Глава 4. Изготовление оболочек корпусов из монолитных панелей

Наряду со сборными и многослойными конструкциями в лета­тельных аппаратах находят применение конструкции оболочек и корпусов, собираемые из небольшого числа крупногабаритных мо­нолитных деталей. К ним относятся монолитные шпангоуты, лон­жероны, рамы, стрингеры и т. д. Особое место среди них занимают монолитные панели, включающие в себя обшивку с продольным и поперечным набором. В монолитных панелях ребра жесткости мо­гут быть или только в продольном или в продольном и поперечном направлениях («вафельного» типа), пли расходящимися лучами из одной точки, например, применение «вафельных» панелей в КА «Аполлон», «Скайлэб» и др. Применение монолитных панелей вы­звано, с одной стороны, постоянным увеличением нагрузок на кон­струкции и стремлением в то же время сохранить их массовые ха­рактеристики, с другой стороны, развитием технологических мето­дов изготовления монолитных панелей с достаточно тонкими реб­рами и обшивкой, позволяющими реализовать этот массовый вы­игрыш.

Конструктивными преимуществами монолитных панелей по сравнению со сборными являются, кроме меньшей массы при рав­ной прочности уменьшение трудоемкости проектирования за счет уменьшения количества рабочих чертежей, упрощение конструкции за счет уменьшения числа деталей, увеличение прочности, жест­кости, устойчивости за счет уменьшения числа стыков и швов, некоторое увеличение внутреннего объема агрегата, высокая гер­метичность конструкции, высокое качество наружных поверхностей обшивок. Технологическими преимуществами монолитных панелей являются: уменьшение объема сборочных работ и во многих слу­чаях суммарной механической обработки, уменьшение работ по герметизации, высвобождение производственных площадей и сбо­рочного оборудования, упрощение сборочной оснастки, уменьшение стоимости изготовления панелей. Недостатками их являются зна­чительная стоимость заготовительной оснастки, иногда низкий коэффициент использования металла, удлинение цикла подготовки и переналадки производства из-за длительности проектирования и изготовления оснастки. В опытном и единичном производстве применение монолитных панелей иногда может привести к удоро­жанию опытных изделий, технологические преимущества их пол­ностью выявляются при серийном производстве.

Существует много способов изготовления монолитных панелей: механическое фрезерование из плит, прессование, прокатка, горячая штамповка, литье, химическое фрезерование, размерная элект­рохимическая обработка и др. Методы выбирают исходя из конст­рукции панели, имеющегося оборудования и экономических сооб­ражений.

Механическое фрезерование монолитных панелей в настоящее время является одним из распространенных методов их изготовле­ния, особенно в опытном и единичном производстве. Прямолиней­ные плоские панели фрезеруются из плит, получаемых горячей прокаткой или ковкой, на копировально-фрезерных станках, поз­воляющих получать ребра жесткости любого расположения, и стан­ках с программным управлением. Панели криволинейной формы одинарной кривизны изготовляют из плит по двум схемам; фрезе­рование плоской плиты, затем гибка или гибка плоской плиты, а затем фрезерование криволинейной плиты. Первая схема проста и производительна при фрезеровании на многошпиндельных авто­матах, но при гибке получается огранка на плоской стороне пане­ли, что вызывает необходимость дополнительной ее обработки. При второй схеме обеспечивается хорошая точность обводов, но фрезерование гнутой плиты производится на сложных копировально-фрезерных станках с малой производительностью. Преимущест­вами механического фрезерования монолитных плит являются от­носительная простота оборудования, простота и дешевизна оснаст­ки, возможность получения панелей различных конфигураций с любым расположением ребер жесткости и с любой толщиной, высокая точность и хорошее качество поверхности. Но такие не­достатки, как низкий коэффициент использования металла, боль­шая трудоемкость и худшие механические характеристики металла панели, обусловили рекомендацию этого метода только для опыт­ного и единичного производства. В серийном производстве этот метод допустим только в период подготовки более производитель­ного метода.

Прессование монолитных панелей (рис. 30) является одним из самых производительных способов их изготовления. При этом обеспечивается высокий коэффициент использования металла, получаются более высокие механические свойства заготовок и достаточно высокое качество поверхности. Недостатком этого ме­тода можно считать ограничения по форме и размерам панелей: можно получать панели только с продольными ребрами жесткости шириной до 850 мм и с толщиной обшивки не менее 2... 3 мм; длина панелей определяется емкостью контейнера. Для получения панелей с переменным по длине сечением применяется дополни­тельное фрезерование на копировально-фрезерных станках. Су­ществует также метод прессования замкнутых панелей с наруж­ными ребрами (рис. 31), который позволяет также получать па­нели с утолщением на конце. Цилиндрические панели далее разрезают и развертывают, получая плоскую или криволинейную панель. После прессования производится механическая обработка: фрезерование продольных кромок под сварку, плоскостей и кромок поперечных стыков на специальных копировально-фрезерных стан­ках (типа КФП-1, ГФ-268, КФС-20, ФОЛ-2, ФОЛ-2М), фрезеро­вание полок стрингеров и обшивок, законцовок и других усложне­ний формы по чертежу. После зачистки кромок и правки панель поступает на операцию гибки или на роликовых станках (типа КГЛ или ГЛС), или на гибочных прессах. Гибка на роликовых станках производится с установкой между ребрами буковых реек и поверх них металлического листа для обеспечения возможности прокатки между валиками и уменьшения огранки плоской поверх­ности панели. Гибка на прессах менее производительна и менее точна (больше огранка), но она дает возможность гибки панелей любой длины. После гибки обычно необходимы ручная доводка формы, термообработка и окончательная механическая обработка в основном стыковочных поверхностей и кромок. При необходи­мости внешняя поверхность панели шлифуется и полируется на станке ШПП-1 абразивной лентой и наносятся покрытия.

Прокатка монолитных панелей начала применяться в промыш­ленности в последнее десятилетие. Преимуществами этого метода являются возможность получения панелей с толщиной обшивки менее одного миллиметра и панелей вафельного типа (рис. 32). Заготовками для панелей с продольными ребрами служат прессо­ванные панели, которые в результате прокатки удлиняются за счет утонения обшивки и ребер. При прокатке панелей вафельного типа листовая заготовка — плита, сложенная с матрицей, имею­щей обратную конфигурацию, прокатывается через гладкие валки, где вследствие пластических деформаций металл заготовки пере­текает в углубление матрицы. Посредством многократной прокатки с постепенным сближением валков получают вафельную панель требуемой формы. Процесс идет при температуре горячей штам­повки. Технология обработки таких панелей и подготовки их к сборке в оболочки аналогична технологии изготовления прессован­ных панелей.

Горячая штамповка монолитных панелей на мощных прессах является методом, позволяющим получать такие панели, которые другими методами не могут быть получены: панели с любой кон­фигурацией и переменной толщиной по длине ребер и со стыковы­ми узлами, составляющими одно целое с панелью, что обеспечива­ет значительный выигрыш в массе и лучшую конструктивную прочность. Недостатками их являются: необходимость прессов большой мощности, длительный срок изготовления штампов, не­возможность получения стенок малой толщины (менее 5.. 8 мм), низкая точность и достаточно сложная технология. Поэтому горячештампованные панели подвергаются длительной и сложной ме­ханической обработке или химическому фрезерованию. Объем такой обработки может быть уменьшен применением операции горячей калибровки. Горячештампованные панели рекомендуется применять в сильнонагруженных конструкциях при серийном, крупносерийном и массовом производстве.

Литье монолитных панелей имеет ряд преимуществ по сравне­нию с другими методами: возможность получения панелей с раз­личным расположением ребер, с более тонкой обшивкой, чем при прокатке, прессовании или штамповке, большая производитель­ность, уменьшение объема механической обработки, уменьшение периода технологической подготовки производства, отсутствие больших усилий в процессе формообразования, возможность бо­лее быстрой переналадки оборудования и т. д. Недостаток литых панелей—худшие механические характеристики, вследствие чего конструкция оболочки может получиться более тяжелой, чем из­готовленная другими методами, поэтому они находят применение в малонагруженных агрегатах, когда их преимущества оказывают­ся эффективными. Метод литья панелей должен удовлетворять следующим условиям: до застывания металла в любом сечении через него должен пройти весь металл, питающий последующие се­чения, и излишек металла из последующих сечений; при застыва­нии не должно образовываться усадочных раковин, т. е. застываю­щие участки должны подпитываться жидким металлом; процесс литья должен обеспечивать удаление шлаков из отливки; жела­тельно обеспечивать более плотную структуру металла в процессе литья. Методами, отвечающими этим условиям, являются литье выжиманием, бесковшовая заливка под низким давлением, цент­робежное литье.

Рис. 33. Схема литья выжиманием

При литье выжиманием (рис. 33) в раскрытую форму залива­ется металл. Одна из створок-матриц поворачивается в направле­нии неподвижной, сплав заполняет форму, и излишек металла выливается из формы. При закрывании матриц затвердевание металла идет от стенок матрицы, постепенно наращиваясь выжи­маемым металлом. Матрица, формирующая гладкую сторону па­нели, изготовляется из металла, а ребристую — песчаная, так как металлическая матрица создавала бы напряжения или даже раз­рушения в ребрах панели. Промышленность выпускает литейно-выжимные установки ЛВ-1, позволяющие отливать панели разме­рами до 2000X800 мм с минимальной толщиной стенок до 1 мм.

Бесковшовая заливка под низким давлением применяется для получения заготовок замкнутых тонкостенных панелей (кольцевые оболочки). В обогреваемом тигле (рис. 34) находится расплавлен­ный металл, который через металлопроводы под действием давле­ния аргона (иногда воздуха) поступает в форму, состоящую из двух разъемных матриц, формирующих наружную поверхность панелей, и центрального песчаного стержня, смонтированного на металлической основе и формирующего внутреннюю поверхность с силовым набором. Металл проходит через форму в прибыльную часть, которая выполняет роль накопителя жидкого металла и шлаков; при прохождении ме­талла он постепенно нарастает между стенками отливки, пи­тая ее до момента затвердева­ния. Непрерывное движение жидкого металла устраняет возможность появления раковин, благодаря чему получает­ся плотная структура.

Центробежным литьем можно получать монококовые оболочки для нагруженных аг­регатов. Достоинством этого метода является получение благодаря центробежным си­лам от вращения изложницыдовольно плотного материала, не уступающего по прочност­ным характеристикам моно­литным обечайкам, получае­мым другими способами.

Технология подготовки ли­тых монолитных панелей за­ключается в механической об­работке их наружных и стыко­вочных поверхностей и кромок, а также различных местных усложнений формы. Объем ме­ханической обработки значи­тельно меньше, чем в других способах получения панелей.

Химическое фрезерование (размерное контурное травление) монолитных панелей нашло широкое распространение в ракетно-космической промышленности. Преимуществом его по сравнению с механическим фрезерованием является при обеспечении высокой точности (до ±0,05 мм) возможность получения панелей самых разнообразных форм и размеров с широкими и узкими пазами за одну операцию с обеих сторон листа. При химическом фрезерова­нии исключаются деформации панелей, имеющие место при меха­нической обработке. Метод позволяет уменьшить массу панелей и создавать более равнопрочные конструкции. Химически фрезеро­ванные панели практически не требуют дальнейшей ручной сле­сарной доработки и после обработки местных усложнений формы (отверстия, пазы и т. д.) передаются на сборку. Хотя химическое фрезерование является одним из распространенных методов по­лучения монолитных панелей, отметим, что при этом процессе прочностные показатели поверхностного слоя исходного материала не улучшаются из-за отсутствия поверхностного пластического деформирования (наклепа).

Сборка оболочек из монолитных панелей благодаря их значи­тельной жесткости, точности обводов и стыковочных поверхностей, производится также в более простых сборочных стапелях, чем непанелнрованных оболочек. При сборке монолитных панелей в обо­лочки вследствие значительной жесткости панелей необходимо предусматривать компенсирующие устройства. Соединение моно­литных панелей в оболочки может производиться болтами, клеп­кой пли сваркой. Схема сборки таких оболочек аналогична схеме сборки сборных оболочек панелированной конструкции и содер­жит те же стадии и этапы, для чего на монолитных панелях до подачи их на сборку оболочки должен быть предусмотрен монтаж оборудования н различных коммуникаций в возможно большей степени. Собранные и испытанные оболочки подаются на общую сборку аппарата или блока.

Дата добавления: 2015-07-24