив, которые открываются в связи с разработкой и промышленным внедрением КМ, приводит к необходимости решения широкого круга проблем их эффективного применения.

Объемы и эффективность применения ПКМ в самолетах «АН» представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Объемы и эффективность применения ПКМ в самолетах «АН»

1.2 Назначение и описание проектируемого самолета Ан-148

Самолет предназначен для перевозки 70 пассажиров, багажа, почты и грузов на внутренних и международных авиалиниях с возможностью базирования на подготовленных BПП с искусственным покрытием.

Самолет представляет собой свободнонесущий высокоплан с двумя двухконтурными турбореактивными двигателями, размещенными в гондолах под крылом, и трехопорным одностоечным шасси с передней и двумя основными опорами.

Крыло — стреловидное, большого удлинения, трапециевидной формы в плане без наплывов, скомпоновано на базе новых суперкритических профилей, разработанных в АНТК им. О. К. Антонова.

На передней кромке крыла установлены отгибаемые носки; на задней кромке установлены двухщелевые однозвенные закрылки с фиксированным дефлектором и элероны без аэродинамической компенсации, отклоняемые тормозные и глиссадно-тормозные интерцепторы.

Фюзеляж — круглого сечения диаметром 3,35 м по длине состоит из трех частей: носовой, средней цилиндрической и хвостовой. Фюзеляжполумонококовой конструкции, состоит из обшивки толщиной 1−1,8 мм, стрингеров уголкового и зетобразного сечений, выполненных из листовой заготовки, прессованных усиленных стрингеров, зетобразных одноэлементных в сечении типовых шпангоутов.

Фонарь самолета — стальной сварной конструкции, типа фонаря самолета Ан-140, лобовые электрообогреваемые стекла фонаря используются от самолета Ан-74.

Оперение — однокилевое, Т-образное, с неподвижным стабилизатором, установленным на киле. Рули направления и высоты — однозвенные, без аэродинамической компенсации.

Шасси — трехопорное убирающееся с управляемой передней опорой.

Стойки основных опор — рычажного типа, снабжены спаренными тормозными колесами мм, убираются в ниши под полом пассажирской кабины. Стойка передней опоры — полурычажного типа, убирается против полета. Створки ниши имеют механический привод от стойки. Замки убранного положения имеют аварийную систему ручного открытия. Выпуск-уборка шасси и привод тормозов — гидравлические. Шасси самолета обеспечивает посадку на грунтовые и галечные ВПП.

1.2.1 Основные геометрические характеристики

Габаритные размеры, м:

— размах крыла (проекционный)28,92

длина самолета28,59

высота самолета (пустого) на стоянке8,17

Крыло Вид в планетрапеция Размах крыла (теоретический), м28,8

Площадь, м2 (теоретическая)87,29

Удлинение9,5

Сужение4,05

САХ, м3,395

Стреловидность (по 0,25 b), град.25

Отклоняемый носикбезщелевой 2-секционный Суммарная площадь, м28

Относительный размах0,118−0,968 Относительная хорда:

корневая0,09

конпцевая0,148

Максимальная крейсерская скорость-880 км/ч.

Максимальная крейсерская высота — 12 500 м.

Потребная длина ВПП — 1600−1800 м.

Самолёт Ан-148 обеспечивает:

— высокую эффективность;

— современный уровень технического и эксплуатационного совершенства;

— возможность применения со слабооснащённых аэродромов с малой прочностью покрытия и сложными воздушными подходами;

— широкий диапазон функциональных возможностей.

Самолёт Ан-148 является базовым в семействе:

— Ан-148Д — региональный самолёт с увеличенной дальностью;

— Ан-148СД — сверхдальний пассажирский самолёт;

— Ан-148VIP — сверхдальний VIP/административный самолёт;

— Ан-148−100 — региональный пассажирский самолёт с удлинённым фюзеляжем на (90−100 пасс.).

— Ан-148С/Т — грузовые самолёты.

Дальность полёта для транспортного и пассажирского самолёта Ан-148.

1. 8,7 т.1630 км.

2. 70 пасс. 2800 км.

3. 53 пасс. 3700 км.

Общий вид самолета представлен на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 — Общий вид АН-148

1.3 Общие сведения про оперение

Оперением самолета называются несущие поверхности, предназначенные для обеспечения продольной и путевой балансировки, устойчивости и управляемости самолета.

Балансировкой самолета называется уравновешивание моментов всех сил, действующих на самолет, относительно его центра тяжести.

Оперение состоит из горизонтального и вертикального оперения, установлено на хвостовой части фюзеляжа.

Горизонтальное оперение включает в себя две консоли стабилизатора, две половиты руля высоты и два дефлектора.

Руль высоты предназначен для обеспечения продольной управляемости самолета, состоит из двух секций, внутреней и внешней, синхронно откланяемых вверх и вниз общей системой управления самолетом. Каждая секция состоит из первого и второго звеньев.

Вертикальное оперение включает в себя киль и руль направления.

Руль направления предназначен для обеспечения путевой управляемости самолета.

Нагрузки на вертикальное оперение. Уравновешивающая нагрузка обусловлена равновесием моментов рыскания самолета с вертикальным и без вертикального оперения.

При односторонней остановке двигателя, расположенного на крыле, на вертикальном оперении возникает ассиметричная нагрузка. Оперение, как и крыло, в общем случае нагружается распределенными и сосредоточенными силами.

Кили прямые или с малой стреловидностью выполняются преимущественно двухлонжеронной конструкции. Наличие довольно мощных панелей между лонжеронами существенно разгружает пояса лонжеронов. Соединение киля с фюзеляжем осуществляется при помощи узлов на лонжеронах. Усиленная бортовая нервюра в данном случае воспринимает нагрузки, действующие на панели. При малой относительной толщине профиля вертикального оперения лонжероны имеют недостаточную строительную высоту для крепления киля к фюзеляжу.

Конструкции узлов навески рулей, за исключением центральных опор, однотипны и состоят из кронштейнов, установленных на нервюрах и лонжероне стабилизатора или киля, серег навески и болтов. Количество узлов зависит от длины руля и величины аэродинамических нагрузок, действующих на руль. Рули подвешиваются на шариковых подшипниках. В носке рулей делаются вырезы для размещения кронштейнов навесок, что уменьшает в данном сечении жесткость руля на кручение, поэтому в сечениях с вырезами конструкция руля усиливается.

Большое распространение получили одностенные нервюры, штампованные из листового дуралюмина. Стенки их при толщине от 0,5 до 1,5 мм обычно имеют большой запас прочности, и поэтому для уменьшения веса в нервюрах делают вырезы. Для повышения устойчивости стенок края отверстий отбартовывают и ставят стойки, а иногда в стенках делают рихтовку.

Оперение регианального самолета ан-148 — однокилевое Т-образное (со стабилизатором, установленным на киле).

Вертикальное оперение состоит из киля, форкиля и руля направления.

Киль состоит из кессона, носовой и хвостовой частей.

Кессон — металической конструкции, состоит из двух лонжеронов, двенадцати нервюр и двух панелей, подкрепленных стрингерами.

Левая панель включает в себя съемную технологическую панель.

По левому борту хвостовой части киля панели — съемные, а в районе рулевых приводов — откидные.

Форкиль — составной, включающий металлическую переднюю часть и радиоотсек, выполненный из радиопрозрачного материала (сотовые панели из стеклопластика).

РН — композиционный, 6-опорный, состоящий из композиционного лонжерона изготовленного из двух частей, и одновременно отформованного каркаса, включающего обшивки и нервюры. Узлы навески металлические и по трем опорам совмещены с установкой рулевых приводов.

Горизонтальное оперение (ГО) состоит из стабилизатора и руля высоты (РВ).

К ГО крепится стекатель стыка горизонтального и вертикального оперения (ВО).

Стабилизатор представляет собой цельно собранный агрегат, состоящий из двух консолей и центроплана, составляющих кессонную часть, а также носовой и хвостовой частей.

Кессон — металлической конструкции, состоит из двух лонжеронов, шестнадцати нервюр и двух панелей, подкрепленных стрингерами.

Нижняя панель включает в себя съемную технологическую панель.

К передней части кессона крепится носок с электротепловой ПОС.

Хвостовая часть стабилизатора представляет собой конструкцию из КМ, выполненную в виде монолитных подкрепленных ребрами жесткости панелей.

По нижней поверхности хвостовой части стабилизатора панелисъемные, а в районе рулевых приводов — откидные.

РВ — композиционный, 6-опорный, состоящий из композиционного лонжерона швеллерного сечения и одновременно отформованного каркаса, включающего обшивки и нервюры. Узлы навески металлические и по трем опорам совмещены с установкой рулевых приводов.

Геометрические параметры горизонтального оперения:

Теоретическая площадь ГО- 18,875 м²;

Площадь теорет. поверхности рулей высоты- 11,22 м²;

Площадь теорет. поверхности консоли ГО- 34,496 м²;

угол стреловидности по линии 0 хорд, град.- 35,69;

угол стреловидности по линии 25 хорд, град.- 32;

угол стреловидности по линии 100 хорд, град.- 19,1;

угол стреловидности по 1 лонжерону ГО, град.- 33,13;

угол стреловидности по 2 лонжерону ГО, град.- 28,9;

удлинение- 4,61;

сужение- 2,516 м².

1.4 Нагрузки, действующие на оперение

В полете на оперение действуют аэродинамические и массовые силы, величина и распределение которых по размаху и хорде оперения зависят от режима полета.

Массовые силы сравнительно невелики, и в расчетах на прочности оперения ими можно пренебречь.

Аэродинамические нагрузки на оперение определяются в соответствии с расчетными случаями норм прочности.

Нагрузки на горизонтальное оперение можно разделить на нагрузки уравновешивающие, нагрузки маневренные и нагрузки в турбулентной атмосфере. Нагрузки уравновешивающие определяются из условия равенства моментов относительно оси Оz самолета с горизонтальном оперением и без него.

При отклонении рулей высоты возникает дополнительная нагрузка на горизонтальном оперении, называемая маневренной. Эта нагрузка неуравновешенна и пропорциональна величине скоростного напора q и площади горизонтального оперения.

Стабилизатор обычно представляет собой двухопорную балку, нагруженную распределенными аэродинамическими силами и реакциями опор в узлах подвески руля высоты.

1.5 Конструктивное решения панелей хвостовой части стабилизатора

Конструктивные решения панелей представлены на рисунке 1.2. Панели имеют небольшую одинарную кривизну, их габариты, в среднем, составляют 360×1400 мм. толщины заполнителя 20 мм, обшивок в регулярной зоне 0,6−0,7 мм, фланцев панелей 2,7 мм. Панели крепятся к металлическому каркасу оперения винтами и с помощью шомпольных петель.

Трубчатая панель состоит из обшивок армированных углелентой УОЛ-300−1А, трубчатого заполнителя сечением 20×20 мм намотанного одним слоем углеленты ЭЛУР-ПА и накладок из ткани УТ-900−2,5А, устанавливаемых только по одной стороне панели. Углеволокнистые материалы также пропитываются связующим ЭДТ-69Н. Обшивки и заполнитель панели прессуются одновременно с применением комплекта оправок из силиконовой резины марки ИРП-1338, которые удаляются в одну сторону. Открытый торец панели заделывается пенопластом марки ЭТ-Р1 и оклеивается углетканью на клее холодного отверждения. В стенках трубчатого заполнителя выполняются дренажные отверстия, позволяющие вентилировать внутренний объем панели (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 — Конструкция типовой трубчатой панели

1.6 Расчет на прочность панели хвостовой части стабилизатора

Расчет на прочность можно разделить на расчет по допускаемым напряжениям и расчет по предельному состоянию. При расчетах, на прочность основанных на оценке прочности материала в опасной точке нормальные, касательные напряжения (в зависимости от вида напряженного состояния и принятой теории прочности) в опасном сечении, опасной точке сравниваются с допускаемыми напряжениями. Если наибольшее расчетное напряжение не превышают допускаемые, то считается, что надлежащий запас прочности конструкции этим обеспечивается. Такой способ расчета на прочность называется расчетом по допускаемым напряжениям. Метод расчета на прочность по допускаемым напряжениям, бесспорно, обеспечивает прочность конструкции, однако во многих случаях не позволяет рационально использовать все ее возможности и часто приводит к завышенному весу. В связи с этим недостатком метода расчета на прочность по допускаемым напряжениям будем использовать метод расчета конструкции по предельному состоянию, т. к. он дает возможность уменьшить вес конструкции. Под предельным состоянием конструкции понимают такое ее состояние, при котором она теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или перестает удовлетворять предъявляемым эксплуатационным требованиям.

Для расчета на прочность элементов конструкции оперения необходимо знать значения нагрузок действующих на расчетный элемент.

На прочность рассчитываем нижнюю панель хвостовой части стабилизатора, которая воспринимает максимальные нагрузки.

Выбираем РС с максимальной нагрузкой на РВ. На рисунке 1.3 представлены эпюры нагрузок действующих в сечении консоли стабилизатора на расстоянии 3 м от ПСС, при наличии угла атаки и отклоненном РВ.

Рисунок 1.3 — Эпюры нагрузок.

Рассмотрим элемент рассчитываемой панели хвостовой части стабилизатора (рисунок1.5) со следующими габаритами:

l=692мм;H=20.675мм;y=10.33мм;h=0.675мм Рисунок 1.5 — Рассматриваемый элемент панели панели.

Определяем максимальный момент, действующий в рассматриваемом элементе:

Мmax=,

Где q — нагрузка действующая в данном сечении, кг с/мм;

l — длинна рассчитываемой панели, мм;

Мmax=(-1635*10*692)/8=-97,9(кг с мм);

Для расчета по программе «MVR» определяем действующее напряжения по оси x, в рассматриваемом элементе.

Определяем площадь поперечного сечения рассматриваемого участка

F=H*b,

Где Н — толщина обшивки, мм

b — ширина рассматриваемого сечения, мм;

Определяем усилие действующее в сечении:

Р=,

Р=97,9/20,675=-4,735;

Выражение для определения напряжения в поперечном сечении данного участка запишем следующим образом:

где Р — усилие действующее в сечении,

F — площадь поперечного сечения, мм.

кгс/мм.

Дальнейшие расчеты проводим по программе «MVR», полученные результаты расчетов сведены в Приложение 1.

Для сравнительного анализа проведем расчет на прочность с использованием программы в которой расчет проводиться не для пакета вцелом, а определяются напряжения в каждом монослое. Полученные результаты расчета сведены в Приложение 2.

Сопоставляя результати расчетов двух программам, видно, что запас прочности оказался большим при расчете напряжения для пакета в целом, а не послойно.

1.7 Выводы

В конструкторской части дипломного проекта представлено назначение и описание регионального самолета АН-148, его геометрические характеристики, а так же описание конструкции оперения и действующие на него нагрузки. Было рассмотрено конструктивное решение панелей хвостовой части стабилизатора из КМ. В конструкции обеспечиваться расчетная прочность материалов и другие их характеристики пакете слоев в соответствии с ТУ на материал: плотность, толщина монослоя, угол укладки.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Введение

Производство изделий из композиционных материалов содержит ряд специфических процессов. Для проектирования, оснащения и реализации этих процессов требуются специалисты определенной квалификации. Все эти процессы взаимно обусловлены и связаны в единый производственный процесс изготовления конкретной детали. Все они имеют одну общую особенность — преобразование исходных материалов в готовые продукты производства заданного качества с наименьшими затратами труда для данных условий.

Совокупность процессов, которые осуществляются с целью преобразования исходных материалов в готовую продукцию, называется производственным процессом. Часть производственного процесса, которая непосредственно связана с изменениями качественного состава объекта производства, называется технологическим процессом.

В технологической части дипломной работы описан технологический процесс изготовления панелей хвостовой части стабилизатора из углепластика. Также рассмотрены подготовительные процессы: контроль исходной арматуры, приготовление связующего, приготовление препрегов.

2.2 Общие положения о технологичности

Согласно ГОСТ 14.205−85 (СТЭВ 2063;79) технологичность — это совокупность свойств изделия, определяющих его приспособленность к достижению ожидаемых затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условия выполнения работ. Обеспечение технологичности изделия по самой своей сути работает как противозатратный механизм хозяйствования, так как рассматривает изделие с позиции минимизации затрат, ресурсов на обеспечение заданного качества. По области проявления различают следующие виды технологичности:

— производственную;

— эксплуатационную.

Производственная технологичность конструкции изделия проявляется в экономии затрат, средств и времени на конструкцию и технологическую подготовку производства, в процессе изготовления изделия, организации и управление процессом производства.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращения затрат, средств и времени на технологическое обслуживание и ремонта изделия, а также на подготовительные и заключительные роботы связанные с полетом.

Иногда эксплуатационную технологичность рассматривают только применительно к техническому обслуживанию и текущему ремонту изделия в эксплуатации. Тогда вводят понятия ремонтной технологичности (при ремонте на специализированных предприятиях) и утилизационной технологии. Все положения о технологичности в равной мере относятся к ее всем видам и разновидностям, поэтому для краткости рассматриваем только производственную технологичность.

Технологичность конструкции принадлежит к свойствам, характеризующим качество изделия. Ведь при прочих равных условиях изделие будет тем лучше, чем дешевле оно и чем меньше затрат ресурсов требуется потом для приведения его в рабочее состояние.

Наряду с технологичностью конструкции качество изделия характеризуют такие свойства:

— функциональность;

— надежность;

— экономичность;

— эстетичность;

— экологичность;

— транспортабельность;

— патентоспособность.

Требования технологичности и других сторон качества к одним и тем же свойствам конструкции могут вступать в противоречия, которые должны решаться по критериям эффективности. Процесс обеспечения технологичности может и должен рассматриваться как решение двойственной задачи:

— отработка конструкции на технологичность;

— совершенствование производственной системы.

При этом выявляется такая закономерность: повышение и расширение технологических возможностей системы снижает затраты ресурсов на единицу продукции и уменьшает зависимость уровня этих затрат от свойств конструкции.

2.3 Требования к панелям хвостовой части стабилизатора

1. Панели должны быть безопасно повреждаемыми и надежны в эксплуатации в течение всего срока службы самолета.

2. Панели должны обладать минимальным весом и минимальной стоимостью в изготовлении и эксплуатации.

3. Панели бустерного отсека должны быть съемными.

4. Эксплуатационная технологичность монтажа и демонтажа определяется при рабочем проектировании. Конструкция должна:

4.1. Обеспечивать возможность изготовления обшивок (панелей) от ТК для получения качества внешней поверхности;

4.2. Обеспечивать возможность изготовления панелей с максимально возможным качеством элементов зацело, за исключением трудоемких и трудно контролируемых подгоночно-сборочных работ;

4.3. Обеспечивать минимально возможное количество элементов механического крепежа (концентраторов напряжений) и зон сосредоточенной передачи усилий.

5. В конструкции должны обеспечиваться расчетная прочность материалов и другие их характеристики в пакете слоев в соответствии с ТУ на материал: плотность, пористость, толщина монослоя, угол укладки и т. п.

6. Ремонтопригодность должна обеспечиваться:

— всесторонним доступом к элементам конструкции перед их сборкой-склейкой;

— доступом к силовым узлам и наиболее нагруженным местам конструкции после сборки склейки (поясов и стенок лонжеронов у корня, обшивок в зоне радиусного перехода, мест механического соединения элементов конструкции);

— доступом и типовыми методами ремонта в эксплуатацию.

2.4 Требования к организации производства

Изготовление панелей должно осуществляться в специализированном производстве по переработке композиционных материалов, с обеспечением всех требований технологии, техники безопасности, промсанитарии и пожарной безопасности в соответствии с нормативной документацией.

Рабочие, занятые на всех операциях по изготовлению панелей, должны проходить специальную подготовку и ежегодную аттестацию на знание технологического процесса и выполнения отдельных операций.

Технологическое оборудование, используемое в процессе производства панелей, должно быть проверено на соответствие техническим характеристикам, при необходимости доработано, и проходить периодическое сертификацию.

Рабочие и ИТР, занятые на всех операциях по изготовлению изделия, должны быть обеспечены спецодеждой.

белый халат из ткани с глухим воротником и застёгивающимся манжетами;

белый платок или шапочка х/б;

перчатки х/б;

перчатки резиновые (тонкие, облегающие руку и не растворимые в ацетоне или спирте);

2.5 Требования, предъявляемые к технологическому процессу

Технологический процесс, оформленный в соответствии с требованиями стандарта, является (наряду с чертежами, техническими условиями и технологическими инструкциями) основным документом, по которому производится изготовление, сборка и испытание деталей, узлов и агрегатов изделий.

К технологическому процессу предъявляются требования обеспечения:

— высокого качества и надежности изделий, изготовленных в полном соответствии с требованиями чертежа и технических условий на производство изделия;

— оптимальных для конкретных заданных производственных условий затрат живого и овеществленного труда;

— безопасности производственных процессов, взрыво — и пожаробезопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.3002−75;

— минимальных для заданных условий сроков (циклов) подготовки и производства изделий;

— защиты окружающей среды от вредных факторов производственного процесса.

Для решения этих задач при проектировании технологических процессов используются достижения новой техники и передовой опыт работы с учетом конкретных производственных условий. При этом для опытных изделий технологический процесс должен быть рассчитан на минимальное использование специальной технологической оснастки и максимальное использование универсальной оснастки. При проектировании технологического процесса необходимо в равной мере учитывать работы, связанные с проверкой качества выполнения отдельных операций и продукции в целом, при этом решать все вопросы метрологического обеспечения технологического процесса.

Основными исходными материалами для проектирования технологических процессов на предприятии являются:

— чертежи изделия;

— технические условия (ТУ);

— директивные технологические документы (ДТД), разрабатываемые на предприятии;

— сведения о располагаемом оборудовании;

— различные типовые инструктивные, руководящие и справочные материалы;

— нормали;

— государственные и отраслевые стандарты;

— сборники отраслевых правил и норм по технике безопасности, действующие на предприятии инструкции по технике безопасности.

Технологический процесс, оформленный в технологическом паспорте, должен удовлетворять следующим требованиям:

— быть достаточно полным, отражать строгую последовательность технологических операций с включением операций контроля и отработки систем;

— отражать требования ТУ, чертежей, ТИ, номенклатурных ведомостей;

— отражать операции по снятию припусков;

— содержать необходимые указания по безопасности труда и ссылки на действующие инструкции по технике безопасности;

— отражать весовой контроль;

— формулировка содержания операции должна быть краткой. В тексте технологического процесса должны быть все данные, необходимые для качественного и производительного выполнения работ и контроля качества продукции с отражением основных требований ТУ, чертежей;

— в технологическом процессе необходимо приводить условия хранения; порядок и средства упаковки и транспортировки особо ответственных деталей, узлов и агрегатов;

— технологический процесс пишется разборчивым почерком;

— при ссылке на ГОСТ, ТУ, РТМ, инструкции, типовые технологические процессы и другие подобные документы в тексте техпроцессов указываются соответствующие номера их разделов и пунктов.

2.6. Разработка технологии подготовки исходных материалов и приспособлений

2.6.1 Контроль армирующего материала

Предварительно пропитанные связующим рубленные и непрерывные, в виде лент и холстов, материалы представляют собой полуфабрикаты, применяемые для дальнейшей переработки различными методами. Поскольку эти полуфабрикаты хранятся какое-то время на складах, перед их использованием на производстве выполняют анализы на содержание влаги, вредных веществ. Такие анализы делают перед изготовлением ответственных конструкционных деталей и агрегатов или в тех случаях, когда истекли допустимые сроки хранения материала.

Содержание влаги и летучих веществ в волокнистых полуфабрикатах определяют взвешиванием проб до и после их высушивания при температуре 100? С — 110? С в течение 2 часов.

Содержание смолы (связующего) определяют в результате выжигания ее из полуфабриката при температуре 500−800?С в течение 2−3 часов и сопоставления массы до и после выжигания.

2.6.2 Приготовление связующего

Общие требования.

Все работы по приготовлению связующего ЭДТ — 69Н проводить в отдельном помещении, категории В класс по ПЭУ-11−3а оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией.

Исходные компоненты связующего должны соответствовать требованиям нормативно-технической документации ГОСТ, МРТУ, ОСТ, и ТУ.

Приготовление связующего производить в эмалированном или из нержавеющей стали реакторе, снабженном якорной мешалкой, охлаждением, обогревом, обратным холодильником и термометром, с люком для разгрузки и нижним спускным краном.

Приготовление связующего производить в соответствии с производственной инструкцией ПИ 1.2.399 — 88 ВИАМ.

Оборудование, оснастка и инструмент.

Для приготовления связующего ЭДТ — 69Н используется следующее оборудование, оснастка и инструмент:

реактор РСЭр — 6/0,1 — 1 — 10 с обогревом и обратным холодильником: V=100 л, P=6 атм, T=200 С;

дробилка валковая ВДГ — 2 М или дробилка типа 111 модель 764 ГОСТ 7411– — 67;

мерник для спирто — ацетоновой смеси МСЭ — 0,063 — 1: V=63 л;

весы технические РП — 150 Ц 13;

тара эмалированная из нержавеющей стали (бидоны) полиэтиленовая с герметичной крышкой;

ареометр ГОСТ 1848– — 81 Е;

термометр стеклянный типа ТЛ — 6 № 3 ГОСТ 215– — 73;

камера холодильная до -18 С — НКР — 1.

Приготовление связующего ЭДТ — 69Н.

Связующее ЭДТ — 69Н представляет собой раствор в спирто — ацетоновой смеси композиции на основе эпоксидных смол КДА, ЭТФ, УП — 631У и отвердителя № 9.

Рецептура связующего ЭДТ — 69Н:

продукт КДА (1 сорт) — 35,5 м.ч.;

смола эпоксидная ЭТФ — 35,5 м. ч.;

смола эпоксидного УП — 631У — 35,5 м. ч.;

отвердитель № 9 — 5,5 м.ч.;

спирто — ацетоновая смесь — (1,5: 1).

Перед приготовлением первой партии связующего ЭДТ — 69Н реактор заполняют разбавленным (5 — 6%) раствором едкого натра, выдерживают 6 — 7 часов при температуре 60 — 70 С, щелочь сливают в специальные емкости, аппарат промывают струей водопроводной воды, заполняют несколько раз водой до тех пор пока рН промывкой воды будет близким к 7. После промывки аппарат высушить.

Взвесить необходимое (согласно рецептуры) количество ацетона, залить его в аппарат. Взвесить измельченную смолу УП — 631У и засыпать в аппарат. Закрыть загрузочный люк аппарата, открыть горячую воду в обратном холодильнике, включить мешалку. Перемешать при температуре 40 — 50С в течение 30 — 60 минут до полного растворения смолы УП — 631У. Взвесить и загрузить смолу КДА. Взвесить необходимое количество 5 — 10% раствора КДА в спирте и залить через воронку в аппарат. Взвесить необходимое количество отвердителя № 9 и засыпать в аппарат.

Герметично закрыть верхний люк аппарата, проверить работу обратного холодильника. Включить мешалку. Перемешивание производить при температуре 60 2С в течение 2,5 0,5 часов (отсчет времени производить с момента достижения температуры реактора 60С).

Примечание. Процесс получения связующего считается завершенным, если в связующем не содержится комочков отвердителя размером более 1 мм, а замешка только мелкодисперсная, взвесь или раствор совершенно прозрачен.

Охладить связующее в реакторе до комнатной температуры и слить через нижний люк. Слив производить через металлическую сетку «ОО» или 2 — 3 слойный марлевый фильтр в емкости с плотно закрывающимися крышками.

От каждой партии связующего отобрать пробу для определения плотности и концентрации по ГОСТ 99 802– — 86Е. Плотность определять ареометром с точностью до 0,007 г/см3. Температуру определять термометром с точностью до 0,5С.

Результаты анализа внести в паспорт на партию связующего. Каждую емкость снабдить биркой с указанием: даты получения, партии и количества связующего, результаты анализа.

Связующее ЭДТ — 69Н хранить в плотно закрытой таре в складском помещении при температуре не выше 20С в условиях исключающих попадание влаги и прямых солнечных лучей, не более 6 месяцев.

2.6.3 Приготовление препрегов

Изделия из КМ получают двумя способами — «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед выкладкой. При «сухом» способе пропитка выделена в самостоятельную операцию, в результате которой из арматуры и связующего получают препреги (нити, ленты, ткани которые после пропитки подсушиваются).

Все операции по изготовлению препрегов должны выполнятся при температуре (205)0С и влажности воздуха не более 75% в производственных помещениях, оборудованных обменной приточно-вытяжной вентиляцией и местной вытяжкой с рабочих зон, в которых используются растворители, связующее или выделяются продукты их распада.

Процесс приготовления препрегов включает следующие операции:

нанесение связующего на армирующий материал;

фильтрация связующего в армирующем материале;

удаление растворителей (сушка препрегов).

Пропитку армирующего материала связующим осуществляют в ваннах пропиточных машин, вакуумной пропиткой и др. Основными требованиями данной операции являются поддержание заданной постоянной концентрации и вязкости связующего, оптимального содержания летучих веществ.

Длительная сушка, повышенная температура, влажность могут ухудшать качество нанесенного на армирующий материал связующего за счет преждевременной полимеризации.

Важно фиксирование нанесенного на армирующий материал связующего путем сушки. Для этого нужно рационально выбрать следующие параметры:

— температуру сушки (Tс);

— время сушки (фс).

Конечное содержание летучих продуктов после сушки должно быть не более 2.5%, связующего — 41−43%, растворимой смолы — не менее 95%.

Процесс пропитки и сушки углеткани необходимо проводить в вертикальной пропиточной машине. Перед началом пропитки необходимо:

Отобранные к пропитке рулоны армирующих материалов устанавить в посадочные гнезда пропиточной машины, соединить с помощью термосваривания полиэтиленовой пленкой начало пропитываемого материала с концом заправочного полотна и протянуть через систему валов пропиточной установки до выхода пропитываемого материала из пропиточной ванны на 10−15 см.

Для предотвращения слипания пропитанных материалов при намотке необходимо установить в гнезда раскаточного вала пропиточной машины рулон разделительной пленки. Применяемая пленка должна быть гладкой, равномерной толщины и на 10−15 мм шире пропитываемого материала.

Установить температуру в зонах подсушки наполнителей и препрегов в соответствии с параметрами указанными в таблице 2.1.

Таблица 2.1.Технологические параметры пропитки армирующих наполнителей

Проконтролировать чистоту валков установки.

Отрегулировать свободное сматывание материалов с подающих бобин и обеспечить плотное и равномерное натяжение слоев с помощью тормозных колодок.

Перемешать связующее в емкости до равновзвешенного состояния белых крупинок (смолы УП-631У).В ванну пропиточной установки залить приготовленное связующее до уровня оси валков.

При подходе пропитанного материала к приемному валу машины обрезать заправочное полотно, соединить пропитанный материал с разделительной пленкой и заправить на приемную бобину.

Во время пропитки угленаполнителей необходимо контролировать следующие параметры:

уровень связующего в пропиточной ванне;

скорость пропитки, натяжение полотна, температуру в зонах сушки;

нанос связующего на соответствие указанным параметрам.

Для контроля материалов отбираются образцы 200×200 мм в начале, середине и в конце 50−100 метрового рулона. Если рулон меньше 50 м, то на пробу вырезать образцы в начале и в конце рулона.

2.7 Разработка техпроцесса формообразования детали

2.7.1 Выбор и обоснование метода формообразования

Выбор метода формообразования изделий из композиционных материалов (КМ) зависит от назначения изделия, состава связующего, габаритных размеров и др.

Методом выкладки изготавливают силовые и несиловые плоские и объемные детали сложной конфигурации. Технологический процесс выкладки в зависимости от геометрии деталей и возможностей производства по способу выполнения разделяется на ручной, автоматизированный и механизированный.

Ручная выкладка применяется при производстве малогабаритных деталей, а также для изготовления любых деталей при отсутствии выкладочных станков с ЧПУ. Как правило, выкладка производится «сухим» способом — предварительно пропитанным полуфабрикатом (препрегом). Этим методом изготавливаются обшивки, панели, накладки, лючки и др. они могут иметь разную толщину и ориентацию волокон, которые задаются в зависимости от характера, величины и направления действующих напряжений.

Автоматизированную выкладку применяют при производстве деталей плоской формы или одинарной кривизны с углом подъема кривой менее 5?.

Механизированную выкладку применяют для изготовления деталей двойной, а также одинарной кривизны с углом наклона более 5?.

Намоткой преимущественно изготавливаются изделия осесимметричные объемные, а также силовые плоские элементы конструкций, «вафельные» панели.

Напыление редко встречается при производстве летательных аппаратов, потому что этот метод позволяет изготавливать несиловые изделия сложной формы.

Методом пултрузии получают профильные подкрепляющие элементы, разные по форме и размеру поперечного сечения и неограниченной длины с однонаправленным размещением армирующих волокон.

Комбинированное формообразование изделий из КМ совмещает в себе отдельные преимущества разных методов, что позволяет получать силовые профильные элементы с улучшенными наперед заданными характеристиками.

В нашем случае для изготовления панелей хвостовой части стабилизатора из КМ применяется ручная выкладка и намотка.

2.7.2 Разработка схемы раскроя и укладки

После того, как препрег с полиэтиленовой пленкой будет закреплен в зажимном устройстве и раскатан на всю длину раскроечного стола, на препреге располагают шаблоны согласно рисунку. Шаблоны нужно выкладывать по кромке препрега. Наносятся базовые риски через прорези на шаблонах (наносить карандашом). Вырезается необходимое количество заготовок вместе с пленкой. Кромка препрега не образуется. При раскрое необходимо контролировать соответствие направления ткани направлению основы на шаблонах; качество обрезки препрега по контуру шаблона; отсутствие посторонних включений на препреге.

Работу выполнять при наличии чертежа, технологической карты или паспорта на деталь, предусматривающих роспись исполнителя и мастера на каждую операцию.

Укладка слоев: каждый последующий слой укладывается на предыдущий согласно схеме укладки. Так как при выкладке будет иметь место стыка заготовки, то ширина зазора должна быть 0−2 мм. Выкладка пакета производится согласно чертежу (схемы укладки слоев) и техпроцессу.

Произвести выкладку детали согласно чертежа.

При выкладке слоев препрега учитывать направление основы, каждый выложенный слой прикатывать роликом, не допуская складок и морщин.

Произвести намотку трубчатого заполнителя поз.4 на оправках 65 770.148.011.192.

Намотку выполнять на оправках с припуском 50 мм от линии обреза панели. В зоне скоса оправок углеленту укладывать по месту. Концы лент примотать стеклотканью.

Уложить на поверхность выложенной наружной обшивки оправки с намотанной углелентой, в соответствии с чертежом.

.Подготовить подсборку к подформовке:

— уложить на трубчатый заполнитель полипропиленовую пленку;

— обернуть резиновые ограничительные прижимы полипропиленовой пленкой;

— уложить резиновые технологические прижимы по хвостовой и боковым кромкам панели, обеспечив плотное прижатие по стенкам трубчатого заполнителя, а также точную установку трубок по обрезу нанесенной на оснастке границы трубчатого заполнителя;

Произвести подформовку трубчатого заполнителя:

— поверх собранного пакета уложить и приклеить вакуумный мешок из пленки ППН-Т;

— создать вакуумное давление 0,8 кгс/см2 ;

— поднять температуру до 85+5 С со скоростью

0,5 — 1,0 С/мин.

— выдержать под вакуумом 0,8 кгс/см2 и при температуре в течение 30 мин. Охладить до температуры 40С. Снять вакуум.

Разобрать пакет Провести контроль качества поверхности трубчатого заполнителя.

По шаблону 65 770/148.011−301 — 306 выложить внутреннюю обшивку (поз.2) из 3 слоев ленты УОЛ-300−1-А :

Ленту УОЛ-300−1А выкладывать встык с зазором 0−2мм.

При раскрое слоев использовать информацию на шаблоне:

— линии обреза слоев препрега;

— розетки направлений углов выкладки слоев;

— схемы обрезки слоев обшивки наружной.

Контролировать углы укладки с помощью угольника.

Укладку производить с учетом технологического припуска, размеченного на форме.

По шаблону 65 770/148,011−301 — 306 подрезать углы в соответствии со схемой «В» подрезки слоев внутренней обшивки в чертеже. Обеспечить одинаковую толщину обшивки и торца панели. Тщательно разгладить уложенный материал.

В процессе выкладки контролировать:

толщину монослоя;

количество слоев, направление выкладки;

последовательность укладки слоев;

правильность раскроя выкладываемых слоев;

направление укладки.

2.8 Разработка технологии формования изделия.

2.8.1 Выбор и обоснование метода формования.

Методы формования изделий из КМ многообразны и их применение зависит от назначения изделия, его габаритных размеров, типа и состава связующего и других факторов. Все методы формования, получившие наибольшее распространение, можно разделить на три группы:

— контактное формование (КФ);

— упругое формование (УФ);

— формование в жестких формах (ФЖФ).

Каждый из методов характеризуется тремя параметрами: временем, температурой и давлением формования. В зависимости от этих параметров различают такие разновидности формования, как свободное (контактное), вакуумное, автоклавное, а так же прессование, термопрессование и т. д.

Упругое формование (или формование с помощью герметичных эластичных оболочек) проводят с применением специальных форм (негативных или позитивных) на которые после антиадгезионной подготовки (нанесение разделительного слоя, выкладка листового пленочного материала) выкладывают препрег. В отдельных случаях выкладывают сухую ткань с последующей ее пропиткой связующим.

На сложенный пакет заготовок нужной толщины после разделительного слоя выкладывают эластичную оболочку, чаще всего резиновый чехол или мешок. Фланцы формы герметизируют прижимными планками. Дальше проводят отверждение при заданном термическом режиме и повышенном давлении.

Давление может создаваться вакуумированием, в пресс-камерах, в автоклавах и гидроклавах.

Упругое формование требует незначительных финансовых затрат на оснастку, потому что при этом изготавливается только матрица или позитивная форма, а аппараты и устройства для отверждения связующего — универсальные.

Для нагруженных и ответственных деталей применяем автоклавное формование.

Процесс автоклавного формования осуществляется за счет разности между давлением в автоклаве и давлением внутри вакуумного мешка, создаваемым в полости между эластичной диафрагмой и жесткой формой.

Давление при формовании изделий влияет на регламентированное объемное содержание армирующего материала; монолитность структуры; пористость; химическую структуру связующего. Поэтому выбор величины давления и времени его приложения имеет важное значение для получения структуры с необходимыми прочностными и упругими характеристиками.

Режим автоклавного формования по температуре и давлению назначается, исходя из вида применяемого связующего и толщины формуемого изделия.

2.8.2 Разработка техпроцесса формования.