Файл: Колганов И.М., Дубровский П.В., Архипов А.Н., 2003 - Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Том 1.pdf

12

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 реше-

ний по созданию новых ЛА вертикального или очень короткого взлета (40 … 60 м). А этобудет связаносвзаимодействием воздушных и газовых струй снесущими 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.

13

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 композицион-

ные 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 ле-

гирующего 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-техноло- гических разработок в данном направлении;

14

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 конструкциям

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 тех-

нологичности 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 изго-

15

товления 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, Na - число составных частей (элементов) соответственно разрабатываемого образца и аналога. Если Na соответствует предельно допустимому числу составных частей (элементов), то 0 < Ксл ≤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 Nн - число новых составных частей (элементов) в исполнении разрабатываемого образца, 0 ≤ Кн ≤1.

Повысить эффективность разработки изготовления при повышенных значениях Кн можно при расширении унификации входящих в изделие элементов кон-

струкции, типизации структурных компоновок, группового проектирования и т.п.

Характеристика исходных материалов, выбираемых для изготовления из-

делия, 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

9

пособия, крайне необходимую в учебном процессе подготовки авиационного инженера.

В данной работе рассматриваются вопросы производственной техноло-

гичности (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. По-

скольку 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 произ-

водства 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.