CC BY
121
УДК 629.735.33
ОСОБЕННОСТИ РАЗДЕЛКИ ОТВЕРСТИЙ В СМЕШАННЫХ ПАКЕТАХ КМ-Ti-Al
© 2012 А.А. Пикалов Филиал ОАО «Корпорация «Иркут» в г. Ульяновск Поступила в редакцию 10.10.2012
Доклад посвящён поискам путей решения проблемы разделки качественных отверстий в смешанных пакетах КМ-Ti-Al, предусмотренных конструкцией хвостового оперения и центроплана перспективного самолёта МС-21. Сможет ли применение сверлильных машин с автоматической подачей (СМАП) вывести технологию сборки агрегатов самолётов на новый уровень, до настоящего времени не достигнутый российским авиапромом? Будет ли такое применение экономически и технологически обоснованным? Возможно, что наш опыт и опыт ведущих зарубежных авиастроительных компаний поможет ответить на эти вопросы.
Ключевые слова: сверлильная машина с автоматической подачей, постоянная подача, импульсная («клюющая») подача, композиционные материалы, смазочно-охлаждающая жидкость, опытно-конструкторские работы, нормативная документация, координатно-измерительная машина
ВВЕДЕНИЕ
В авиационной промышленности, в условиях жёсткой борьбы за потребителя, ведущие мировые производители в качестве главного стратегического направления выбирают путь на создание лёгкого и высокоэкономичного воздушного судна (ВС). Значительно увеличивается доля применяемых деталей из композиционных материалов (КМ) и Ti сплавов в виду их высоких механических характеристик, гарантированных при высоких нагрузках, которые возникают при эксплуатации современных ВС.
В связи с непрерывно растущими требованиями к экономичности авиационной техники, конкурентоспособность российского авиапрома может быть достигнута только при увеличении объёмов применения в производстве КМ и Ti сплавов, и современных технологий по их обработке.
Специфика свойств изделий из КМ делает невозможным эффективно использовать существующие технологии по механической обработке металлов резанием. Особенно сложной задачей является разделка отверстий в смешанных пакетах, таких как КМ-Ti-Al. Для минимизации погрешностей установки и соединения различных конструкций, отверстия в таких пакетах необходимо разделывать совместно. При разработке такой методики разделки отверстий инженеры сталкиваются с проблемами, возникающими в виду разности требований к качеству и режимам механической обработки для каждого из материалов пакета. Разность при выборе скорости подачи режущего инструмента, скорости вращения шпинделя сверлильного устройства
Пикалов Антон Александрович, менеджер производственного отдела. E-mail: [email protected]
при обработке деталей из А1 и Т сплавов и конструкций из КМ приводят к неравномерному нагреву элементов пакета при сверлении, поверхностным повреждениям материалов, износу режущего инструмента и т.д.
Высокие требования к качеству и технологии разделываемых отверстий в КМ и, в частности, в смешанных пакетах с применением КМ, диктуют особые условия разделки отверстий с применением специализированного стационарного оборудования, что в принципе, на этапе изготовления деталей, сложной технологической задачей не является. Серьёзные затруднения возникают на этапе стапельной сборки агрегатов, например при сборке оперения и центроплана ВС, где применение стационарного оборудования невозможно в виду ограниченного подхода к зонам разделки отверстий. Поэтому для повышения степени чистоты отверстий, классности, перпендикулярности, избежания возможных задиров на КМ и др., требуется компактное сверлильное оборудование, имеющее возможность производить сверление в местах с ограниченным подходом к месту обработки детали. Устройства, осуществляющие обработку отверстий непосредственно на деталях, составляют семейство сверлильных машин с автоматической подачей (СМАП).
Приводом СМАП может быть пневматический или электрический двигатель. Наиболее приемлемым в рамках авиационной промышленности является пневмопривод.
По типу механизма автоматической подачи-возврата режущего инструмента СМАП делятся на два вида:
• сверлильные машины с постоянной подачей;
• сверлильные машины с импульсной («клю-
ющей») подачей.
Выбор подходящего механизма для сверлильной задачи зависит от:
• толщины пакета;
• свойств материалов пакета;
• диаметра отверстий;
• допусков;
• наличиязенкования;
размеров пространства для размещения СМАП;
• условий подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
Для сверления глубоких отверстий в легко-обрабатываемых металлических материалах используются СМАП с постоянной подачей. Для сверления же пакетов из труднообрабатываемых материалов или пакетов, состоящих из слоев различных материалов, включая труднообрабатываемые, лучше всего подходят СМАП с импульсной («клюющей») подачей.
В зависимости от размеров свободного пространства для размещения сверлильного устройства и глубины сверления, подбирается соответствующая конфигурация СМАП - продольная или угловая.
Фото 1. БТ1200 с концентрическим цанговым механизмом крепления в кондукторе
Фото 3. Система подачи СОЖ в зону сверления через режущий инструмент
Кроме названных характеристик, при выборе необходимой СМАП должны учитываться сложность и стоимость оснастки для крепления машин, производительность операции в соотношении с объемом доступных для данной задачи средств.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В виду вышесказанного, в рамках выполнения опытно-конструкторских работ (ОКР) по перспективному самолёту МС-21, специалистами ЗАО «Авиастар-СП» совместно с представителями филиала ОАО «Корпорация «Иркут» в г. Ульяновск были проведены комиссионные испытания первой в России СМАП - БТ1200 с концентрическим цанговым механизмом крепления в кондукторе (фото 1) и импульсной ("клюющей") подачей режущего инструмента, системой подачи СОЖ в зону сверления через маслоканалы режущего инструмента, а так же системой отвода измельченной стружки (фото 2), позволяющие уменьшать влияние последней на качество разделки отверстий. Машина предоставлена компанией Везоийег, отделением БЕТ1-ТЕС (Франция).
СМАП БТ1200 состоит из трех основных модулей: двигателя, редуктора и шпиндельного узла. Позиционирование данных модулей позволяет получить продольную или угловую конфигурацию
Фото 2. Наличие "клюющей" подачи и системы отвода измельченной стружки
Фото 4. Счётчик циклов для своевременной замены режущего инструмента
Таблица 1
Материал и скорость обработки (м/мин) Показатель Диаметр сверла (мм)
3 5 6 8 10 11 13
Алюминий (90) Скорость (об/мин) 9000 6000 4600 3600 3000 2600 2300
Подача (мм/оборот) 0.05 0.08 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
Мощность (ЛС) 0.2 0.3 0.6 1.0 1.5 1.8 2.0
Мягкая сталь (27) Скорость (об/мин) 2700 1800 1300 1100 900 750 650
Подача (мм/оборот) 0.13 0.13 0.13 0.15 0.15 0.15 0.15
Мощность (ЛС) 0.2 0.3 0.6 1.0 1.5 1.8 2.0
Высокопрочная или Скорость (об/мин) 900 600 450 375 300 250 220
нержавеющая сталь (9) Подача (мм/оборот) 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025
Мощность (ЛС) 0.2 0.3 0.6 1.0 1.5 1.8 2.0
Титан, инконель (6) Скорость (об/мин) 600 400 300 250 200 175 150
Подача (мм/оборот) 0.05 0.08 0.08 0.08 0.1 0.1 0.13
Мощность (ЛС) 0.2 0.3 0.6 1.0 1.5 1.8 2.0
Композиционные материалы Композиты представляют широкий спектр материалов: углепластик, стеклопластик, кевлар, керамика. При выборе оптимальных режимов резания учитываются тип волокна, связка, режущий инструмент. Усилие подачи может быть небольшим, но скорость подачи должна быть обязательно постоянной. Используется режущий инструмент из твердого сплава или алмазный
Комбинированные пакеты При обработке пакетов из различных материалов, режим подбирается по самому труднообрабатываемому материалу. Лучше использовать СМАП с «клюющей» подачей
машины. Дополнительными модулями СМАП являются: носовая насадка, подбираемая по размерам режущего инструмента и механизму крепления СМАП в кондукторе (цанговому или байо-нетному), микронасос для подачи СОЖ (фото 3), счетчик циклов для учета сверлильных операций и отслеживания времени наработки (фото 4).
Модульный принцип построения СМАП и подбор соответствующего режущего инструмента позволяют получить устройство, настроенное на конкретную сверлильную задачу и режим обработки. В Таблице 1 приведены справочные данные режимов обработки для основных авиационных материалов. По свойствам материала и требованиям к качеству отверстий определяются такие характеристики машины, как скорость и мощность привода, скорость подачи режущего инструмента. Определение хода и длины шпинделя зависит от толщины пакета материалов. Конструкция шпинделя должна соответствовать конструкции хвостовика режущего инструмента, которая может различаться в зависимости от диаметра режущего инструмента, наличия зенко-вальной части и каналов подачи СОЖ.
СМАП ST1200 разработана для сверления пакетов из труднообрабатываемых материалов, таких как или комбинированных пакетов, в
которых, по крайней мере, один из слоев является труднообрабатываемым материалом.
СМАП ST1200 с импульсной («клюющей») подачей производит периодическую подачу и выемку режущего инструмента. В отличии от сверления с постоянной подачей (рис.1), когда отверстие проходится насквозь за один цикл, в машинах с импульсной («клюющей») подачей (рис.2) цикл сверления разделен на несколько этапов. С каждым этапом режущий инструмент погружается на определенную глубину и вынимается для охлаждения и освобождения от стружки. Глубина при каждом этапе увеличивается до тех пор, пока пакет не будет просверлен насквозь.
При сверлении с постоянной подачей образуется более крупная и длинная стружка (фото 5), при этом стружка более твердого слоя, проходя через более мягкий материал, может повредить поверхность отверстия в мягком слое. Импульсная «клюющая» подача исключает этот недостаток благодаря образованию мелкой, фрагментарной стружки (фото 6). Кроме этого, периодическая выемка режущего инструмента и охлаждение не вызывают перегрева сверла и термических изменений на поверхности отверстий.
Резьбовая фиксация хвостовика режущего инструмента обеспечивает наилучшее качество
Рис. 1 Постоянная подача
7
*
\
Фото 5. Стружка при постоянной подаче
сверления и скорость обработки материалов благодаря непосредственной фиксации режущего инструмента в шпинделе, возможности подачи СОЖ через режущий инструмент.
Шпиндель с резьбовой фиксацией может быть полым - для транспортировки СОЖ. СМАП ST1200 с резьбовой фиксацией режущего инструмента производят сверление высококачественного отверстия и зенкование за один переход.
Использование СОЖ существенно улучшает процесс сверления, повышает скорость обработки материалов и сберегает режущий инструмент. СМАП ST1200 оснащена микронасосом подачи СОЖ. Наибольший эффект от использования СОЖ и наилучшие результаты сверления достигаются твёрдосплавным режущим инструментом с напылением и с внутренними мас-локаналами. Наиболее предпочтительными для автоматического сверления труднообрабатываемых авиационных материалов или пакетов материалов, включая труднообрабатываемые, являются полностью синтетические, не содержащие хлоринов, фосфора, серы, и не оказывающие отрицательного влияния на адгезию материалов с герметиками, эмульсии марок ACCU-LUB фирмы ROCOL (США) и ALUMICUT фирмы SETRAL CHEMIE (Германия).
Рис. 2. Импульсная («клюющая») подача
Фото 6. Стружка при импульсной («клюющей») подаче
СМАП 8Т1200 крепится своей носовой частью за специализированную оснастку (кондуктор), устанавливаемую и зафиксированную напротив просверливаемых материалов.
Кондуктор изготавливается из прочного алюминиевого сплава толщиной от 10 до 40мм. Фиксация концентрической цанги в отверстии кондуктора производится за счет расширения цанговой втулки, а механизм расширения приводится в действие с помощью пневматического цилиндра. Концентрическая цанга удобна в задачах с зенкованием или для высококачественной разделки отверстий (Н7), когда требуется дополнительный переход и смена режущего инструмента. Концентрическая цанга используется так же там, где требуется высокая скорость перестановки машины от отверстия к отверстию.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Данное исследование является составной частью ОКР по теме «Изготовление металлических деталей. Отработка технологии сборки. Сборка конструктивно-подобных и натурных образцов соединений, ограниченных и натурных отсеков элементов конструкции хвостового оперения семейства самолетов МС-21. Разработка проектов нормативной документации (НД) по технологии сборки».
Задачи данной ОКР:
• проведение экспериментальных исследований по отработке технологии разделки отверстий на образцах с допусками Н9 с применением СМАП;
• анализ результатов работы.
В экспериментах использовались следующие смешанные пакеты:
• КМ (плита от ОНПП «Технология» - углепластик на основе HexPly M21/34%/UD194/ IMA, покрытый стеклотканью, S=4 мм) + Al (Д16Т, S=5 мм);
• КМ (плита от ОНПП «Технология» - углепластик на основе HexPly M21/34%/UD194/ IMA, покрытый стеклотканью, S=4 мм) + Ti (ВТ6ч, S=4 мм).
Разделка отверстий проводилась через кондукторную плиту с применением СОЖ ACCU-LUBE LB5000 компании ROCOL (США). Разделка отверстий осуществлялась последовательно со стороны углепластика и со стороны металлов. Практика показывает, что в первом случае, направление сверления приводит к наименьшему расслаиванию материала на выходе режущего инструмента.
Турбодвигатель компании-производителя Atlas Copco (Швеция), после соответствующей переконфигурации, обеспечивал два значения скорости вращения шпинделя при одинаковой скорости подачи режущего инструмента (S=0,06 мм/об) - n=600 об/мин для пакета КМ-Ti и n=3000 об/мин для пакета КМ-Al.
На основании опыта эксплуатации режущего инструмента было принято решение не использовать в качестве материала для рабочей части сверла быстрорежущую сталь (HSS) и быстрорежущий кобальт (HSS-Co), а применить
карбид (твёрдосплавной материал). Режущий инструмент был предоставлен компанией Sandvik-Precorp (США) - Ж 6,35 мм с цилиндрическим резьбовым хвостовиком и маслокана-лами для подачи СОЖ (фото 7).
3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Измерения производились в центральной измерительной лаборатории (ЦИЛ) ЗАО «Авиа-стар-СП» на координатно-измерительной машине (КИМ) GLOBAL № GLOA 000672, предназначенной для решения самого широкого круга задач размерного контроля в промышленности. Важнейшими потребительскими качествами КИМ GLOBAL являются:
чрезвычайно высокая производительность и надежность;
• повышенная точность (погрешность КИМ: ± (2,1+L/333) мкм, (где L - в мм));
• неограниченная универсальность применения.
3.1. Разделка отверстий в пакете КМ-Al
На фото 8 и 9 показаны полученные в пакете КМ-Al отверстия. Результаты измерений чистоты качества полученных отверстий приведены в табл. 2.
Отверстия, соответствующие допуску: Al 1 (25%) КМ 0
Отверстия, превышающие допуск: Al 0 КМ 0
Отверстия, уходящие в минусовой допуск: Al 3 (75%) КМ 4 (100%)
Среднее отклонение от круглости: Al: 0,063 КМ: 0,053
Фото 7. Сверло твёрдосплавное Ж 6,35 мм с цилиндрическим резьбовым хвостовиком и маслоканалами для подачи СОЖ компании 8аМу1к-Ргесогр (США)
Фото 8. Вид со стороны Al
Фото 9. Вид со стороны КМ Таблица 2
№ отв. 0 отв. по КД Допуск по КД 0 отв. факт. Откл. 0 отв. Откл. от круглости Режим сверления
А1 КМ А1 КМ А1 КМ
1 6,35 Н9 (+0,036) 6,336 6,321 -0,014 -0,029 0,037 0,036 Сверление со стороны А1 с СОЖ скорость 3000 об/мин, подача 0,06 мм/об
2 6,35 Н9 (+0,036) 6,275 6,327 -0,075 -0,023 0,138 0,038
3 6,35 Н9 (+0,036) 6,370 6,326 0,020 -0,024 0,028 0,028 Сверление со стороны ПКМ с СОЖ скорость 3000 об/мин, подача 0,06 мм/об
4 6,35 Н9 (+0,036) 6,329 6,298 -0,021 -0,052 0,047 0,108 Сверление со стороны ПКМ без СОЖ скорость 3000 об/мин, подача 0,06 мм/об
3.2. Разделка отверстий в пакете КМ-^ дены в табл. 3.
Отверстия, соответствующие допуску: На фото 10 и 11 показаны полученные в па- ^ 3 (75%) КМ 0
кете КМ-^ отверстия. Результаты измерений Отверстия, уходящие в минусовой допуск: чистоты качества полученных отверстий приве- ^ 0 КМ 3 (75%)
Фото 11. Вид со стороны КМ Таблица 3
№ отв. 0 отв. по КД Допуск по КД 0 отв. факт. Откл. 0 отв. Откл. от круглости Режим сверления
Т1 КМ Т1 КМ Т1 КМ
1 6,35 Н9 (+0,036) 6,363 6,336 0,013 -0,014 0,020 0,021 Сверление со стороны Т с СОЖ скорость 600 об/мин, подача 0,06 мм/об
2 6,35 Н9 (+0,036) 6,359 6,331 0,009 -0,019 0,017 0,047 Сверление со стороны Т с СОЖ скорость 600 об/мин, подача 0,06 мм/об
3 6,35 Н9 (+0,036) 6,374 6,345 0,024 -0,005 0,022 0,030 Сверление со стороны ПКМ с СОЖ скорость 600 об/мин, подача 0,06 мм/об
4 6,35 Н9 (+0,036) 6,455 6,394 0,105 0,044 0,057 0,040 Сверление со стороны ПКМ без СОЖ скорость 600 об/мин, подача 0,06 мм/об
Отверстия, превышающие допуск:
Т 1 (25%) КМ 1 (25%)
Среднее отклонение от круглости: Тк 0,029 КМ: 0,035
3.3. Результаты
Для простоты восприятия сведу результаты измерения чистоты разделки отверстий в таблицы:
№ отв. 1 2 3 4
Al
КМ
№ отв. 1 2 3 4
Ti
КМ
Таблица 4 Пакет КМ-Al
Таблица 5 Пакет КМ-Ti
□ □ □
Отверстия, соответствующие допуску Н9 (+0,036)
Отверстия, уходящие в минусовой допуск от Н9 (+0,036)
Отверстия, превышающие допуск Н9 (+0,036)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты испытаний - положительные. Впервые после ряда отрицательных испытаний инструмента, предоставляемого различными компаниями, найдена машина, способная эффективно разделывать отверстия в смешанных пакетах КМ-Т1-А1, предусмотренных конструкцией хвостового оперения и центроплана перспективного самолёта МС-21. Применение СМАП выводит технологию сборки агрегатов на новый уровень, до настоящего времени не освоенный в России, включая новую конструкцию стапелей для сборки агрегатов.
К положительным качествам СМАП относятся:
• надежная фиксация в кондукторе;
• автоматический цикл сверления - при нажатии кнопки пуска включается механизм вращения шпинделя и автоподача, после выполнения отверстия шпиндель возвращается в исходное положение и останавливается;
• наличие системы подачи СОЖ непосредственно в зону сверления через маслоканалы режущего инструмента;
• наличие импульсной ("клюющей") подачи и системы отвода измельченной стружки,
позволяющие уменьшать влияние последней на качество обработки отверстий;
• наличие счетчика количества циклов (для своевременной замены сверла).
Применение СОЖ обеспечило меньшие усилия резания и уменьшило нагрев инструмента.
По результатам опытной работы можно рекомендовать СМАП 8Т1200 для использования на этапе стапельной сборки агрегатов, например для:
• сверления отверстий под заклепки в деталях из КМ и в смешанных пакетах;
• сверления и зенкования отверстий под болты и болт-заклепки в один переход в деталях из КМ в смешанных пакетах.
Считаю, что следующим шагом должно стать создание технологической лаборатории, на базе которой будут отрабатываться и анализироваться технологии разделки отверстий в труднообрабатываемых материалах и смешанных пакетах, включающие в себя подбор оптимальных условий сверления, исходя из:
• марки материалов пакета;
• толщины пакета;
• заданных параметров отверстий.
На основании заключения лаборатории, станет возможным наиболее качественный подбор режущего инструмента, СОЖ и др. параметров.
DISTINCTIVE FEATURES OF MAKING HOLES IN THE MIXED STACKS FROM COMPOSITE, TITANIUM ALLOYS AND ALUMINUM ALLOYS
© 2012 A.A. Pikalov
IRKUT Corporation, Ulyanovsk Branch
The report is devoted to searches of solutions of a problem of high-quality holes cutting in mixed stacks Comp-Ti-Al provided by a design of tail and centre-section of the prospective MS-21 airplane. Whether can deduce technology of airplane units assembly using of advanced drilling unit (ADU) on the new level which hasn't been reached by the Russian aviation industry so far? Whether there will be such application economically and technologically reasonable? It is possible that our experience and experience of the leading foreign aircraft-building companies will help us to answer these questions.
Key words: advanced drilling unit, conventional feed, vibration ("peck") feed, composites, lubricating fluid, developmental work, design documentation, automated measuring system
Anton Pikalov, Manager Production Department. E-mail: [email protected]
