«И. М. Колганов, П. В. Дубровский, А. Н. Архипов ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ Часть 1 Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

И. М. Колганов, П. В. Дубровский, А. Н. Архипов

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ,

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

Часть 1

Рекомендовано Учебно-методическим объединением

высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 652100 «Авиастроение»

Ульяновск 2003 УДК 629.73. 002.2 (075) ББК 39.53 я73 К60 Рецензенты : кафедра «Производство летательных аппаратов» Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева и д-р техн. наук, профессор В. А. Барвинок; д-р техн. наук, профессор В. И. Ершов Колганов И. М.

К60 Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Часть1 :

Учебное пособие /. И. М. Колганов, П. В. Дубровский, А. Н. Архипов – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 148 с., ил.

ISBN 5-89146-300- Рассмотрены вопросы технологичности авиационных конструкций с учетом методов изготовления деталей и элементов их конструкции, сборки узлов и агрегатов планера летательных аппаратов, установлены критерии оценки технологичности и пути их повышения. Приводятся принципы обеспечения взаимозаменяемости при проектировании конструкций с повышением технологичности и экономической целесообразности.

Пособие написано в соответствии с программами дисциплин «Конструкция самолетов», «Технология изготовления деталей самолета», «Технология заготовительноштамповочных работ», «Технология сборки самолетов», предназначено для студентов дневной и вечерней форм обучения при выполнении курсовых работ, курсовом и дипломном проектировании, может быть полезным для конструкторско-технологических служб авиационных предприятий.

УДК 629.73.002.2(075) ББК 39.53 я И. М. Колганов, П. В. Дубровский, А. Н. Архипов, Оформление. УлГТУ, ISBN 5-89146-300-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе ……………….….. ПРЕДИСЛОВИЕ ………………………………………………………………...

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ АВИАЦИОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ……………………………………………………………...

1.1. Специфичность задач, стоящих перед разработчиками авиационной техники................………………………………………………............... 1.2. Совершенствование авиационной техники за счет новых материалов.. 1.3. Общие требования по технологичности к проектируемым конструкциям

1.4. Решение задач технологичности на различных стадиях проектирования и изготовления

1.5. Решение задач технологичности в учебном процессе ……………....... 1.6. Количественная оценка технологичности конструкции

1.7. Порядок и методы определения показателей ТКИ

2. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ

ИЗ ЛИСТА …………………………………………………………………….

2.1. Общие рекомендации ………………………………………………........ 2.2. Обеспечение технологичности деталей, полученных в процессе разделительных операций ……………………………………………… 2.3. Технологичность деталей, полученных в процессе формоизменяющих операций …………………………………………………………… 2.4. Технологичность деталей типа обшивок ………………………………. 2.5. Пути повышения технологичности деталей каркаса

3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Применение в конструкциях авиакосмической техники деталей из полимерных композиционных материалов и общие рекомендации по их технологичности

3.2. Особенности изготовления изделий из ПКМ …………………………. 3.3. Изготовление деталей методом выкладки с последующим формованием

3.4. Изготовление деталей методом намотки ………………………............ 3.5. Автоклавное формование и другие методы изготовления деталей ….. 3.6. Конструктивно-технологическая характеристика клеевых швов и факторы, влияющие на качество соединений

4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ КАРКАСА ИЗ ПРОФИЛЕЙ …….…...

4.1. Применение в конструкциях узлов летательных аппаратов деталей из профилей ………………………………………………………................ 4.2. Требования технологичности при изготовлении деталей из прессованных профилей ………………………………………………………..

5. ПРИМЕНЕНИЕ В КОНСТРУКЦИЯХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

РАЗЛИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИХ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

5.3. Требования технологичности при выполнении соединений на сверлильно-клепальных автоматах

5.4. Руководство по технологичности узлов и агрегатов с применением болт-заклепочных соединений

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе :

d по, d о - диаметры отверстий предварительного и окончательного;

D, d - диаметры отбортовок, элементов конструкции;

sо, s, s min - исходная толщина листа, толщина после деформирования листа (пакета), минимальная толщина;

H - высота профиля, детали, элементов конструкции;

H б - высота борта;

h - высота отбортовки, рифта, другие промежуточные размеры по высоте;

B - ширина детали, профиля, элементов конструкции;

Bз - ширина заготовки;

L, Lз - длина элементов конструкции, детали, заготовки;

l - текущие, промежуточные линейные размеры, размеры перемычек и т.п.;

l сб - длина сбега при выполнении подсечек;

b, bб, bш - ширина (высота) полки (ребра), борта, шва;

d з, d б, d бз, d п - диаметр заклепки, болта, болт-заклепки, гайко-пистона;

d ст - диаметр стержня заклепки;

Д, Д г – диаметр закладной и замыкающей головки заклепки;

t - шаг между отверстиями под заклепки, отбортовок и пр.;

(z ) - относительное удлинение при разрыве, зазор в соединении;

- относительное сужение при разрыве;

к -толщина клеевой пленки;

- угол гибки, текущий угол при деформации;

,,, - фиксированные углы деталей при деформации и инструмента;

,,, - угловые отклонения (погрешности);

r, rв, r = r so - радиусы текущий, внутренний по зоне сгиба и относительный внутренний;

R, Rн, R = R sо - радиусы сопряжений, наружный и относительный наружный радиусы по зоне сгиба;

rmin, rmin = rmin sо - минимальный и относительный минимальный радиус гибки;

- радиус кривизны с - расстояние от оси шва до стенки элементов каркаса, размер между элементами детали при деформации;

A - межосевое расстояние, между конструктивными элементами детали;

- погрешность изготовления, несоосность и т.п.;

K, K сл, K н, K о, K об - коэффициент сравниваемых показателей технологичности (комплексный, общий), коэффициент сложности, коэффициент новизны конструкции (нормализации), коэффициент отбортовки, коэффициент обтяжки и т.д.;

Кп – коэффициент панелирования;

T, Tуд - трудоемкость изготовления и удельная трудоемкость;

с уд -удельная технологическая себестоимость;

Cт - технологическая себестоимость;

С – стоимость;

P, Pt, Pn, Pa -действующие усилия : текущее, тангенциальное, радиальное (нормальное), аксиальное;

p, pо, pк - давление текущее, начальное, конечное;

Ми – момент изгибающий;

f, F - площадь поперечного сечения профиля, элемента конструкции, панели (оболочки) и т.п.;

Sпан, Sагр – площадь (поверхность) панели, агрегата;

, - нормальные и касательные напряжения;

a, n, t - нормальные напряжения в осевом (аксиальном), нормальном (радиальном), тангенциальном направлениях;

, 0, 2 - предел текучести (физический, условный);

в, в - предел прочности;

кр - нормальные критические напряжения;

HB, HRCЭ, Н µ - твердость материала по Бринеллю, Роквеллу (эффективная), микротвердость;

E, G - модуль упругости первого рода, второго рода (при сдвиге);

t 0, T 0 - температура текущая в градусах Цельсия и Кельвина;

M = V - соотношение скорости полета и звука;

N, N д - число составных частей (элементов) изделия и число деталей;

ДТМ - директивные технологические материалы;

ПИ - производственная инструкция;

АСТПП - автоматизированные системы технологической подготовки производства;

к - различные относительные коэффициенты;

- коэффициенты удельного влияния различных показателей на технологичность, утолщение материала;

ПКМ - полимерные композиционные материалы;

ТЗ - техническое задание на проектирование;

КФО, БО - координатно-фиксирующие, базовые отверстия;

со, шо, но, ко, ио - соответственно сборочные, шпилечные, направляющие, контрольные и инструментальные отверстия;

ТКИ - технологичность конструкции изделия;

П – припуск технологический;

МЦУ - сопротивление малоцикловой усталости;

СРТУ - скорость роста трещины усталости;

КР - сопротивление коррозионному растрескиванию;

РК - расслаивающая коррозия;

СИ - стесненный изгиб;

ЛА - летательный аппарат;

АКТ - авиационно-космическая техника;

ВВС- военно-воздушные силы;

ГА - гражданская авиация;

КК - космический корабль;

КЭР - конструктивно-эксплуатационный разъем;

КЧК, ЦЧК – концевая, центральная часть крыла;

Мк, мк - масса конструкции планера (агрегата), масса элементов конструкции;

ОКБ - опытно-конструкторское бюро;

НИАТ - Национальный институт авиационных технологий;

ВИАМ - Всероссийский институт авиационных материалов;

ЦАГИ - Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского;

НВ - несущий винт вертолета;

АК - авиационный комплекс; автомат сверлильно-клепальный;

ЗШР - заготовительно-штамповочные работы;

СМ, УСМ - сверлильная машина, угловая сверлильная машина;

СЗУ - сверлильно-зенковальная установка;

КП - клепальный пресс;

ЭКС, ТЭС - электроконтактная, точечная сварка;

СЧПУ - станок с числовым программным управлением

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технологичность как совокупность свойств конструкции изделия, позволяющая оптимизировать затраты труда, средств, материалов и времени при производстве и эксплуатации авиационно-космической техники (АКТ), является одним из важнейших показателей качества. Проектируя самолет, вертолет, космический корабль, ракету, конструктор обязан не только обеспечить их высокие летнотехнические характеристики, надежность и ресурс, но и получить изделие с заданным уровнем качественных характеристик и высокими техникоэкономическими показателями при производстве и эксплуатации.

Совершенство конструкции АКТ в сфере производства определяется выполнением требований производственной технологичности, что сводится к возможности применения при ее изготовлении прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих высокое качество при минимальных затратах средств, труда и времени в процессе конструкторской и технологической подготовки производства и при изготовлении изделий. Именно производственная технологичность характеризует совершенство проектируемой конструкции при равных показателях качества изделия.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия определяется совокупностью таких свойств, которые позволяют снизить затраты средств и времени на техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации при высоком качестве работ, наименьших производственных циклах. Эксплуатационная технологичность конструкции определяется факторами : доступностью к узлам и агрегатам, их взаимозаменяемостью, простотой установки и демонтажа, преемственностью испытательного наземного оборудования, возможностью автоматического контроля функционального назначения агрегатов и систем и др.

В то же время эффективность эксплуатации любого летательного аппарата (ЛА) в значительной степени определяется содержанием и качеством технологических процессов сборки, монтажа и испытаний, то есть, опять-таки, производственной технологичностью.

Охватить все вопросы технологичности в одном учебном пособии задача практически невыполнимая. Ибо для решения вопросов только производственной технологичности необходимо рассмотреть множество технологических процессов, начиная с изготовления деталей и сборки их в узлы, кончая наземной отработкой ЛА; оснащение этих процессов, то есть состав производственной системы предприятия, состав производственного оборудования.

В широко используемом в практике разработки авиационной техники «Руководстве по технологичности самолетных конструкций», четвертое издание которого вышло еще в 1983 году, содержится двадцать одна часть с охватом не только вопросов технологичности конструкции ЛА, но и выбора методов и средств неразрушающего контроля, контролепригодности самолетных конструкций, производственных возможностей технологической оснастки и т.д. Данное руководство устарело, не соответствует современным требованиям даже по своему оформлению. Авторы посчитали возможным подготовить хотя бы первую часть учебного

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ АВИАЦИОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Специфичность задач, стоящих перед разработчиками авиационной Специфика географического и климатического положения России, низкая плотность наземной транспортной сети на значительной протяженности не только Северных, Дальневосточных и Сибирских районов, но и центра России, обусловливают необходимость широкого использования авиационного транспорта.

До 70% территории России не обеспечено достаточно развитой системой наземного и водного транспорта и сегодня примерно 50% пассажирских и грузовых перевозок в этих районах осуществляется авиационным транспортом. При улучшении экономического положения страны этот показатель еще может возрасти.

Объем перевозок (в пассажиро-километрах) авиационным транспортом составляет до 40% общего объема транспортных перевозок [1].

Достижения России, где сосредоточено более 80% научного, технического, производственного потенциала бывшего Министерства авиационной промышленности СССР, в создании авиационной техники общепризнаны. На счету Российской авиации за период 1936-1995 г.г. зарегистрировано 2592 мировых рекорда. На протяжении всей истории авиации Россия (СССР) была в числе ведущих авиационных держав, что дает ей возможность быть равноправным партнером в мировой рыночной сфере, интегрироваться в мировое сообщество высокоразвитых государств, сохранять передовые позиции в мировом авиастроении.

Авиационная техника всегда являлась и будет являться воплощением передовых достижений науки и производства. Она во многом определяет развитие электроники, средств связи, радиопромышленности, электротехники, химии и др.

направлений научно-технического прогресса.

Требования по технологичности к авиационным конструкциям предъявляются, в основном, исходя из специфических особенностей этого вида транспорта и высокой удельной стоимости на каждый килограмм массы. Так, стоимость 1 кг магистрального самолета типа Ту-204 составляет 1050$, бытовой электроники автомобиля - 20$. Эти показатели вытекают из следующих особенностей авиационного транспорта [2] :

большая длительность (до 7-12 лет) разработки самолетов и вертолетов, что означает, что сегодняшние лидеры («Черная акула», МиГ-29, Ту-334, транспортный МиГ-110 и др. разработаны еще в советское время, учеными и конструкторами Советского Союза;

длительная отработка двигателей (должны создаваться на 5-6 лет раньше, чем самолет, на который их ставят) и аэродинамики летательных аппаратов (ЛА), проведение сотен тысяч циклов усталостных испытаний для обеспечения высокой надежности и безопасности;

постоянное ужесточение норм по уровню воздействия на окружающую среду;

необходимость обеспечения высокого технического уровня гражданской авиационной техники с учетом постоянно возрастающих требований по безопасности полетов, совершенствования не только авиационной техники, техникоэкономических и летно-технических характеристик самолетов, вертолетов, но и всей системы авиационных операций, снижение стоимости эксплуатации.

Не менее жесткими являются требования к разработке и производству военного воздушного флота, причем, с повышением его летно-технических характеристик.

Важнейший показатель аэродинамического совершенства самолета – значение максимального аэродинамического качества на крейсерском режиме полета (в диапазоне М = 0,8 … 0,82). За счет методов формирования профилей крыльев, обеспечивающих суперкритическое обтекание при снижении индуктивного и волнового сопротивления, на последних разработках дальних магистральных самолетов (Ил-96, А-340) получено аэродинамическое качество около 20.

Стремление дальнейшего повышения аэродинамического качества до 25 для авиации XXI века связано с необходимостью снижения сопротивления трения, что требует обеспечения ламиниризации пограничного слоя и использования аэродинамической компоновки по схеме «летающее крыло».

Расчетами и экспериментальными исследованиями, а также летными испытаниями, была показана возможность обеспечения ламинарного обтекания и для самолетов нового тысячелетия. Это будет являться одним из важнейших способов повышения технического уровня авиационной техники. Решению данной задачи будут способствовать и наметившиеся разработки в создании самолетов схемы «летающее крыло», причем, большой пассажировместимости. Безусловно, их производство потребует иных подходов при решении вопросов технологичности.

Дальнейшее развитие в последующие годы получит так называемая деловая авиация, или служебного назначения, предназначенная для перевозки спецрейсами небольших групп пассажиров (5…12 чел). Такими представителями являются самолеты типа Т- 101 «Грач», Т- 507 «Скворец» и др. Стремление сделать ее дешевой и простой в эксплуатации также выдвинет в производстве на первый план вопросы технологичности.

Развитие производства широкофюзеляжных самолетов в последние годы связано с решением задач высокой технологичности крупногабаритных деталей, выполняемых монолитными. Рост их грузоподъемности идет согласно геометрической прогрессии с коэффициентом 1,5 … 2,0, что демонстрируют самолеты фирм «Антонов» и «Ильюшин» ряд : Ан-74Т (10т), Ан-12 (20т), Ил-76Т (40т), Илт) и другой ряд : Ан-70Т (30т), Ан-22 (60т), Ан-124 (120т), Ан-225 (250т).

Значит, растут размеры поперечного сечения фюзеляжа и крыла, без повышения монолитности силовых конструкций планера которых создать экономичный самолет невозможно.

Одним из важнейших видов авиационного транспорта являются вертолеты.

Их развитие в будущем за счет роста грузоподъемности и скорости полета привело к необходимости совершенствования аэродинамических характеристик, поиска конструктивных решений по активному управлению обтеканием корпуса вертолета. При сегодняшней максимальной грузоподъемности 20т у вертолета Ми- возможности основной классической схемы с механическим приводом несущего винта (НВ) практически исчерпаны для роста грузоподъемности. Так, ОКБ им.

Н.И.Камова проработан вертолет с реактивным приводом НВ с грузоподъемностью 250 т, а ОКБ им. М.Л.Миля – вертолет трехвинтовой схемы грузоподъемностью до 60т [2].

В новом веке, безусловно, будет продолжен поиск конструктивных решений по созданию новых ЛА вертикального или очень короткого взлета (40 … м). А это будет связано с взаимодействием воздушных и газовых струй с несущими и управляющими поверхностями, что потребует рассмотрения целого комплекса новых технических решений, не исключающих и проблемы технологичности.

Сегодняшнее развитие космонавтики и средств обеспечения заатмосферных полетов уже в ближайшие несколько лет приведет к разработке нового класса авиационного транспорта для вывода грузов на орбиту. Этого требуют и обеспечение обороноспособности страны, и развитие системно-аэрокосмических методов сбалансированного природопользования, и международное сотрудничество в интересах научно-технического прогресса, контроля окружающей среды с целью предохранения ее от разрушения и решения других глобальных проблем человечества. Тут недостаточно будет одних научно-технологических разработок Государственного аэрокосмического объединения им. М.В.Хруничева.

1.2. Совершенствование авиационной техники за счет новых материалов Сложность условий эксплуатации : полеты на около- и сверхзвуковых скоростях, связанные с преодолением «скачков уплотнения» и постоянным изменением аэродинамического характера внешних силовых воздействий, многократно повторяемыми пиковыми нагрузками, форсированными режимами полетов во всепогодных и всеклиматических условиях при резких перепадах температур с обеспечением безопасности полетов, требует нового подхода при проектировании к выбору материала конструкций. Особенно важно учитывать эти особенности при проектировании гражданской авиации, когда первостепенное значение имеют увеличение ресурса и себестоимость, безопасность полетов и комфортность, простота обслуживания и снижение воздействия на окружающую среду.

В современных условиях выбор материала объектов авиационной техники основывается на понятии интегрированного качества материалов. Интегрированное качество авиационных материалов определяется параметрами, важнейшими из которых являются весовая эффективность, надежность, контролеспособность и др.

Весовая эффективность определяется преимущественно характеристиками прочности и жесткости, удельной прочности, акустической прочности для самолетов военно-воздушных сил (ВВС) и космических кораблей (КК) и др.

Характеристики надежности материала : выносливость и сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ); скорость роста трещины усталости (СРТУ), статическая и циклическая трещиностойкость; сопротивление коррозионному растрескиванию (КР), расслаивающей коррозии и другим видам коррозии; совместимость с другими материалами и др., позволяют оценить ресурс и долговечность ЛА.

Требование повышения летно-технических характеристик сверхзвуковых самолетов, высокий уровень нагрузок конструкций в значительном диапазоне знакопеременных воздействующих напряжений потребовали разработки и использования самых современных высокоэффективных конструкционных материалов.

Эту тенденцию развития за двадцатилетие в перспективе до 2010 г. наглядно показывают статистические данные, представленные диаграммой рис. 1.1.

Рис.1.1. Состояние и перспективы использования материалов в авиастроении :

1 – традиционные алюминиевые сплавы; 2 – полимерные композиционные материалы; 3 – титановые сплавы; 4 – алюминиево-литиевые сплавы;

5 – магниевые сплавы; 6 – стали; 7 – теплопрочная сталь; 8 – жаропрочные сплавы; 9 – пожаробезопасный титан; 10 – интерметаллидные материалы, КМ; 11 – материалы с обратной связью; 12 – другие материалы Являясь катализатором научно-технического прогресса как в области фундаментальных (аэродинамика, газодинамика, физика твердого тела, механика и т.д.), так и прикладных наук (материаловедение, двигателе- и приборостроение, авионика и др.), авиационно-космическая техника базируется на новейших достижениях науки и техники, в том числе при выборе материала конструкции :

применение алюминиево-литиевых сплавов, использующих в качестве легирующего элемента литий (массовая плотность 534 кг/м3) обеспечивает снижение массы конструкций при повышении удельной прочности и жесткости за счет повышенного на 5-8% модуля упругости. Их расширение до 20% поддержит долю алюминиевых сплавов в качестве основных авиационных материалов;

расширение в перспективе практически в два раза применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволит наряду с повышением весовой эффективности решить проблемы ресурса при статических и динамических нагрузках. Опыт производства из них деталей и агрегатов на Ульяновском авиационном промышленном комплексе и Воронежском авиационном промышленном объединении является гарантией дальнейшего развития конструкторско-технологических разработок в данном направлении;

в целях повышения ресурсных и теплофизических характеристик, модуля упругости и других свойств, решается задача разработки новых композиционных материалов (КМ) на основе алюминиевых и титановых сплавов с использованием наполнителей : SiC, Al2O3, интерметаллиды и др. Сплавы алюминия, упрочненные порошком карбида кремния SiC, имеют прочность до 650 … 700 МПа и повышенный модуль упругости Е - 130-140 ГПа, то есть в два раза выше, чем у матричного сплава при росте массовой плотности всего на три процента. Легкие жаропрочные сплавы на основе химических соединений титана с алюминием – алюминиды (Ti3,Al, TiAl, TiAl3) по высокотемпературной прочности сравнимы с жаропрочными никелевыми сплавами при значительно меньшей плотности;

перспективным направлением является создание материалов и конструкций, решающих задачи борьбы с шумом при заданной несущей способности и минимальном увеличении массы. Такие материалы необходимы не только для применения в двигателестроении;

с позиций обеспечения безопасности полетов пассажирских самолетов необходимы материалы с повышенной долговечностью. К таким относятся металлоорганопластики – алоры. В конструкциях из алора трещина достигнет своего критического значения при числе полетов ЛА в пять раз большем по сравнению с традиционными материалами [3] и т.д.

Работа по созданию и применению в конструкциях ЛА новых материалов не может вестись в отрыве от проблем технологичности. Изготовление из них деталей и узлов не должно приводить к повсеместному переоборудованию производственной системы предприятий.

Таким образом, перед конструкторами и технологами, создающими многообразие авиационно-космической техники, стоят сложные задачи по реализации все возрастающих к ней требований в области аэродинамики, конструкции и, конечно, производства.

1.3. Общие требования по технологичности к проектируемым При отсутствии развития ранее выполненных разработок по технологичности самолетных конструкций [4] студентам авиационных специальностей вузов приходится пользоваться весьма объемным трудом коллектива авторов, с приглашением и авиационных специалистов В.И.Ершова, д-ра техн. наук; В.В.Павлова, д-ра техн. наук; Л.А.Хворостухина, д-ра техн. наук и др., в котором изложены сведения о методических основах обеспечения и оценки технологичности конструкции изделий, требования к производственной, эксплуатационной и ремонтной технологичности и т.п. применительно к изделиям машиностроения вообще [5].

Главными факторами, определяющими требования к обеспечению технологичности конструкций любого изделия (ТКИ) являются : вид изделия, его конструктивная сложность, новизна конструкции, характеристика исходных материалов, стадия разработки [5].

Вид изделия определяет исходные конструктивные и технологические признаки, обусловливающие основные требования к обеспечению ТКИ; способ изготовления или сборки изделия, группирование по общим конструктивным признакам, условия комплектации изделия, полноту и завершенность конструктивного исполнения, тип производства.

По составу и структуре «изделия» могут представлять деталь, сборочные единицы, комплексы и комплекты, общие требования по технологичности к которым, безусловно, будут различными. Студентам в процессе обучения в вузе приходится иметь дело преимущественно с деталями и сборочными единицами. чему и посвящено данное учебное пособие.

Конструктивная сложность изделия существенно влияет на его ресурсоемкость и учитывается при расчетах трудоемкости проектирования по данным аналога. Сложность конструкции часто выражают числом образующих изделие составных частей или конструктивных элементов и характеризуют коэффициентом конструктивной сложности где N, N a - число составных частей (элементов) соответственно разрабатываемого образца и аналога. Если N a соответствует предельно допустимому числу составных частей (элементов), то 0 < К сл 1.

Новизна конструкции изделия, что является важным требованием к разрабатываемым студентами дипломным проектам, в первую очередь, по научноисследовательской тематике, определяет конструктивные признаки, обусловливающие требования к обеспечению преемственности конструкции. Это обязательно повлияет в условиях производства на выбор рационального состава стадий и этапов технологической подготовки производства.

Являясь абсолютной характеристикой изделия, новизна его конструкции может быть также выражена относительным показателем где N н - число новых составных частей (элементов) в исполнении разрабатываемого образца, 0 К н 1.

Повысить эффективность разработки изготовления при повышенных значениях К н можно при расширении унификации входящих в изделие элементов конструкции, типизации структурных компоновок, группового проектирования и т.п.

Характеристика исходных материалов, выбираемых для изготовления изделия, о чем подчеркивается в п.1.2, является определяющей к обеспечению технологической рациональности и преемственности конструктивных элементов изделия. Хотя требование уменьшения в конструкции ЛА номенклатуры материалов является одним из важнейших, все же исключать возможность выбора материала, позволяющего применять рациональные технологические методы и высокопроизводительные средства технологического оснащения процессов изготовления, применения прогрессивных технологических процессов и операций, нельзя.

Роль стадии разработки в определении требований к обеспечению ТКИ существенна не только для производственных условий. В учебном процессе значительная часть курсовых проектов, а тем более, курсовых работ, не выходит из пособия, крайне необходимую в учебном процессе подготовки авиационного инженера.

В данной работе рассматриваются вопросы производственной технологичности (далее «технологичности»), в основном, при изготовлении деталей из листа и профилей, технологичность узлов и агрегатов планера, в которых эти узлы используются, в незначительной степени технологичность других элементов конструкции, в основном применительно к самолетам гражданской авиации, выполняемым студентами курсовым и дипломным проектам.

Технологичность не является абсолютным свойством конструкции. Поскольку для различных типов производства оптимальными оказываются различные технологические процессы, конструкция, являющаяся технологичной, например, для крупносерийного производства, может оказаться совершенно нетехнологичной в условиях мелкосерийного производства. Технологичные в определенный период времени изделия могут через несколько лет оказаться нетехнологичными в связи с появлением новых эффективных технологических процессов и средств их реализации. Однако к конструкции ЛА могут предъявляться требования, выполнение которых улучшает технологичность при любых объемах выпуска и условиях производства. Этим вопросам в большей степени и посвящена данная работа.

Поэтому при оценке технологичности конструкции учитывают тип производства и объем выпуска изделий, конкретные условия их производства и перспективы развития технологической науки и производства на ближайшую перспективу. Изложенные в учебном пособии материалы будут полезны не только студентам вузов, но и как конструкторам, так и технологам предприятий авиационной промышленности.

Авторы считают своим долгом выразить искреннюю признательность коллективам технологических служб АО «Авиастар» и Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения им. Ю.А.Гагарина за возможность использовать результаты их разработок.

Особенную благодарность выражают рецензентам профессору, доктору технических наук В.А.Барвинку и коллективу кафедры «Производство летательных аппаратов» Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королева; доктору технических наук, профессору В.И.Ершову за ценные советы при подготовке учебного пособия к изданию.

стадии эскизного проектирования, когда проводится проработка основных составляющих элементов оптимального варианта объекта проектирования и принципов их взаимодействия. Но и здесь игнорировать общие требования по технологичности конструкции недопустимо.

В дипломном проекте студент обязан реализовать принятые технические решения соответственно разработанному технологическому заданию (ТЗ), всесторонне проработать модели объекта, получить полное представление об устройстве, принципе работы объекта и максимально реализовать требования по ТКИ.

Уже при разработке технического задания, определяющего целенаправленность и рациональную последовательность проектирования изделия, учитываются общие требования по ТКИ с формированием его качественных характеристик.

При проектировании конструкций самолетов и вертолетов для обеспечения технологичности необходимо выполнять следующие общие требования :

1. Простота форм поверхностей агрегатов. Поверхности двойной кривизны стремиться заменять поверхностями одинарной кривизны (для крыльев, оперения), круглыми цилиндрическими поверхностями (средняя часть фюзеляжа пассажирского самолета) и круглыми коническими поверхностями (хвостовая часть фюзеляжа) (рис.1.2) [6]. При этом упрощается работа по расчерчиванию плазов, расширяется степень унификации и типизации конструкции, снижается трудоемкость проектирования и изготовления технологической и контрольной оснастки, уменьшается номенклатура потребного специального оборудования. В случаях невозможности выполнения приводимых рекомендаций по соображениям аэродинамики или компоновки, поверхности двойной кривизны необходимо задавать математически.

Рис.1.2. Членение высокотехнологичного фюзеляжа на отсеки (секции) с однородным характером поверхностей : 1,7 – поверхности вращения;

2,6 – коническая поверхность; 3,5 – поверхность двойной кривизны;

4 – цилиндрическая поверхность; 8,9 – верхняя и нижняя секции отсека 4;

10 – выгодная в конструктивно-эксплуатационном отношении, нетехнологическая конструкция отсека фюзеляжа грузового самолета 2. Оптимальное конструктивно-технологическое членение планера, то есть разбивка конструкции на агрегаты, секции, панели, узлы, позволяющая расширить механизацию и автоматизацию технологических процессов, но не приводящая к повышению массы ЛА за счет роста числа стыковых соединений. При этом должна быть соблюдена функциональная независимость и конструктивная законченность сборочных единиц [4].

3. Ограничение количества применяемых марок и сортамента материалов, что позволит снизить объем работ по освоению процессов обработки и сборки, по проектированию технологических процессов, упростит организацию серийного производства и его материально-технического обеспечения, обслуживание рабочих мест. Необходимо максимально использовать материалы с высокими технологическими свойствами (штампуемость, способность к пластическому деформированию, свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением и др.).

При этом появляется возможность интенсифицировать процессы обработки и сборки, снизить трудоемкость изготовления ЛА.

4. Использование модульного принципа создания новых изделий из унифицированных узлов и агрегатов, обладающих функциональной взаимозаменяемостью с расширением применения унифицированных, нормализованных и стандартизованных деталей. Такие элементы конструкции можно производить на специализированных предприятиях, обеспечивающих высокомеханизированные и автоматизированные процессы изготовления с высоким качеством при снижении себестоимости.

5. Максимальная конструктивная преемственность, то есть использование при проектировании новых конструкций ЛА деталей, узлов и агрегатов, применявшихся или применяемых в ранее созданных изделиях, показавших высокую работоспособность. Такая преемственность конструкций позволяет сократить затраты на конструкторскую и технологическую подготовку производства, повышает качество их изготовления и технико-экономические показатели при освоении и серийном производстве.

6. Максимальное соответствие конструктивного оформления деталей и подсборок требованиям прогрессивных технологических процессов их изготовления и сборки, наличие подходов для механизированной и автоматизированной обработки и выполнения соединений, назначение оптимальных значений по точности изготовления и взаимозаменяемости, чистоте обработки поверхностей и др.

Снижение на один класс точности и допустимой шероховатости позволяет примерно вдвое уменьшить затраты на механическую обработку.

Применение технологических компенсаторов для снижения требований точности увязки сопрягаемых элементов конструкции и обеспечения возможности сборки без подгоночных работ повысит технико-экономические показатели серийного производства, в том числе цикл освоения изделия при запуске.

7. Ориентация конструкций на определенный метод сборки, обеспечивающий заданные показатели качества при относительном повышении техникоэкономических показателей. Конструктор при проектировании сборочных единиц должен приспосабливать их к оптимальному методу сборки, широко использовать базирование по координатно-фиксирующим и базовым отверстиям (КФО, БО), возможности автоматизации сборки и т.д. В местах расположения КФО (БО) в монолитных конструкциях необходимо предусматривать усиления для компенсации ослабления отверстиями и удобства фиксации в сборочной оснастке.

8. Возможность применения объективных и высокопроизводительных методов контроля точности размеров и геометрических форм поверхности, элементов конструкции и качества соединений, испытаний на функциональное назначение агрегатов бортовых систем и др.

Конструкцию ЛА, в данном случае самолета, нельзя рассматривать как арифметическую сумму технологичных деталей и узлов (подсборок). Нередко стремление на практике повысить технологичность и уменьшить затраты на каждой стадии производства без анализа влияния на других этапах технической подготовки производства не дает общего повышения технико-экономических показателей изготовления изделий. Поэтому создание технологичных конструкций требует комплексного подхода, учитывающего требования всех стадий производства изделий.

1.4. Решение задач технологичности на различных стадиях проектирования и изготовления Работы по технологичности проводятся на всех стадиях проектирования летательного аппарата. Наибольшее значение в обеспечении высокой технологичности имеют этапы первоначальной работы над конструкцией изделий : техническое предложение, эскизный проект, когда решаются принципиальные вопросы выбора конструктивной схемы, конструктивно-технологического членения, проводятся проектировочные расчеты, ведутся сравнительные анализы существующих конструкций.

На стадии разработки технического задания прорабатывают новейшие достижения в области конструирования и технологии и устанавливают возможность их использования в проектируемом изделии, анализируют данные о технологичности аналогичных конструкций, сравнивают задаваемые изделию технические характеристики с соответствующими характеристиками аналогов, определяют состав и значения базовых показателей, которые необходимо реализовать при проектировании ЛА.

На следующей стадии проектирования при разработке технического предложения имеют несколько вариантов принципиальных схем проектируемого изделия, проводят сравнительный анализ технологичности с позиций осуществления рационального членения, возможности расширения использования унифицированных и стандартизированных деталей, узлов и агрегатов, применения типовых технологических процессов и средств их обеспечения, возможности ограничения номенклатуры материалов.

На стадии эскизного проекта разрабатывают директивные технологические материалы (ДТМ), в которых приведены подробно разработанная схема конструктивно-технологического и эксплуатационного членения, обоснование выбора материалов, схема базирования основных элементов конструкции и последовательность их установки при сборке, директивные технологические процессы на новые виды обработки и сборки, укрупненная схема сборки и т.д. Приведенные в ДТМ требования к конструкции изделия являются основополагающими при разработке технического проекта.

Технический проект содержит окончательные решения по конструкции изделия. При этом выполняется количественная оценка технологичности по большому количеству основных и вспомогательных показателей, ведется тщательный технологический контроль и корректировка разработанного при эскизном проектировании чертежа общего вида ЛА, подробно разработанной компоновки, а также сборочных чертежей агрегатов и узлов, после чего ведется разработка рабочей конструкторской документации.

На этапе разработки конструкторской документации узлов и деталей вопросам технологичности придается первостепенное значение, ибо им необходимо придать такие геометрические параметры, выполнение которых не встретит затруднений в производстве. Если учесть, что количество деталей у широкофюзеляжных самолетов большого тоннажа доходит до 120 тысяч, то выполнить для каждой из них требования технологичности очень не просто. Необходима оценка по трудоемкости изготовления, коэффициенту использования материала, себестоимости и т.д.

При анализе технологичности различных вариантов конструкции могут использоваться два метода :

а)в качестве критерия оптимизации используют один наиболее важный для данных условий показатель технологичности. Предпочтение отдают варианту с наилучшими значениями этого показателя при условии, что остальные не выходят за установленные пределы;

б) технологичность оценивают по комплексному показателю К, который учитывает ряд дополнительных k1, k2 … kn и их различную значимость 1, 2 и т.д. в составе комплексного показателя где 1, 2... n - коэффициенты удельного влияния (доли значимости) дополнительных показателей Создание нового самолета, вообще летательного аппарата, ведется на основе широких теоретических и экспериментальных исследований, сопровождается отработкой его форм в аэродинамических лабораториях, работоспособности новых приборов, систем, аппаратуры в технически хорошо оснащенных лабораториях. Причем, опытные конструкторские бюро (ОКБ) обслуживаются рядом отраслевых научно-исследовательских институтов. Решением вопросов технологичности занимается «Национальный институт авиационных технологий (НИАТ)».

Отработка конструкции на технологичность [7,8] ведется не только при проектировании самолетов, но и при изготовлении его опытных образцов и первых серий, даже в процессе освоения серийного производства. Только в результате выполнения этих работ обеспечивается требуемый уровень технологичности конструкции.

1.5. Решение задач технологичности в учебном процессе Вопросы технологичности рассматриваются при изучении всех учебных дисциплин технологической направленности. В учебной программе, например, по технологии сборки самолетов при изучении темы «Технологическое проектирование сборочных работ» прорабатывается : директивные технологические материалы, порядок их разработки, применение; порядок отработки технологичности конструкции; оценка эффективности технологических процессов [9]. Анализ и оценка технологичности объекта сборки ведутся при проведении большинства лабораторных работ в условиях производства.

Например, содержание лабораторной работы «Технологический процесс сборки панели. Исследование метода базирования, качества соединения и точности сборки» включает при бригадном методе ее проведения одно из индивидуальных заданий «Изучение конструкции панели, ее эскизировка, анализ технологичности». Нельзя обойтись без оценки технологичности объектов сборки и при проведении лабораторных работ «Исследование методов клепки различными способами с применением механизированного инструмента», «Изучение и исследование технологических процессов постановки спецзаклепок» и др. Именно технологичность конструкции определяет, какие и почему применяются инструмент и оснастка.

До проведения всего комплекса лабораторных работ со студентами проводится практическое занятие «Методика проведения и отчетности по лабораторным работам. Анализ и оценка технологичности объекта сборки» [10]. Если панель можно изготовить с заданной точностью по аэродинамическим обводам, с высоким качеством клепки, в установленные сроки, с наименьшей стоимостью, значит, она высокотехнологична.

Известно, что отработка конструкции на технологичность является одной из основных частей технологической подготовки производства. Это студенты, готовящиеся стать технологами авиационного производства, прекрасно понимают и при прохождении производственных практик, обязательно проводят анализ технологических возможностей производственной системы предприятия, имея индивидуальные задания подобно следующим : «Исследование возможности сборки передней секции Ф-3 (шп.13-18) самолета Ту-204-100 с повышением технологичности, обеспечением взаимозаменяемости по багажной двери», «Повышение технологичности сборки шп.104 самолета Ан-124-100 при расширении механизации и автоматизации, совершенствовании оснастки», «Совершенствование технологического оснащения изотермической штамповки с повышением технологичности деталей типа «Лопатка» реверса Д-90А» и т.п.

Такие задания определяют содержание курсовых проектов, для выполнения которых и проводятся производственные практики.

При оценке технологичности объекта сборки, в том числе в ходе курсового и дипломного проектирования, исследуются [10]:

1. Простота геометрических форм сборочной единицы (панели, лонжерона, шпангоута и т.п.). Безусловно, сложная геометрия поверхностей, какие имеют, например, зализы стыка крыла с фюзеляжем, проигрывает панелям одинарной кривизны по технологичности, так как требует усложненной оснастки для сборки, усложняет схемы увязки заготовительной и сборочной оснастки для обеспечения точности по аэродинамическим обводам, не позволит вести групповую клепку на прессе и т.д.

2. Рациональность членения на узлы, подузлы. В большей степени данный фактор относится к сложным объектам сборки : фюзеляжу, его частям, крылу и т.п., то есть к агрегатам. Однако рациональность членения устанавливается при разработке схемы членения заданного узла в курсовом проекте (рис.1.3), и при выполнении лабораторных работ, связанных со сборкой таких узлов и агрегатов (рис.1.4).

3. Вид и конструкция стыковых узлов, способ соединения сопрягаемых поверхностей. Контурные (фланцевые) стыки панелей более технологичны, чем фитинговые. Соединения с использованием герметичных заклепочных швов нетехнологичны. Менее технологичны болтовые соединения по сравнению с болтзаклепочными, а последние - по сравнению с заклепочными. Соединения заклепками-стержнями более технологичные, чем стержневыми заклепками. Применение в одном стыковом соединении, как и в конструкции узла, заклепок разного диаметра снижает технологичность и т.п.

4. Унификация параметров деталей, входящих в сборочную единицу. Например, в конструкции панели заклепки разных диаметров; подсечки по стрингерам имеют разную длину сбега lсб, глубину h и радиусы; разные радиусы закруглений по стрингерам, разные скосы по стыкам стрингеров, ширина полок и сечение стрингеров и т.д. делают конструкцию нетехнологичной (рис.1.5).

5. Номенклатура используемых материалов, их технологические свойства.

Повышают технологичность материалы, обеспечивающие прогрессивные методы изготовления (штампуемость, свариваемость, обрабатываемость давлением и т.д.), не опасные с позиции концентрации напряжений. Исследуется количество разных материалов в конструкции узла (агрегата). Чем шире номенклатура материалов, тем обычно менее технологична конструкция.

Приведенные факторы относятся к группе качественных показателей.

Оценка по ним технологичности конструкции является первоначальной и производится студентами, как правило, до количественной оценки при изучении всех конструкторских и технологических дисциплин учебного плана подготовки инженеров по специальности «Самолето- и вертолетостроение».

Качественные показатели устанавливаются с использованием инженерновизуальных методов оценки ТКИ, при сравнении вариантов конструктивного исполнения изделий : «хорошо-плохо», «лучше-хуже», «допустимо-недопустимо», «технологично-нетехнологично» и т.п. При этом возможно установить как лучший вариант исполнения, так и целесообразность затрат времени на определение численных значений показателей ТКИ всех сравниваемых вариантов.

Рис. 1.3. Схема технологического членения низинки шпангоута №64 широкофюзеляжного самолета Ан-124:

1, 2 – узлы монолитные; 3, 4 – пояса нижний и верхний; 5 – стенка из двух частей; 6, 8 – профили окантовочные; 7, 9 – профили жесткости; 10, 11, 12, 13 – кронштейны Рис. 1.4. Схема членения отсека фюзеляжа самолета Ту-204: 1 – центроплан, 2 – панель верхняя, 3 – секция панели верхней; 4 – панель нижняя, 5- секция панели нижней; 6 – панель оконная; 7 – панель надцентропланная; 8 – шпангоут усиленный; 9 – обод шпангоута монолитный; 10 – шпангоут с гермостенкой; 11- плато герметичное; 12 – перегородка шассийная; 13 – шпангоуты нормальные Рис. 1.5. Оценка параметров деталей (конструкции) с позиции технологичности:

а, в, д - технологичные конструкции; б, г, е – нетехнологичные конструкции; в, г – конструкция наклонного ребра; ж – подсечка стрингера;

з – элементы концевых участков стрингеров. 1 – балка силовая; 2 – обшивка; 3 – дуга шпангоута; 4 – компенсатор; 5 – шов болт-заклепочный Качественной оценке могут быть подвергнуты одно исполнение изделия, что имеет, например, место при проведении лабораторных работ в условиях производства по конкретному заданию, или совокупность его исполнений, чем студенту приходится заниматься при разработке конструкций в курсовых и дипломных проектах. Качественная оценка нередко ведется одновременно с количественной и их совместимость не противоречит на любой стадии проектирования изделий.

1.6. Количественная оценка технологичности конструкции Количественная оценка основана на инженерно-расчетных методах и проводится по конструктивно-технологическим признакам, может производится по планируемым показателям, когда техническим заданием установлены базовые показатели ТКИ, и по непланируемым показателям - при возникновении альтернативы ТКИ для выбора наиболее рационального конструктивного решения из ряда равноценных по рассматриваемым свойствам.

Необходимость количественной оценки технологичности проектируемой конструкции, номенклатура показателей и методика их определения устанавливаются в зависимости от вида изделия, типа производства и стадии разработки конструкторской документации. Рассчитываемое количество показателей должно быть минимальным, но достаточным для оценки технологичности.

Принципиальная схема оценки представлена на рис.1.6 [5].

Рис.1.6. Схема количественной оценки технологичности конструкции изделия Инженерно-расчетный метод оценки ТКИ представляет совокупность приемов по определению и сопоставлению расчетным путем численных значений показателей ТКИ проектируемой конструкции «К» и соответствующих показателей, принятых в качестве базы для сравнения «Кб».

Наиболее распространены методы абсолютной, относительной и разностной оценки ТКИ с установлением следующих показателей :

абсолютного показателя ТКИ сравнительного показателя (уровня) ТКИ разностного показателя ТКИ Укрупненная блок-схема алгоритма обеспечения ТКИ с учетом результатов количественной оценки приведена на рис.1.7.

Все многообразие показателей ТКИ, которые возможно просчитать, целесообразно свести к семи группам : технологической рациональности конструкции изделия; преемственности конструкции; ресурсоемкости изделия; производственной ТКИ (технологичности); эксплуатационной ТКИ; ремонтной ТКИ; общей ТКИ.

Так оценка технологической рациональности конструкции может быть произведена коэффициентами : Ксл – сложность конструкции изделия; Ксб – особенность и целесообразность метода сборки; Кл.с. – легкосъемность составных частей; Кд – доступность мест обслуживания; Кк – контролепригодность; Кр.д. – распределение допуска между изготовлением и монтажом и т.д.

Показатели преемственности конструкции изделия отражают изменяемость и повторяемость его составных частей и их компоновки, конструктивных элементов и материалов. Проектирование любого самолета и вертолета обязательно идет с учетом данных показателей. Так появляются семейства самолетов «Ту», «Ил», «Як», «Ан», вертолетов «Ми», «Ка» и т.п.

Новизну конструкции изделия оценивают коэффициентом Кн, применение унифицированных или стандартных составных частей - К пр.ч. ; применяемость в изделии материалов К пр ; типизацию конструктивного исполнения коэффициентом К тип. и др.

Важнейшими в оценке ТКИ являются показатели ресурсоемкости. Их используют для определения величины затрат ресурсов (труда, энергии, времени, материалов и др.), то есть для оценки воплощенных в конструкции изделия затрат ресурсов определенного вида : материалоемкости, энергоемкости, трудоемкости и т.п.

Из показателей производственной ТКИ особую значимость имеют : трудоемкость изделия в технической подготовке производства Tт.п.п. ; трудоемкость в изготовлении Tи ; трудоемкость изделия в монтаже вне предприятия-изготовителя Tм ; материалоемкость изделия в изготовлении М и ; продолжительность технической подготовки производства изделия т.п.п. ; энергоемкость в изготовлении Эи ;

технологическая себестоимость изделия в изготовлении Си и др.

Проектирование конструкции изделия Рис.1.7. Блок-схема алгоритма обеспечения ТКИ по результатам ее количественной оценки Показатели общей ТКИ по всем областям проявления представляют в виде удельных значений : удельная трудоемкость изделия Т уд ; удельная материалоемкость М уд ; удельная энергоемкость изделия Э уд ; удельная технологическая себестоимость С уд. Они применяются для обеспечения сопоставимости свойств и показателей однотипных изделий, обладающих различными значениями главных параметров или реализующих различный полезный эффект [5].

Используют при оценке ТКИ и частные /единичные/ показатели. Например, при оценке шероховатости поверхности, которая оказывает решающее влияние на величину затрат труда в процессе изготовления.

В учебном процессе, даже при выполнении дипломных проектов по научноисследовательской тематике, не может появиться необходимость количественной оценки ТКИ по всем выше приведенным показателям. Наиболее реально проводить оценку показателей производственной технологичности по трудоемкости изготовления Т или технологической себестоимости Ст.

Особенно важно исследовать показатели технологичности при оценке объекта сборки по тем показателям, которые существенно влияют на содержание и объем сборочных работ, повышают их эффективность.

1.7. Порядок и методы определения показателей ТКИ Процесс определения показателей ТКИ в общем случае реализуется в следующей последовательности : определение исходных данных и их анализ; обработка результатов анализа исходных данных; выбор номенклатуры показателей ТКИ; расчет численных значений показателей ТКИ.

Определяя исходные данные, устанавливают : вид изделия, новизну и сложность конструкции, типовые конструкции и аналоги, объем выпуска и тип производства, предприятие-изготовитель, состояние производственной системы которого необходимо учитывать при выборе показателей технологичности. В процессе анализа исходных данных исследуются статистические данные по типовым конструкциям и аналогам; целесообразность применения новых материалов, конструктивных решений и технологических процессов; технологические возможности предприятия-изготовителя и т.п.

Выбор показателей ТКИ призван обеспечить совершенствование конструкции изделия. Рекомендуемый ГОСТ 14.201-83 [7] для применения в зависимости от вида изделия и стадии разработки перечень показателей ТКИ приведен в табл.1.1. [5]. В принятых обозначениях Т – обязательное определение значения показателя точными методами; П – обязательное определение показателя укрупненными методами; Н – необязательное определение показателя в общем случае.

Индексы указывают для какого вида изделия значение показателя определяется на данной стадии разработки конструкторской документации.

Необходимость определения показателей, отмеченных знаками применяемости в табл.1.1, устанавливается для каждого конкретного изделия стандартами отрасли или предприятия, с учетом тенденций развития данной и смежных обласТаблица 1.1. Рекомендации по применению показателей ТКИ в зависимости от вида изделия и стадии разработки нии живании (средняя) лоемкость) изделия делия в изготовлении Технологическая себестоимость в техническом обслуживании (средняя) ментов риала тей техники, потребностей потребителей, данных научного и инженерного прогнозирования.

Базовые и достигнутые показатели, а также показатели уровня ТКИ вносят в карту технического уровня и качества изделия.

В общем случае для определения показателей ТКИ используют следующие расчетные зависимости :

общий (суммарный) показатель ТКИ структурный показатель ТКИ удельный показатель ТКИ относительный показатель ТКИ сравнительный показатель ТКИ где I – общее число рассматриваемых свойств, образующих ТКИ;

N - выборочное число свойств из общей их совокупности;

P - главный (определяющий) параметр изделия или реализуемый им полезный Кб - базовый показатель ТКИ (исходный, плановый).

Эти зависимости пригодны для расчета показателей ресурсоемкости различных видов.

При оценке технологической рациональности конструкции используют :

коэффициент сборности (собираемости) где Е – число сборочных единиц в изделии; N д - число деталей в изделии.

Коэффициент доступности мест обслуживания определяется по формуле :

где То – трудоемкость изделия в основных операциях изготовления (технического обслуживания, ремонта);

Твсп – трудоемкость изделия во вспомогательных операциях.

Коэффициент контролепригодности определяется где То.к. – трудоемкость в основных операциях технического контроля (диагностирования);

Твсп.к. – трудоемкость изделия во вспомогательных операциях технического контроля (диагностирования).

Коэффициент распределения допуска между изготовлением и монтажом определяется по формуле :

где п – погрешность изготовления (суммарный допуск на отклонение формы и м – монтажный допуск.

Аналогичные расчетные формулы используются для оценки технологичности и по другим группам показателей ТКИ. Однако в практической деятельности студентам можно ограничиться расчетом следующих показателей, характеризующих технологичность изучаемых и разрабатываемых конструкций ЛА.

1. Показатель уровня технологичности где Т, н-ч ; Тб, н-ч – трудоемкость в нормо-часах соответственно по новому (разрабатываемому) технологическому процессу и существующему, принятому за базовый;

Ст, Стб, руб – технологическая себестоимость проектируемого изделия и базовый показатель себестоимости (существующий на предприятии или заданный руководящими документами).

Если Ку.т. и Ку.с. меньше единицы, то конструкция технологична. Эти основные показатели технологичности на ранней стадии проектирования изделий (эскизном проекте) определить затруднительно, а часто совсем невозможно. Студенту даже проще их исследовать, ибо он за точность или объективность оценки конструкции ответственность не несет.

Большую определенность в учебных проектах и при выполнении лабораторных работ имеют дополнительные показатели технологичности [10, 11].

2. Коэффициент удельной трудоемкости :

где Т, н-ч - трудоемкость;

М, кг - масса проектируемого изделия (объекта сборки).

Снижение показателя Кт делает конструкцию более технологичной. А это значит, что повышение монолитности конструкции, снижая трудоемкость сборочных работ, делает изделие более технологичным.

3. Коэффициент монолитности конструкции :

где М, кг – масса сборочной единицы (изделия);

Nд – число деталей (кроме крепежа). Чем выше Км, тем более технологичен объект сборки.

Использование монолитных, монолитно-сборных, сотовых конструкций, крупногабаритных штамповок и отливок, деталей из листов и профилей, прессованных заготовок сложной формы повышает технологичность с позиций сборки, хотя не всегда они оказываются технологичными с позиций механообработки, их изготовления и т.п. Например, панели «вафельной» конструкции, широко используемые в изделиях АО «Авиастар», нетехнологичны в изготовлении из-за низкого коэффициента использования материала (КИМ).

4. Коэффициент использования материала :

где mд и mр – соответственно масса детали (изделия) и затраченного на изготовление (расход) материала. В курсовых и дипломных проектах по мехобработке, как и в производственных условиях, при оценке технологичности такой показатель обязательно просчитывается. Чем он выше, тем технологичней деталь (узел), так как повышает экономичность технологических процессов.

5. Коэффициент панелирования :

где Fп, F – площадь поверхности панелей и всего самолета, кв.м; пс.т.п., Nс.т. – соответственно число силовых точек на панелях (заклепок, болтов, сварных точек) и на самолете (агрегате).

При проектировании самолета (вертолета) оценить степень панелирования каждого агрегата необходимо. Основы теории панелирования самолетных конструкций разработаны Е.П.Шекуновым [12]. Им предложена методика определения оптимального числа панелей, основанная на сравнении относительных техникоэкономических показателей при различных вариантах членения агрегатов и отсеков на панели в различных схемах сборочного процесса. Экономические показатели панелированной конструкции существенно выше, чем непанелированной.

Тем более, что технологические стыки в конструкции неизбежны из-за ограниченных размеров листов, отливок, моноконструкций и т.п.

В дипломных проектах студенты имеют возможность оценить степень панелирования агрегата (секций), ибо получают опыт анализа при проведении лабораторных работ по сборке панели и агрегата, а многие и при курсовом проектировании.

6. Показатель уровня нормализации где Nн и N – число нормализованных (унифицированных) деталей и общее их число в объекте сборки;

Мн, М – соответсвенно их масса.

Данный показатель рассчитывается как для объекта сборки (изделия), так и для средств технологического оснащения. Чем выше Кн, тем более технологична конструкция.

7. Коэффициент прессовой клепки где ппр.к и пз – число заклепок, доступных для прессовой клепки и общее число заклепок в исследуемом объекте.

Увеличение Кпр.к до единицы позволит снизить и трудоемкость, и цикл сборки, которые являются важнейшими показателями эффективности сборочных работ.

Аналогично вышеприведенным могут рассчитываться и уровень автоматической клепки Кавт в объекте сборки, и коэффициент точности сборки Кточн, и коэффициент шероховатости поверхности Кш.п. и т.д. Конструкция, позволяющая использовать клепку на автоматах, будет в большей степени удовлетворять требованиям технологичности. Если заданные показатели качества возможно обеспечить при менее жестких значениях Кточн и Кш.п., то конструкция считается более технологичной.

Номенклатура показателей технологичности должна быть минимально необходимой. Например, при анализе технологичности любой панели (см.

рис.1.4), являющейся объектом исследования при выполнении лабораторной работы №1 по технологии сборки самолетов, студенты оценивают : геометрические формы (габариты, кривизну по поперечному и продольному сечениям, параметры подкрепляющих стрингеров), номенклатуру материалов, вид и параметры заклепок, рациональность членения, использование монолитных конструкций и т.д.

(качественная оценка) и могут количественно установить Км, Кпр.к, а также возможность перевода для клепки на автоматах «АК» или «Джемкор».

Студенты анализ технологичности при выполнении курсового проекта по технологии изготовления деталей самолета проводят, рассчитывая Ку.т., Ку.с., Ки.м.

и Кточн ; при выполнении курсового проекта по сборке самолетов – аналогично приведенным при анализе технологичности панели. Важно обеспечить объективность оценки, чему необходимо научиться в процессе обучения.

2. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ

ИЗ ЛИСТА

2.1. Общие рекомендации В конструкции самолета, как и любого летательного аппарата, значительная часть деталей изготовляется из листового материала : детали, оформляющие наружный контур (обшивки, нервюры, обтекатели, двери, люки и др.); многие детали внутреннего набора и оборудования (полы, перегородки, приборные щитки и панели, панели интерьера и т.п.). Для их изготовления разрабатывается штамповая оснастка. Трудоемкость изготовления деталей штамповкой, в том числе из профилей и труб, составляет 7... 16% от общей трудоемкости изготовления самолетов в зависимости от их функционального назначения и конструктивнотехнологических особенностей [2].

При проектировании деталей из листа, профилей и труб конструктору важно знать технические возможности заготовительно-штамповочного производства и ориентироваться на наиболее прогрессивные технологические процессы, которые определяются исходя из масштабов производства, сложности формы деталей, технологических свойств материала. При этом следует учитывать :

при единичном производстве рационально применять штамповку в универсальных штампах;

при мелкосерийном и серийном производстве применять методы пластического деформирования для получения деталей сложной конфигурации в инструментальных и упрощенных штампах на универсальных прессах и молотах или специализированном оборудовании;

при крупносерийном производстве – применение штамповки новейшими методами с механизацией и автоматизацией производства.

Важным при проектировании является выбор материала детали. Конструктор должен учитывать его технологические свойства, обеспечивающие достаточную прочность изделия и технологичность. Технологические рекомендации по выбору материала [4] предусматривают применение в заготовительно-штамповочном производстве материалов, освоенных в серийном производстве : алюминиевые, магниевые, титановые сплавы, конструкционные нержавеющие стали и т.д.

Для обработки металлов давлением целесообразно применять материалы, обладающие малым пределом текучести Т, низкой твердостью HRCэ (НВ) и большим удлинением,%, что позволяет изготовлять деталь за минимальное количество переходов. Прочностные характеристики таких материалов за счет упрочнения при деформации после штамповки повышаются, благодаря чему возможно добиться снижения массы конструкции. Однако материалы с относительным равномерным удлинением меньше 5%, как правило, потребуют при формовке нагрева, что увеличит цикл обработки и стоимость.

При проектировании деталей и их элементов из титановых сплавов контсруктор должен учитывать их труднообрабатываемость. Лишь сплавы ВТ1-0, ВТ1-00, ОТ4-0, ОТ4-1, ПТ7М обладают достаточной пластичностью, а сплавы ВТ14, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ВТ6ч и др. могут деформироваться только в нагретом состоянии.

Чтобы изготовить высокоточные и ресурсные детали из титановых сплавов требуется специальное оборудование и дорогостоящая оснастка, при этом увеличивается цикл изготовления. Стоимость таких деталей даже без учета стоимости материала возрастает в 2,5…10 раз по сравнению со стоимостью эквивалентной по форме и размерам детали из алюминиевого сплава. И чем выше прочность материала, тем ближе к верхним пределам разница в стоимости.

Надежность деталей в определенной мере зависит от вида окончательной термической обработки. Конструктор должен учитывать, что усложнение окончательной термообработки, например, замена для титановых сплавов неполного отжига на полный, в воздушной среде на вакуумный, отжига – на закалку и старение, значительно удорожает производство деталей. При этом необходимо учитывать условия эксплуатации. Вид и порядок проведения окончательной термообработки конструктор указывает на чертеже.

Не менее важными являются рекомендации по выбору формы и размеров детали, точности их изготовления и шероховатости поверхности, оптимальным соотношениям их конструктивных элементов.

Детали, изготовляемые из листового материала, должны иметь по возможности простую геометрическую форму, плавные переходы при изменении формы сечения, оптимальные соотношения между отдельными конструктивными элементами. К наиболее габаритным из них – обшивкам предъявляются повышенные требования по качеству поверхности. При этом размеры проектируемых деталей должны увязываться с параметрами выпускаемых металлургической промышленностью листов, с габаритами и мощностью заготовительно-штамповочного оборудования, на котором предполагается их изготовление. Это объясняется тем, что предпочтение следует отдавать цельноштампованным деталям, прибегая к сборным (клепаным, сварным) только в случае затруднений при формообразовании или при необходимости более эффективного использования материала [2].

Например, изготовление обшивки с локальной выпуклостью (рис.2.1) нетехнологично, так как потребует Рис. 2.1. Изготовление обшивки сложной формы:

а – нетехнологично; б - технологично Элементы штампуемых деталей должны быть унифицированы : диаметры вырубки, пробивки, вытяжки; радиусы и углы гибки; радиусы сопряжений плоских и объемных деталей и т.п. (см. рис.1.5, ж, з).

Требования к листовым деталям по точности геометрических параметров, определяющих их размеры и форму, должны обеспечивать их функциональное назначение и не приводить к необходимости применения специализированного оснащения технологических процессов. Применение универсального заготовительно-штамповочного оборудования с использованием оптимальных методов штамповки (гильотинные ножницы, механические и гидравлические прессы и т.п.) позволяет гарантировать точность деталей по 14 квалитету. Введение дополнительных операций по калибровке, зачистке и т.п. может обеспечить точность соответственно 12 квалитету. Применение уникальных прессов типа П5054, специального оборудования с импульсным характером нагрузки позволяет изготовить детали с точностью по 10 квалитету.

При необходимости изготовления деталей с точностью по 7...9 квалитетам следует использовать процессы горячей листовой штамповки. В случаях, когда точность размеров элементов деталей не сказывается на прочности детали или на условиях сборки, рекомендуется отклонения по фактическим допускам согласовывать с производством, исходя из требований стоимости и уменьшения сроков подготовки производства.

Допуски на размеры деталей следует устанавливать с учетом возможности получения их традиционными методами без дополнительной обработки. В табл.2.1. приведены предельные значения точности и шероховатости поверхности кромок при различных заготовительно-штамповочных операциях.

Таблица 2.1. Точность и шероховатость поверхностей листовых деталей, получаемых в заготовительно-штамповочном производстве с программным управлением /s0 листа 3,0 мм/ на специализированном оборудовании То же в условиях сжато-напряженного состоя- 10...14 -"ния Шероховатость поверхности кромок следует увязывать с точностью изготовления детали, так как она влияет и на процессы формообразования, и на эксплуатационные характеристики.

Выбор технологии изготовления деталей из листовых заготовок и предъявляемые требования по технологичности зависят от их конструктивных особенностей. В табл.2.2 представлены типовые детали из листовых заготовок, требующие совершенства существующих технологий.

Аналогичные общие требования по технологичности предъявляются и к деталям из профилей и труб. Специфические требования будут рассмотрены в соответствующих главах учебного пособия.

2.2. Обеспечение технологичности деталей, полученных в процессе разделительных операций 2.2.1. Конфигурация и размеры отверстий Образование отверстий – наиболее распространенная разделительная операция при изготовлении деталей из листа. Отверстия могут быть круглыми, овальными, с прямолинейным контуром, с фигурным очертанием, с отбортовками и без отбортовок, с прямыми отбортовками, и с отбортовками под углом = 600 или = 450 (рис.2.2; 2.3; 2.6).

Отверстия могут быть получены при сверлении, при пробивке или вырезке, фрезеровании на станках с программным управлением и т.п. При этом используется разный инструмент, разные оснастка и оборудование, выбор которых определяет технолог, но конструктор при проектировании детали обязан это учитывать и стремиться удовлетворить требованиям технологичности. Так отверстия на деталях должны иметь контур простых геометрических фигур с возможно большим радиусом R сопряжения их прямых участков, которые должны быть нормализованы, а их минимальные значения при штамповке должны удовлетворять данным таблицы 2.3.

Таблица 2.3. Минимальные значения радиусов R в зависимости от угла сопряжения сторон отверстий и толщины s Титановые сплавы ВТ1 без подогрева, ВТ5 с подогревом 0,6s0 0,8 s На рис.2.3. даны рекомендации при образовании отверстий в деталях из титановых сплавов фрезерованием на станках с ЧПУ (моделей РФП-1, РФП-2), а их размеры могут быть приняты при исходной толщине s0 согласно данным табл.2. [4]. Если отверстия получены при записи программы по шаблону, то наименьший их диаметр 15 мм, при записи программы по числовым данным чертежа на интерполяторе фигурные отверстия должны иметь Rmin = 4,0 мм.

Таблица 2.2. Типовые детали из листовых заготовок Рис.2.2. Технологические требования при выполнении отверстий вырезкойпробивкой эластичными средами : а - круглые и овальные отверстия;

б – отверстия с прямолинейным контуром Рис.2.3. Минимальные размеры отверстий, фрезерованных на фрезерных станках с ЧПУ : а – круглое отверстие; б, е – прямоугольное; в, г, д, ж – отверстия Таблица 2.4. Минимальные размеры отверстий, выполненных пробивкой Рис.2.6. Технологичность конструктивных элементов деталей при образовании отверстий : а - отверстия с прямыми отбортовками; б – отбортовка отверстий за пределами нормализованных параметров; в – отверстия с отбортовками под углом 60 град.; г – отверстия с отбортовками под Точность получаемых отверстий и их расположение относительно внешнего контура детали ±0,25 мм. Точность СО, ШО, НО и др., получаемых сверловкой:

отклонение по диаметру и эллипсности в соответствии с 722 АТ;

смещение базовых, контрольных и сборочных отверстий до ±0,2 мм;

смещение шпилечных отверстий до ±0,5 мм;

смещение отверстий под приборы и разные окна до±1,0 мм.

При проектировании детали следует избегать резких переходов, узких и длинных открытых прорезей; отверстия, получаемые вырубкой, должны быть унифицированы, иметь определенные размеры в зависимости от принятого способа образования, чтобы обеспечить оптимальную стойкость инструмента (табл.2.4, 2.5).

Таблица 2.5. Минимальные размеры элементов деталей при вырезке-пробивке Минимальная ширина паза Минимальная ширина участка Расстояние от края отверстия до То же от края прямоугольного То же между краями отверстий Отверстия в листовых деталях из титановых сплавов всех толщин рекомендуется получать пробивкой (за исключением используемых в сборочных процессах при базировании) с прижимом по всему контуру в соответствии с производственными инструкциями (ПИ 268-76) и др. При этом следует учесть, что в материалах достаточно пластичных ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1 при толщине свыше 3,0 мм, а в малопластичных ОТ4, ВТ14, ВТ6С, ВТ20 и т.д. при толщине свыше 1,8 мм необходим технологический нагрев заготовок до 7000С, хотя это снижает технологичность, так как усложняет процесс и повышает стоимость детали.

2.2.2. Технологичность деталей и их элементов, полученных при пробивкевырезке Значительная часть мелких деталей, а также отверстий в деталях соответственно рис.2.2 может быть выполнена вырезкой и пробивкой с использованием эластичных сред. Схема процесса вырезки листовых деталей эластичной средой при верхнем расположении контейнера [13] показана на рис.2.4.

Рис.2.4. Схема процесса вырезки листовых деталей эластичной средой :

а – подготовка к операции вырезки; б – процесс обжатия заготовки эластичной средой; в – процесс разделения элементов заготовки.

1 – подушка эластичная; 2 – контейнер; 3 – заготовка; 4 – шаблон вырезной; 5 – плита подштамповая; 6 – деталь; 7 – припуск На вырезной шаблон 4, установленный на подштамповую плиту 5, укладывается заготовка 3, размеры которой больше размеров шаблона на величину припуска. При опускании контейнера 2 эластичная подушка 1 прижимает заготовку к вырезному шаблону 4, отгибает припуск по режущей кромке шаблона (рис.2.4,б). Дальнейшее увеличение давления в контейнере обеспечивает разделение детали 6 и припуска 7 по контуру вырезного шаблона.

При этом требования технологичности устанавливают минимальные размеры элементов деталей (см. табл.2.5) и минимальные радиусы скругления углов наружного и внутреннего контуров (табл.2.6).

Таблица 2.6. Минимальные радиусы скругления углов наружного и внутреннего контуров в зависимости от толщины заготовки s Радиус наружного контура, R Радиус внутреннего контура, r Угол, град Параметры отверстий могут быть определены расчетными формулами в зависимости от давления р в контейнере и в, МПа [12] :

диаметр отверстия сторона квадратного отверстия сторона прямоугольного отверстия а, b высота равностороннего треугольного отверстия Значит, для образования отверстий в труднодеформируемых материалах тех же формы и размеров потребуются более высокие давления полиуретана в контейнере. Так наименьших размеров круглое отверстие в листовых материалах из Д16АТ в свежезакаленном состоянии при s = 1,5 мм и давлении в контейнере р = 1000 МПа - d0 = 1,5...1,7 мм, а при давлении р = 100 МПа - d0 = 19,0...23,0 мм.

То же в закаленном листе марки 12Х18Н10Т соответственно d0 = 2,5...3,2 мм и d0 = 24,0...31,5 мм. Наименьшая ширина квадратного отверстия при s = 1,5 мм и тех же параметрах процесса пробивки в материале Д16АТ соответственно d0 = 3,0...3,5 мм и d0 = 17,5...21,0 мм, а в материале 12Х18Н10Т - d0 = 3,5...4,5 мм и d0 = 32,0...42,0 мм.

Минимальные размеры пробиваемых отверстий в зависимости от механических свойств и толщины материала рекомендуются соответственно данным табл.2.7.

Таблица 2.7. Минимальные относительные размеры отверстий Прямоугольное, При этом точность отверстий, получаемая простыми вырубными штампами, находится в пределах данных табл.2.8, где в числителе значения, соответствующие пробивке в штампах обычной точности, в знаменателе – в штампах повышенной точности.

Таблица 2.8. Точность, достигаемая при пробивке отверстий на инструментальных штампах Для получения более высокой точности необходимы сложные штампы с прижимом или специальные штампы чистовой вырубки.

Разные условия пробивки-вырезки требуют установления разных допусков на образование контуров отверстий. Для отверстий допуск берется со знаком «+», для наружных контуров со знаком «-».

При пробивке отверстий устанавливаются также предельные отклонения размеров между центрами отверстий, приведенные в табл.2.9.

Таблица 2.9. Отклонение размеров между центрами отверстий при пробивке До 2, 2.2.3. Требования технологичности при проектировании раскроя листового Раскрой материала – разделение материала на части или отделение от него частей определенной, необходимой для получения детали формы. Отделенные части могут являться заготовками для дальнейшей обработки.

Проектирование (разработка) раскроя заключается в выборе оптимального положения заготовок (деталей) в исходном материале. Параметрами оптимизации при этом могут быть плотность размещения заготовок в исходном материале, что повлияет на коэффициент использования материала Ки.м., материальные затраты на осуществление процесса, точность получаемых заготовок и др.

В общих расходах на изготовление, то есть в себестоимости изделий листовой штамповки, затраты на материал достигают 50...70% и более [14]. Поэтому в вопросах технологичности Ки.м. придается особое значение. Но снижение затрат на материал нередко приводит к усложнению инструментально-штамповочной оснастки и оборудования, и без комплексного рассмотрения технико-экономических показателей технологического процесса штамповки вообще, раскроя материала в частности, установить параметры оптимизации невозможно.

Основными операциями раскроя материала являются :

а) отрезка – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру;

б) разрезка – разделение заготовки на части по незамкнутому контуру (ГОСТ 18970-84). Материал разрезают на ленты, полосы или карточки различной формы с помощью гильотинных и дисковых ножниц.

На гильотинных ножницах обычно выполняют разрезку листа на крупные штучные заготовки прямоугольной, трапецеидальной, ромбической и треугольной формы. На дисковых ножницах осуществляют разрезку листа на полосы.

Для повышения Ки.м. целесообразен косой раскрой полос из листа; для мелкосерийного производства, как правило, применяют, комбинированный раскрой, когда лист раскраивают на полосы неодинаковой ширины для вырубки из них различных деталей. Схема резки соответствует представленной на рис.2.5.

Рис.2.5. Схема раскроя листового материала : а – косой раскрой полос из листа;

б – комбинированный раскрой; в – схема разрезки листа на ножницах;

1,2 – режущие ножи; 3 – зона сдвига материала; 4 - прижим При разрезке листа ножницами прикладываемые усилия сдвига Р являются равнодействующими Р1 и Р2. Силы Р1 в зоне деформаций образуют пару сил с моментом М = Р1а, где а = (1,5...2,0)z - плечо сил при установленном зазоре «z»

между режущими ножами 1,2. Под действием М материал разрезаемого листа стремится повернуться и заклиниться между ножами.

Возникает боковое распирающее усилие Т, величина которого при использовании прижима 4 с усилием Q составляет :

T = (0,1...0,2)P.

Для уменьшения изгиба полосы и во избежание выскальзывания листа из под ножей во время разрезки угол створа должен быть меньше 9 град. В зависимости от толщины листа назначают : при s = 1-10 мм, = 2...40, число ходов ножниц n = 75...35, мин –1; при s = 10-42, мм = 4...60, n = 35...10, ход/мин. Зазор между ножами рекомендуется в пределах z = (0,03...0,06) s.

При разрезке листа дисковыми ножницами с наклонными ножами потребное усилие Р во много раз меньше, чем при ножницах с параллельными ножами, хотя затрачиваемая на разрезку листа работа в обоих случаях одинакова.

При выборе ножниц и прессов расчетное усилие резки рекомендуется выбирать по формуле где k = 1,2...1,3 – поправочный коэффициент, учитывающий влияние затупления ножей, изменение величины зазора между ножами, равномерность толщины разрезаемого листа. Параметры процесса и применение ножниц представлены в табл. 2.10 [14].

Таблица 2.10. Типы ножниц и их применение Гильотинные и рычажные Дисковые (с надисковых и кольцеклонным нижРазмер ножей (дисков):

ним ножом) (с параллельными осями) Важным параметром при резке на ножницах является точность заготовки по ширине. При резке на гильотинных ножницах допуски на ширину устанавливаются не меньше приведенных в табл.2.11 [5].

Таблица 2.11. Допуски на ширину полосы, отрезаемой на гильотинных ножницах До 1, 1,0 - 3, 3,0 - 6, 6,0 - 10, 10,0 - 15, 15,0 - 20, При разрезке листа на полосы рекомендуется применять лазерную резку.

Пригодность материала к лазерной резке зависит от степени поглощения им лазерного излучения и его теплопроводности. При воздействии на металл остросфокусированного лазерного луча, диаметр которого составляет 0,2...0,3 мм, ширина реза не превышает 0,2...0,5 мм.

2.3. Технологичность деталей, полученных в процессе формоизменяющих 2.3.1. Рекомендации при процессах отбортовки При изготовлении деталей авиакосмической техники из листовых материалов придание им заданной формы и размеров обеспечивается в результате формоизменяющих операций : гибки, отбортовки, вытяжки, обтяжки и т.д. С позиций технологичности целесообразно формоизменяющие операции проводить в условиях холодного деформирования. Высокая производительность труда, низкая себестоимость процесса и высокий коэффициент использования металла позволили широко применять процессы холодного деформирования в различных отраслях промышленности.

Для характеристики и оценки технологических возможностей различных процессов холодного деформирования, что конструктор должен учитывать при проектировании детали, предложен критерий «жесткости» [15] :

где 1, 2, 3 - главные нормальные напряжения, соответственно наибольшее, p = ср = ( 1, 2, 3 ) - гидростатическое давление.

Растягивающие напряжения берутся со знаком плюс, сжимающие – со знаком минус. Тогда, положительное гидростатическое давление будет вызывать уменьшение объема тела, а отрицательное – будет вызывать его всестороннее растяжение [4]. Схему напряженного состояния следует считать «жесткой» при положительных значениях суммы трех главных напряжений и «мягкой» – в случае отрицательных значений, т.е. при положительном гидростатическом давлении.

Чем «жестче» схема напряженного состояния, тем при меньшей степени деформации могут возникать явления разрушения.

Используя «мягкие» схемы напряженного состояния при пластическом деформировании можно обеспечить значительные изменения формы детали без признаков разрушения. Ограничение степени деформации при формообразовании заготовки за одну операцию в этом случае большей частью является прочность инструмента или деталей пресса.

В самолетостроении около 80% деталей планера изготовляют методом холодного деформирования. Сокращая объем доводочных работ, что характерно для данных процессов, можно значительно уменьшить трудоемкость изготовления деталей. Конструктор при проектировании деталей и их элементов, образуемых в – результате формоизменяющих операций, должен учесть технологические возможности этих процессов.

Поскольку с выше рассмотренными отверстиями в большей степени связаны отбортовки, с них и рассмотрим вопросы технологичности.

Отбортовки – конструктивный элемент листовых деталей. Делятся на отбортовки отверстий и отбортовки глухие. Отбортовки отверстий повышают жесткость их кромок и стойкость к восприятию нагрузок, действующих в плоскости, перпендикулярной к поверхности детали. Глухие отбортовки предназначаются для повышения жесткости листовых деталей и устранения неровностей листов. Требования технологичности к деталям с отбортовками зависят от материала и параметров отбортовки. При проектировании деталей из алюминиевых сплавов рекомендуется параметры отбортовок отверстий круглой формы выбирать по ГОСТ 1.7040-80:

а) отбортовки под углом 900 (см. рис.2.6, а) для ряда применяемых размеров отверстий согласно табл. 2.12;

Таблица 2.12. Размеры отбортовок под углом 900 для круглых отверстий б) отбортовки под углом 600 (см. рис.2.6, в) - табл.2.13, где приведены область применения и унификация по параметрам D, t;

Таблица 2.13. Размеры отбортовок под углом 600 для круглых отверстий в) отбортовки тарельчатые под углом 450 (см. рис.2.6, г), табл.2.14. При этом d размер до отбортовки; размер D – может быть по верхней поверхности или по исходной поверхности листа.

Таблица 2.14. Размеры тарельчатых отбортовок под углом 450 для круглых Следует отметить, что размер перемычки до краев должен быть не менее 20 мм, размер c до свободного края увеличивают на 5,0 мм; значения t, b, c в табл. показаны как минимальные. Возможны и другие отклонения от указанных в табл. 2.13 и 2.14 значений, но тогда ссылка на ГОСТ 1.7040-80 не допускается.

В отличие от рекомендаций работы [4] в учебном пособии приняты параметры отбортовок для исходной толщины листов s0, используемых в конструкциях средних и тяжелых самолетов, в том числе широкофюзеляжных.

При проектировании деталей с отбортовками отверстий из титановых сплавов и высокопрочных сталей выбирать их размеры по ГОСТ 1.7040-71, процесс вести штамповкой а) в инструментальных штампах;

б) резиной давлением до 40 МПа с жесткими накладками (для увеличения местного давления);

в) резиной давление 50...100 МПа без жестких накладок;

д) эластичной средой (полиуретаном) давлением 50...100 МПа в зависимости от толщины листа.

Отбортовки отверстий за пределами нормализованных параметров (см.

рис.2.6, б) проектировать с учетом коэффициента отбортовки К0, допускаемого для данного материала. K 0 = D d, где d – диаметр отверстия до отбортовки, D – после отботровки.

При необходимости иметь высоту отбортовки h ее определяют :

где D1 = D + s0 + 2r ;

D – диаметр по средней линии;

h1 – расстояние от кромки борта до центра внутреннего радиуса зоны сгиба.

Размеры глухих отбортовок (рис.2.7, а) принимать согласно табл.2.15. При этом значения t, b и c приведены как минимальные.

Размеры отбортовок двойной кривизны отверстий облегчения (рис.2.7, б) выбирать по ОСТ 1.41816-78 и таблицам работы [4].

Такие отбортовки обеспечивают наибольшую жесткость в сравнении с приведеными на рис.2.6.

Радиусы сопряжения сторон отбортовок, имеющих в плане фигурное очертание (рис.2.7, в), выбирать из условий допускаемого коэффициента отбортовки К 0 = R r, где r – радиус сопряжения сторон отверстия до отбортовки.

Рис.2.7. Технологичность при отбортовке : а – глухие отбортовки; б – отбортовки отверстий двойной кривизны; в – при фигурном очертании в плане Таблица 2.15. Размеры глухих отбортовок под углом 450 (по ГОСТ 1.7040-80) 2.3.2. Рекомендации при выборе радиуса сгиба Операции гибки при изготовлении деталей авиакосмической техники применяются повсеместно. Определяющим при этом является минимальный внутренний радиус rmin. Детали, выполняемые с минимальными радиусами сгиба, принято считать нетехнологичными.

Минимальный радиус rmin зависит от напряженного состояния материала заготовки при деформировании, характеристик пластичности и анизотропии, то есть от марки и состояния материала; состояния кромки заготовки, исходной толщины материала s0, направления волокон. Принято оценивать процесс гибки через относительный внутренний радиус r = r s0,в том числе rmin = rmin s0.

Величина rmin определяет предельные возможности деформирования материала при свободной гибке и соответствует такому значению радиуса зоны сгиба, при котором не наблюдается разрушения в поверхностном (наружном) слое заготовки вследствие возникновения опасных растягивающих напряжений.

При проектировании деталей рационально закладывать радиусы сгиба больше rmin. ВИАМ рекомендует их значения не меньше r = rmin + 1 s 0, то есть увеличивать на одну толщину листовой заготовки. Такие рекомендации принимают при гибке в условиях классических схем пластического деформирования, что позволяет не учитывать анизотропию материала в зависимости от направления волокна.

В случаях гибки в условиях, приближенных к объемному сжато-напряженному состоянию материала [16], можно принимать радиусы сгиба близкие к rmin, например, в условиях стесненного изгиба [17], без опасности разрушения по наружному волокну. Лимитирующей оказывается величина r из-за возникновения явлений экструзии. Привести в учебном пособии рекомендуемые минимальные радиусы сгиба для различных материалов и разного состояния материала перед гибкой : отожженное М, свежезакаленное Тс.з., искусственно состаренное Т1, закаленное на воздухе ТГ, закаленное и естественно состаренное Т, после закалки и правки Тпр, нагартованное Н, полунагартованное П и т.д. нет возможности, поэтому в приведенных табл. 2.16 и 2.17 даются рекомендации по выбору rmin для ряда листовых алюминиевых и титановых сплавов с учетом развития заготовительноштамповочного производства в период после издания обобщенного труда НИАТ по технологичности конструкций [4].

Таблица 2.16. Минимальные радиусы сгиба листовых алюминиевых сплавов Марка, состояние материала Д16чАМ Д19чАМ 1201АМ 1163АМ 1420Т 1430Т 1430Тсз Таблица 2.17. Значения rmin для листовых титановых сплавов Марка, состояние материала ВТ1- ОТ4- ПТ7М ВТ ВТ ВТ В случае необходимости получения детали с радиусами сгиба, меньшими указанных в таблицах, гибка при холодной деформации проводится за несколько переходов с промежуточными смягчающими термообработками или с нагревом заготовки, или при создании благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния материала.

Конструктор обязан учитывать, что изготовление таких деталей усложняет технологию производства с увеличением цикла и повышением трудоемкости, зачастую повышает себестоимость детали. После окончательной термической обработки требуется провести эксперименты по определению надежности работы изделия.

В табл. 2.16 и 2.17 состояние материала кромок заготовки в зоне сгиба предусматривается а) ненагартованное (зачищены, фрезерованы или подвергнуты смягчающей термообработке) и б) нагартованное (после раскроя в штампах, на гильотинных ножницах). Применение ряда материалов с rmin имеет ограничения, которые устанавливаются производственными инструкциями ПИ-1.2.136-79 - для Д16ч при применении в конструкции в состоянии Т1; ПИ-1.2.150-80 – для сплава 1201АТ (детали с переменной деформацией); ТР1.4.467-78 – для материалов 1420Т,1420ТГ, на последнем переходе. Для деталей ресурсных изделий ограничение вводится по относительной деформации (ост доп пред).

При использовании сварной заготовки (например, длинномерных деталей) rmin следует увеличивать на одну толщину против указанных в табл. 2.16, 2.17.

Для деталей, изготовляемых гибкой из химически фрезерованного материала, радиус сгиба следует увеличить на 1-2 толщины против табличных значений.