Tool material selection methodology for aircraft elements design

Konstantin V. Faizullin; Файзуллин Константин Владимирович; Maksim P. Danilaev; Данилаев Максим Петрович; Arseniy V. Polyaev; Поляев Арсений Валерьевич; Nikita A. Semin; Сёмин Никита Александрович; Timur I. Rakipov; Ракипов Тимур Ильшатович

doi:10.31772/2712-8970-2023-24-3-605-612

Методика выбора материала оснастки для изготовления элементов конструкции летательных аппаратов

Авторы: Файзуллин К.В.¹, Данилаев М.П.¹, Поляев А.В.¹, Сёмин Н.А.¹, Ракипов Т.И.¹
Учреждения:
1. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева
Выпуск: Том 24, № 3 (2023)
Страницы: 605-612
Раздел: Раздел 3. Технологические процессы и материалы
URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/622844
DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-3-605-612
ID: 622844

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Развитие современных материалов и технологий изготовления элементов конструкций летательных аппаратов из полимерных композиций требует обоснования выбора технологической оснастки. Основными критериями выбора материала технологической оснастки являются физико-технические характеристики материала, обеспечение требуемых точностей изготовления оснастки, а также экономическая целесообразность. Выбор материала оснастки зависит от технологии изготовления элементов конструкции из полимерных композиционных материалов. В работе представлена методика выбора материала оснастки для изготовления деталей методом вакуумной инфузии. Представлены результаты сравнительного анализа типовых материалов оснастки, используемых в производстве. Показано, что основными критериями при проведении сопоставительного анализа являются: температура эксплуатации, стойкость к воздействию растворителей, устойчивость к механическим воздействиям; ремонтопригодность; значение коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР); стабильность геометрии оснастки и ее герметичность. Результаты сопоставительного анализа показали, что для изготовления оснастки, при использовании в технологическом процессе высоких температур, наиболее целесообразными являются металлы и углепластик. В работе представлен алгоритм выбора материала оснастки для изготовления деталей из полимерных композиционных материалов. Отмечено, что при изготовлении элементов конструкции на основе стеклопластика и углепластика материал оснастки следует выбирать такой же, что и у детали. Это позволяет, во-первых, обеспечить одинаковые КЛТР, что важно при горячем формовании детали, а, во-вторых, устранить коробление детали в процессе ее остывания на оснастке. Однако достижение заданных точностей такой оснастки требует учета обработки оснастки гелькоутом после ее изготовления. В работе приведен подход к количественной оценке экономической целесообразности выбора материала оснастки. Показано, что только совокупность технических, технологических и экономических факторов позволяет обосновать целесообразность используемого материала оснастки для конкретного производства элементов конструкции летательного аппарата.

Ключевые слова

инфузия, материал оснастки, элементы конструкции летательного аппарата

Полный текст

Введение

Технология инфузии получила широкое распространение при изготовлении элементов конструкции летательных аппаратов (ЛА) из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1–5]. Причем, эту технологию используют для изготовления как силового набора ЛА (шпангоуты, невелюры) [6], так и для изготовления обшивок и даже интерьеров ЛА [2; 7]. Данный метод изготовления элементов конструкций ЛА позволяет обеспечить наименьшее количество дефектов (пустоты, поры) в слоях ПКМ при относительно невысокой стоимости технологического оснащения [1; 4; 5]. Повышение требований к точности изготовления деталей из ПКМ, применение новых компонентов ПКМ (смолы, тканные и нетканные материалы), а также экономические аспекты, например, в части серийности изделий, требуют пересмотра методики выбора материала оснастки при использовании технологии инфузии. Применяемые в настоящее время материалы оснастки обладают различными показателями физико-технических характеристик. Например, оснастки из древесноволокнистой плиты средней плотности (МДФ) обладают хорошей обрабатываемостью, но плохой стойкостью к воздействию внешних факторов (температура, влажность и пр.). Оснастки из металлов, например, дюралюминия, обладают зеркальными характеристиками: сложнее в обработке, но стойки к внешним воздействиям [8–10].

В настоящее время отсутствуют четкие методические рекомендации по выбору материала оснастки с учетом экономической целесообразности и их физико-технических характеристик. При изготовлении серийных изделий влияние стоимости оснастки снижается в зависимости от увеличения объёма изготавливаемых на ней изделий [11; 12]. Однако при этом одновременно возрастает износ оснастки, который может привести к существенному снижению точности элементов конструкции ЛА. Целью настоящей работы является разработка методики выбора материала оснастки для изготовления элементов конструкции ЛА методом вакуумной инфузии.

Методика исследований

Выбор материала оснастки предполагает формализацию критериев, по которым такой выбор будет осуществляться. Основными, практически важными, критериями являются: температура эксплуатации, стойкость к воздействию растворителей, устойчивость к механическим воздействиям; ремонтопригодность; значение коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР); стабильность геометрии оснастки и ее герметичность [1, 13, 14]. Выбор этих критериев обусловлен, в том числе, следующими соображениями.

Температура эксплуатации оснастки. Температурные режимы изготовления элементов конструкции ЛА методом вакуумной инфузии определяются типами используемых смол и технологиями их полимеризации [1; 3; 4]. Например, при изготовлении изделий с использованием эпоксидного связующего ТО200 (ТУ 2257-055-59846689-2016, ООО «Итекма», Россия) осуществляют нагрев до 180 ^оС для полимеризации смолы. При этом материал оснастки должен не только выдержать такую температуру и не подвергнуться деструкции, но и сохранять форму с заданной точностью.

Стойкость к химическому воздействию. Оснастка не должна повреждаться растворителями или специализированными разделительными составами. Оснастка должна легко очищаться от остатков смолы и разделительных антиадгезивных составов с помощью растворителей, рекомендуемых для смол.

Устойчивость к механическим воздействиям и ремонтопригодность. Оснастка должна быть стойкой к внешним механическим воздействиям. Причем материал оснастки должен допускать возможность ремонта рабочей поверхности в случае ее повреждения, например, истирания или появления сколов в процессе ее эксплуатации.

Требование низкого значения КЛТР обусловлено использованием высокотемпературных процессов полимеризации заготовок готовых изделий. Причем КЛТР материала оснастки должен быть близок к КЛТР полимерного композиционного материала изделия. Следует отметить, что учёт расширения оснастки в процессе нагрева не гарантирует отсутствие короблений детали после формования [15].

Герметичность. Вакуумирование подготовленной заготовки изделия при ее изготовлении методом вакуумной инфузии требует высокой герметичности материала оснастки. Наличие пор в материале оснастки может привести к появлению дефектов (пузырьков, пор) в конечном изделии.

Результаты и их обсуждение

Сопоставительный анализ часто используемых материалов оснастки представлен в таблице.

В таблице приняты следующие обозначения: «+» – критерий выполняется; «±» – критерий выполняется частично; «–» – критерий не выполняется; k – максимальное количество деталей, которое может быть изготовлено на данной оснастке с учетом ее износа. Стоимость изготовления оснастки приведена относительно оснастки из МДФ с размерами 2×2×2 м.

Анализ существующих на рынке материалов для изготовления оснастки показывает, что при использовании в технологическом процессе высоких температур наиболее целесообразными являются металлы и углепластик. Алгоритм выбора материала оснастки для изготовления элементов конструкции ЛА из ПКМ методом вакуумной инфузии представлен на рис. 1.

Сопоставительный анализ материалов оснастки

	МДФ	Модельный пластик	Дюралюминий (Д16Т)	Сплав Инвар	Стекло-пластик	Углепластик
Стойкость к температуре	–	±	+	+	–	+
Стойкость к растворителям	±	±	+	+	±	±
Стойкость к механическим воздействиям	–	–	±	+	±	±
Ремонтопригодность	±	+	±	±	+	+
КЛТР	±	–	–	+	±	+
Стабильность геометрии	–	±	+	+	±	±
Герметичность	–	±	+	+	±	±
Приведенная стоимость изготовления оснастки (Е)	1,0	2,5±0,3	10,0±1,0	20,0±2,0	7,0±0,7	10,0±1,0
k	1	3	200	300	70	100

Рис. 1. Алгоритм выбора материала оснастки для изготовления элементов конструкции ЛА из ПКМ

Fig. 1. Algorithm of material equipment’s selection for aircraft component manufacturing from composite

Тем не менее следует отметить перспективность использования модельного пластика в качестве материала оснастки. По сути, модельный пластик представляет собой полимерный композиционный материал с дисперсным наполнением. В качестве связующего в этом материале обычно используются полиуретаны различных марок. За счет выбора наполнителя, его концентрации, а также марки полиуретана возможно обеспечить характеристики, удовлетворяющие заданным требованиям технологического процесса. В настоящее время на рынке представлены, в основном, зарубежные марки модельного пластика, которые далеко не всегда удовлетворяют требованиям производства. Например, значительный КЛТР по сравнению с углепластиком и наличие открытых ячеек (пор) (см. таблицу) требуют дополнительных затрат на изготовление технологической оснастки. Пример изготовления оснастки из модельного пластика представлен на рис. 2.

Рис. 2. Изготовление оснастки из модельного пластика: а – заготовка мастер-модели на станке с ЧПУ; б – заготовка для изготовления мастер-модели из модельного пластика на каркасе из МДФ

Fig. 2. Equipment manufacturing from model plastic:a – blank master model; b – blank for the master model manufacturing from MDF

Отдельно следует отметить, что при изготовлении элементов конструкции из стеклопластика и углепластика материал оснастки следует выбирать такой же, что и у детали. Это позволяет, во-первых, обеспечить одинаковые КЛТР, что важно при горячем формовании детали, а во-вторых, устранить коробление детали в процессе ее остывания на оснастке. Однако даже в этом случае не всегда удается обеспечить высокую точность заданных размеров деталей. Например, это может быть связано с использованием «гелькоута» в структуре такой оснастки в отличие от мастер-модели, на которой она располагается (рис. 3).

Рис. 3. Оснастка из углепластика

Fig. 3. Carbon fiber composite equipment

Это, в свою очередь, повышает требования к точности изготовления оснастки, а, следовательно, следует ожидать повышения ее стоимости.

При оценке экономической целесообразности при выборе материала оснастки следует учитывать не только ее приведенную стоимость E (см. таблицу), но и себестоимость (∑) партии деталей, изготовленных с ее использованием:

$\sum = X \cdot n + \frac{k - n + 1}{k} \cdot Y,$ (1)

где X – себестоимость одной детали, Y – себестоимость одной оснастки для изготовления таких деталей, n – количество изготовленных деталей. Например, при себестоимости элемента конструкции ЛА X = 200 000 руб, стоимости оснастки из модельного пластика Y_МП = 50 000 руб, из углепластика Y_УП = 150 000 руб себестоимость партии деталей в 50 шт. составит: $\sum УП$ = 10’076’500 руб, $\sum МП$ = 10’533’333 руб.

Заключение

Проведенный сопоставительный анализ материалов оснастки для изготовления деталей методом вакуумной инфузии позволил формализовать методику выбора материала, наилучшим образом удовлетворяющего требуемым критериям. Следует отметить, что только совокупность технических, технологических и экономических факторов позволяет обосновать целесообразность используемого материала оснастки для конкретного производства элементов конструкции ЛА.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках исполнения обязательств по Соглашению номер 1022041100774-3 / 1022041100496-8 от 03.06.2022.

Acknowledgements

This work was carried out by Russian Ministry of Science and Higher Education Grant No 1022041100774-3 / 1022041100496-8 of 03.06.2022.