CC BY
39
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
УДК 621.74
Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко
ОГНЕВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, и.о. директора филиала в г. Арсеньеве («Дальневосточный федеральный университет). БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - зам. директора по НИР и развитию филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет).
ДЕНИСЕНКО ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - профессор кафедры самолето- и вертолетостроения филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет), управляющий директор ОАО ААК «Прогресс» им. Н.И. Сазыки-на (г. Арсеньев).
E-mail: [email protected]
ОСОБЕННОСТИ ТОЧНОГО ЦВЕТНОГО ЛИТЬЯ КРЫЛЬЕВЫХ И КОРПУСНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ БПЛА
Впервые обобщены теория работы и технологические приемы, применяемые в серийном производстве авиатехники. Представлен процесс создания и отработки принципиально нового метода литья и последующих технологических процессов, потребных для изготовления из цветных сплавов тонкостенных панельных и корпусных отливок фюзеляжа и плоскостей беспилотных летательных аппаратов различных типов. Показаны достижения, варианты использования технических решений, данные исследований, проведенных отечественными и зарубежными учеными - литейщиками и штамповщиками, а также заводскими специалиста-ми-практиками. Описаны данные по собственным НИОКР.
Ключевые слова: литейная машина, кокиль, створа, оснастка, матрица, усадка, отливка, рихтовка.
The peculiarities of the high accuracy chromatic castings of the aerofoil and board panels of unmanned aerial vehicles. Yrij F. Ognev, Oleg Sh. Berdiev, Yrij P. Denisenko - Branch in Arsenyev (Far Eastern Federal University).
The article is the fist to generalise the theory of operation and processing methods used in the series production of aircrafts. It presents the process of originating and testing a new casting technique with the subsequent know-how processes required to manufacture thin fuselage panels or enclosure fuselage casting of non-ferrous alloys intended for unmanned aircrafts of various types. It demonstrates the achievements, variants of engineering solutions, and data of investigations conducted by
© Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П., 2012
domestic and foreign scientists, casters and puncher as well as factory practitioners. It contains the data of the original research and development.
Key words: casting machine, die casting, alignment, equipment, matrix shrinkage, casting, leveling.
Длительное время в авиастроении проблематичным было получение отливок панельного типа, т.е. обшивки с подкрепляющими элементами или рациональных равнопрочных узлов, хотя литейные процессы самолетостроителями применяются весьма широко.
Литьем обеспечивается высокий коэффициент использования металла (по легким сплавам КИМ 0,60, а при литье под давлением - до 0,95), что позволяет получать дешевые заготовки. Поэтому очевидна задача получения литьем крупногабаритных тонкостенных конструкций панельного и корпусного типа для беспилотных летательных аппаратов
Литейной практике и науке не были известны методы литья, которые бы позволили получать указанные детали из легких сплавов. Попытки получить имевшимися методами крупногабаритные тонкостенные детали заканчивались, как правило, безрезультатно.
Причина неудач - невозможность преодоления существовавшими методами литья трудностей, обусловленных физическими явлениями, протекающими при литье крупногабаритных тонкостенных конструкций.
Поскольку для получения отливки необходимо, наряду с другими важными операциями (изготовление формы и приготовление расплава):
- заполнить полость формы металлом;
- обеспечить температурные поля при заполнении полости форм и затвердевании отливки, создающие условия для ее питания в отсутствие значительных термических напряжений, приводящих к трещинам;
- обеспечить условия силового и теплового взаимодействия затвердевающей отливки и формы, исключающие образование трещин, каверн и значительные коробления отливки;
- создать форму потребной точности и обеспечить тепловые и силовые условия ее работы, которые обеспечивали бы требуемую точность отливки.
Анализ гидродинамических и теплофизических условий процесса, показывает, что для тонкостенных крупногабаритных отливок выполнить эти условия чрезвычайно сложно, а обычными литейными процессами - практически невозможно.
Уравнения, полученные интегрированием теплового баланса, учитывают гидродинамические и теплофизические явления при заполнении горизонтальной и вертикальной полостей формы [3, 5]:
где L - длина пути расплава, заполняющего горизонтальную полость формы, до начала затвердевания металла;
(БПЛА).
(1)
(2)
Ъ - высота пути расплава, заполняющего вертикальную полость формы, до начала затвердевания металла;
Япр- приведенная толщина отливки (толщина полости формы),
Бп - площадь сечения потока расплава;
б - длина контура потока, на котором происходит теплообмен.
Для плоской отливки Я « —;
2
5 - толщина отливки;
у - удельный вес расплава;
с - удельная теплоемкость расплава;
а - коэффициент теплоотдачи от поверхности отливки;
6 - коэффициент скорости;
g - ускорение силы тяжести;
Н - напор;
1 - температура заливки сплава в форму;
^ - температура начала затвердевания металла;
12 - начальная температура формы.
Из анализа уравнений (1) и (2) следует, что заполнение полости форм для тонкостенной отливки - сложная задача, и основным фактором, затрудняющим заполнение тонкостенной отливки, является малое значение Япр (или малая толщина отливки).
Так, получить большие значения Ь и Ъ ( > 0,5 м) при малой толщине отливки (1-4 мм) при реальных теплофизических характеристиках металлов и материалов формы теоретически возможно в следующих случаях (направлениях):
1) при высоких значениях скоростей заполнения формы
о = ¡¡42Ш > 1 м/с;
2) обеспечении теплоизоляции формы, которая бы резко уменьшала коэффициент теплоотдачи от поверхности отливки а;
3) температуре формы, равной температуре затвердевания металла;
4) увеличении толщины полости формы.
Из существовавших методов литья высокую скорость заполнения формы обеспечивает литье под давлением. Но известно также и то, что при литье под давлением локальный подвод расплава в форму в сочетании с высокими линейными скоростями расплава в форме приводит к бурному перемешиванию расплава («эмульсионное» или «турбулентное» заполнение) и как следствие - к низким механическим свойствам отливки.
Теплоизолировать крупногабаритную форму, чтобы уменьшить определенный фактор (см. выше - направление 4), практически пока нереально из-за отсутствия материалов.
Поднять температуру формы до температуры затвердевания металла несложно при литье алюминиевых и магниевых сплавов для небольших отливок (например, при литье по выплавляемым моделям). Для крупногабаритных отливок (с площадью > 1 м2) выполнить подобное условие невозможно как из-за трудностей нагрева формы, так и из-за ее коробления.
Рассмотренные первые три направления возможного заполнения тонкостенной отливки используются на практике, но не дают возможности получать тонкостенную отливку с площадью > 1м2.
В новом методе литья принят принципиально иной путь решения: для получения тонкой стенки отливки - увеличить толщину полости формы.
Одна из главных принципиальных особенностей нового метода литья, названного «выжиманием», - это регулирование гидродинамических и тепловых параметров за счет Япр. Практически это осуществляется за счет изменяемой в процессе литья толщины отливки (толщины полости формы).
Как известно, при всех существующих методах литья (за исключением литья заготовок постоянного сечения, методом вакуумного всасывания или методом литья под низким давлением) заполнение формы происходит затопленными струями. Струйное заполнение формы предопределяет неодномерный в гидродинамическом отношении характер ее заполнения и неодномерное температурное поле в заполняемой, затвердевающей и затвердевшей отливке.
, , 1^1 _ ^7 ^
Из уравнения (1) в виде 1п —--2 =-----------. (3)
Ь - ^2 Япр С'Ч 2%Н
и при рассмотрении температуры 1 как температуры элемента потока в зависимости от пройденного пути Ь следует, что при струйном неодномерном заполнении полости формы как на стадии заполнения, так и на стадии затвердевания в отливке образуется сложное температурное поле. Обеспечение направленного затвердевания отливки требует сложных технологических приемов. Именно из-за сложности картины температурных полей при заполнении и затвердевании отливки до настоящего времени в литейной практике не применяются методы расчета затвердевания отливки.
Важной принципиальной особенностью литья выжиманием является то, что заполнение полости форм идет практически одновременным сплошным потоком (без струй и застойных зон), что, в свою очередь, обеспечивает близкое к одномерному температурное поле отливки.
Характер струйного заполнения формы и неодномерное температурное поле при обычных методах литья требуют мощной питающей системы, холодильников, технологических напусков и т.п. Но и эти меры не всегда обеспечивают необходимый режим затвердевания и питания отливки. С уменьшением толщины отливки, увеличением площади поверхности трудности создания режима питания отливки значительно возрастают.
Анализ уравнения для расчета длины зоны действия прибыли для случая объемного затвердевания отливки (как правило, тонкостенные отливки из легких сплавов затвердевают объемно) показывают, что чем выше скорость затвердевания, тем меньше зона действия прибыли [2]:
Л
(4)
Л =■ к
а-у-3
Р - Р
у-соб¡ + Лу2-со822а-д-3- 0 1
к
У
где а - коэффициент объемной усадки;
д - коэффициент динамической вязкости жидкого металла; к - коэффициент проницаемости пористой среды (сетки кристаллов);
и - скорость затвердевания отливки.
У БПЛА тонкостенные детали составляют до 70%, большинство которых возможно получить литьем выжиманием. Основная особенность способа литья в том, что заполнение формы происходит потоком большого сечения, во много раз превышающего конечную толщину стенки отливки. Это позволяет замедлить охлаждение движущегося в форме расплава, снизить его температуру, уменьшить гидравлические потери и заполнить форму с большой площадью поверхности с одновременным обеспечением литого материала высокого качества.
Приготовленный расплав с избытком заливают в нижнюю часть раскрытой формы-металлоприемника и выдерживают до заданной температуры, близкой к началу кристаллизации, затем расплав под действием сближающихся полуформ движется вверх. В промывник выносится избыток сплава вместе с находящимися в головной части потока загрязнениями. К концу процесса в рабочей части формы остается порция металла, достаточная для формирования тонкостенной отливки.
Рис. 1. Стержневая линия ЛП031 и сборочный стенд Рис. 2. Литейно-выжимные машины
стержневого блока ВП10, ВП20, ЛПС-1М
Для литья выжиманием применяется стержневая линия ЛП031 и литейно-выжимные машины ВП10, ВП20, ЛПС-1М (рис. 1 и 2).
Литейно-выжимные машины ВП20 и ВК-8 (ЛПС-1М) снабжены гидравлическим приводом и имеют широкий диапазон плавного регулирования скоростей сближения полуформ по заданной программе. Управление обеих машин - дистанционное с пультов, на которых установлены приборы, контролирующие их работу и ход технологического процесса. Машины просты в управлении, удобны в обслуживании и не требуют специальной подготовки к эксплуатации.
Серийно изготовляемые оребренные панели крыла и оперения размером до 2100x1000 мм со стенкой постоянной и переменной толщины от 2,5 до 1,7 мм из алюминиевых сплавов заменили сборно-клепаные конструкции. Литые панели имеют высокую точность, прочность и не нуждаются в последующей механической обработке сложной аэродинамической поверхности, за исключением стыковых зон.
На усовершенствованной машине ВК-8 (ЛПС-1М) освоен процесс литья тонкостенных корпусов диаметром 760±1,0 мм, высотой до 1000 мм со стенкой толщиной 2,5 мм из сплава АЛ2. Серийно отливаемые корпуса также отличаются высокой точностью и не нуждаются в последующей механической обработке лицевой поверхности (рис. 3). Процесс литья выжиманием корпусных и панельных заготовок включает подготовку основных и вспомогательных материалов; литейно-выжимных машин; технологической оснастки, приспособлений; изготовление и сборку стержневого блока (для корпусных заготовок); сборку литейных форм; приготовление расплава; заливку расплава в машины; выжимание сплава и формирование отливки; технологическую выдержку отливок на кристаллизацию; извлечение отливок из машины, удаление стержневой смеси (для корпусных отливок); отделение литни-ково-питающей системы; термопрессовку или высокоскоростную импульсную рихтовку отливок (корпусных); отжиг, правку отливок (панельных); контрольные операции.
Рис. 3. Литые корпусные и панельные детали Рис. 4. Стержневой блок, подготовленный для
установки в литейно-выжимную машину ВК-8 (ЛПС-1М)
Подготовка основных и вспомогательных материалов при литье выжиманием аналогична подготовке при литье отливок из легких сплавов.
Стержневой блок (рис. 4), формирующий внутреннюю поверхность отливки, изготовляют из холоднотвердеющих смесей (ХТС) и смесей на крепителе МФ-17, он должен сохранять точность размеров и иметь достаточную прочность, чтобы исключить деформацию при его транспортировке, надежно противостоять давлению выжимаемого металла.
Для предотвращения усадочных трещин в отливке, стержневая смесь должна быть податливой, а конструкция стержней должна обеспечивать сводную усадку сплава при кристаллизации (0,6 по диаметру и 0,7 по высоте). Перед установкой в машину стержневой блок калибруется по заданному размеру на стенде, затем поверхность покрывается противопригарной краской, подсушивается при температуре 200 °С в течение 1,5-2 ч. Для транспортировки и точной установки стержней в форму применяется центровочный металлический каркас.
При сборке стержневого блока для литья тонкостенных корпусов на опорную плиту устанавливают стержень металлоприемника, который проверяется по высоте: на централь-
ный штырь машины устанавливают стержневой блок, подводят матрицы в рабочее положение и закрывают уплотнительные щеки (рис. 5).
Рис. 5. Форма, подготовленная к заливке корпуса на машине ВК-8 (ЛПС-1М)
Металлические полуформы предварительно нагревают до 150-200 °С и окрашивают теплоизоляционной краской.
Приготовление сплава производится в электрических печах сопротивления емкостью 250 кг алюминиевого сплава.
Шихта составляется из возврата собственного производства (до 80%) и первичных материалов в виде слитков. Модифицирование сплава производится универсальным флюсом. Приготовленный сплав заливают в форму одновременно из двух тиглей через заливочные воронки, установленные в окна боковых щек. Для обеспечения плавности потока и предупреждения попадания в металлоприемник окислов и других загрязнений на торцах литниковых воронок устанавливают фильтрующие сетки из стеклоткани с ячейками от 1x1 до 1,3 х 1,3 мм.
Выжимание сплава производится в интервале температур 600-610 °С при скорости потока 0,2-0,3 м/с, обеспечивающей смыв твердой фазы с поверхности охлаждения и накапливание ее в потоке до заданного количества.
Сближение матриц происходит по программе в течение 5,0-7,8 с в зависимости от конфигурации и габаритных размеров отливки. После затвердевания отливки матрицы раскрываются и отливка вместе с песчаными стержнями извлекается из формы грузоподъемным механизмом. Далее проводятся выбивка стержней, обрезка технологических приливов и прибылей, зачистка заливов, заусенцев отливки.
Немаловажно, что серия технических решений разработчиков, не имевших аналогов в мировой практике, защищена отечественными охранными документами и запатентована в США, Великобритании, Италии, Японии.
Помимо изделий типа «П» и «ПУМ» технологический процесс широко применялся в производстве КР «Термит» [1].
Для доведения наружного диаметра корпусной отливки применяется термоопрессовка корпусов. Операция заключается в том, что отлитая заготовка корпуса (оболочки) устанавливается в специальный термоштамп, изготовленный из чугуна, с коэффициентом линейного
расширения больше, чем у заготовки. Процесс термоопрессовки отливки основан на использовании различных физико-механических свойств отливки и термоштампа.
Рис. 7. Оболочковая заготовка в термо- Рис. 8. Устройство для рихтовки открытых пане-штампедля проведения термоопрессовки лей взрывом
При термоопрессовке литая заготовка корпуса помещается в термоштамп (рис. 7). В процессе нагрева происходит силовое взаимодействие между отливкой и термоштампом; в отливке возникают касательные и радиальные напряжения, вызывающие упругопластическую деформацию - сжатие заготовки по диаметру.
Термоштамп с корпусной отливкой помещают в электропечь, доводят температуру до 530 °С, выдерживают в течение 1,5-2 ч, затем термоштамп с отливкой охлаждается на воздухе до комнатной температуры, после чего корпус извлекается из термоштампа и производится его обмер по диаметру.
Заготовки панельного типа подвергаются размерной правке (калибровке-рихтовке), традиционной или с использованием интенсифицированного процесса импульсного нагружения в специальном устройстве, которое представляет собой пакет стальных плит, верхняя из которых имеет формообразующую эталонную полость, обеспечивающую герметизацию по периметру помещаемой в нее заготовки (рис. 8). При взрыве заряда взрывчатого вещества (БВВ) в гидросреде над верхней плитой устройства, в которую предварительно помещен комплект панелей (левой и правой), происходит рихтовка литых заготовок [4, 6-9].
Внедрение технологического процесса литья выжиманием деталей панельного и корпусного типа позволило обеспечить серийное производство этих заготовок со стабильно высоким качеством, добиться высоких технико-экономических показателей и предложить отечественным и зарубежным коллегам достигнутые результаты для применения (Giebform zur Herstellung von Gubstücken durch Verdrängungsgieben: Deutsches Patentamt. DE 3223797 C2. Int. Cl3: B 22 D 18/00, B 22 D 15/04. Logvinov A.A., Milov V.N., Ostrenko N.S., Demjanovic N.A., Moskva SU; Antonov V.A., Tiraspol, SU; Abdulin F.S., Uljanovsk, SU; Berdiev O.S., Arseniev, SU).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдулин Ф.З., Милов В.Н., Мусияченко А.С. и др. Литье крупногабаритных тонкостенных корпусов выжиманием // Технология авиационного производства: сб. науч. тр. / под ред. П.И. Белянина. М.: НИАТ, 1989. С. 38-44.
2. Вейник А.И. Расчет отливки. М.: Машиностроение, 1964. 254 с.
3. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: Машгиз, 1963. 312 с.
4. Взрывной патрон: Авторское свидетельство на изобретение СССР № 797126,
В 21Б 26/08, УДК 621.7.044.2 (088.8) / Молодых С.И., Сабакарь А.И., Кириченко Л.Р., Бердиев О.Ш.
5. Мусияченко А.С. Исследование процессов заполнения формы и гидродинамических параметров при литье крупногабаритных тонкостенных деталей (литье выжиманием): дис. ... канд. техн. наук / Предприятие п/я М-5671. М. 1962.
6. Устройство для импульсной штамповки: Авторское свидетельство на изобретение СССР № 611351, В 21 Б 26/08, УДК 621.7.044.2 (088.8) / Бердиев О.Ш.
7. Устройство для импульсной штамповки крупногабаритных деталей: Авторское свидетельство СССР на изобретение № 743267, В 21 Б 26/08, УДК 621.7.044.2 (088.8) / Савченко Н.Ф., Турчин С.П., Суровцев Н.И., Бердиев О.Ш., Гончаров Н.Н.
8. Устройство для обработки металлов давлением: Авторское свидетельство СССР на изобретение № 698221, В 21 Б 26/06, УДК 621.98.044 (088.8) / Бердиев О.Ш., Яцуценко В.А.
9. Устройство для штамповки импульсными нагрузками: Авторское свидетельство СССР на изобретение № 445701, В 21 Б 26/08, УДК 621.983.044 (088.8) / Бердиев О.Ш., Подгорный С.И.
