Технология авиационного строения

Для технологического обеспечения  создания и серийного производства новой авиационной техники, современная технология авиационного строения располагает совокупностью процессов, методов, способов и технических средств изготовления различных видов заготовок, деталей, узлов и агрегатов на всех этапах производства от заготовительного до отделочной обработки и сборки. В заготовительном производстве применяются технологии, обеспечивающие изготовление заготовок с высокими и стабильными прочностными свойствами, с минимальными припусками на механическую обработку и минимальной дополнительной размерной обработкой поверхностей. В области технологии литья эта задача решается путём освоения технологических процессов точного стального и титанового литья, в том числе литья под давлением, в вакууме, обеспечивающих повышение прочности и плотности отливок, процессов для получения тонкостенных отливок, работающих в условиях высоких знакопеременных нагрузок, литья с использованием эффекта направленного затвердевания расплава. В кузнечно-штамповочном производстве выпуск точных заготовок из высокопрочных и труднодеформируемых сталей, титановых и др. сплавов обеспечивается такими прогрессивными процессами, как малоокислительный и безокислительный нагрев, нагрев с применением защитно-смазочных покрытий, деформирование на высокоскоростных молотах, деформирование в изотермических условиях и условиях сверхпластичности, электровысадка, холодное выдавливание, высокоскоростная штамповка, горячее деформирование композиционных и порошковых материалов в условиях сверхвысокого гидростатического давления. Для технологии заготовительно-штамповочного производства характерно получение сложных деталей из труднодеформируемых материалов, внедрение процессов пластического деформирования взамен процессов резания, а также снижение ручных доводочных работ в результате изготовления деталей из листов, профильных материалов и труб. Специфические процессы механической обработки деталей в авиастроении включают: фрезерование монолитных панелей больших размеров, фрезерование сотовых заполнителей, изготовление лопаток, валов и дисков газовых турбин и др. процессы. Механическая обработка осуществляется на специальном и специализированном металлорежущем оборудовании, часто с ЧПУ. В конце 60-х гг. получили распространение технологические процессы размерного химического травления, электрохимической и электрофизической обработки. Область их применения всё более расширяется. Размерное химическое травление применяется для обработки крупногабаритных листовых деталей сложного профиля (типа обшивок, панелей), для удаления тонких слоёв материала с поверхности деталей с целью уменьшения их массы и шероховатости и повышения точности, для получения клиновых сечений деталей.

Важное место в технологии авиационного строения занимает термическая обработка металлов. Специфичной для технологии авиационного строения является термообработка в защитных средах и с применением высококонцентрированных источников нагрева, в том числе скоростная электротермическая обработка тонкостенных корпусных деталей из высокопрочных сталей и титановых сплавов; несимметричных стальных изделий с большой толщиной стенок; поверхностей деталей и узлов, работающих в условиях ударного нагружения и износа. При изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из титановых сплавов применяется термообработка в вакууме и аргоне, совмещённая с термической правкой, с релаксацией упругих напряжений. Технология термообработки развивается в направлении совершенствования методов упрочняющей обработки крупногабаритных изделий, конструкций из высокопрочных материалов, создания принципиально новых способов упрочнения, обеспечивающих полную реализацию прочностных возможностей материалов.

Упрочняющая обработка в  технологии авиационного строения необходима при изготовлении большой номенклатуры алюминиевых, стальных и титановых деталей, работающих в широком диапазоне нагрузок и температур, а также для обеспечения надёжной работы контактирующих поверхностей подвижных и неподвижных соединений, в том числе поверхностей сквозных и глухих отверстий. Используются различные методы поверхностного пластического деформирования — пневмодинамический, ударно-барабанный, гидродробеструйный, а также методы раскатывания, обкатывания, алмазного выглаживания, глубокого пластического деформирования. Совершенствование упрочняющей обработки направлено на повышение производительности оборудования и улучшение качества; одним из направлений является применение программного управления процессами.

Сборка в общей трудоёмкости изготовления авиационной техники  составляет 40—50%. Заданную точность и  взаимозаменяемость составных частей летательных аппаратов обеспечивают методы увязки геометрических параметров: плазовые, эталонные, программные. Высокое качество сборки частей летательных аппаратов, включающих крупногабаритные детали, даёт применение их предварительной комплектации. Точность стыковки отсеков и агрегатов и их взаимозаменяемость гарантируются обработкой отверстий и поверхностей разъёмов и стыков в разделочных стендах. Совершенствование технологии сборки направлено на сокращение подгоночных работ, на повышение уровня механизации и автоматизации сборочных процессов, а также на повышение точности и улучшение качества аэродинамических поверхностей летательных аппаратов.

Для получения соединений элементов конструкций летательных аппаратов наиболее широко применяются установка болтов, различные способы клёпки и сварки, пайка, склеивание. Соединение обшивки с элементами каркаса и соединение элементов каркаса выполняются клёпкой или контактной сваркой. Клёпка открытых конструкций типа плоских каркасных узлов и панелей ведётся на стационарных прессах и автоматах. При сборке закрытых конструкций применяется ударная клёпка пневматическими молотками, клёпка переносными прессами, соединение заклёпками с односторонним подходом и безударная клёпка болтами-заклёпками. В технологии клёпки наблюдается сокращение объёма ударной клёпки, в том числе путём расширения области применения контактной сварки, односторонней прессовой и автоматической клёпки заклёпками-стержнями с одновременным образованием двух замыкающих головок. Сборка с применением сварки характерна для технологии авиационного строения. При этом используются высококонцентрированные источники тепла, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния и минимальные остаточные деформации. К числу этих процессов относятся: электроннолучевая, плазменная и лазерная сварки стальных и титановых деталей (обшивок, оболочек, роторов, панелей, рам, балок, стоек шасси, ёмкостей, отсеков и так далее). Плоские каркасные узлы и панели фюзеляжа, а также сотовые панели из титановых сплавов и жаропрочных сталей изготовляются с применением точечной и роликовой сварки, а кольцевые заготовки — контактной сваркой на стыковых машинах. В области технологии получения сварных соединений осваиваются способы сварки в твёрдой фазе (диффузионная, магнитно-импульсная, взрывом и др.), а также методы снижения деформаций сварных конструкций. Созданы первые гибкие интегрированные технологии и специальное оборудование, позволяющее на одном рабочем месте выполнять всю подготовку под сварку, сварку и зональную термическую обработку с контролем качества. Эффективным способом получения неразъёмных соединений деталей из высоколегированных жаропрочных сталей и титановых сплавов является высокотемпературная пайка, применяемая при изготовлении узлов ГТД (камер сгорания, турбин, компрессоров высокого давления), панелей с сотовым заполнителем и др. узлов. Технологические процессы склеивания применяются при сборке узлов и агрегатов с сотовыми заполнителями, с гофровым заполнителем, при соединении деталей из металла, стекла, резины, пластмасс, при креплении теплозащитных покрытий. Склеивание используется также в комбинированных соединениях (клеесварных, клееклёпаных, клееболтовых и др.). С помощью склеивания осуществляется изготовление лопастей винтов вертолётов, обшивки и панелей фюзеляжа, панелей хвостовых частей крыла и оперения, секций и панелей предкрылков, закрылков и тормозных щитков.

В технологии авиационного строения значительный объём работ связан с обеспечением герметизации различных узлов, топливных и воздушных отсеков, подвижных и неподвижных разъёмов агрегатов, клёпаных и болтовых соединений. Совершенствование технологий склеивания и герметизации направлено на повышение уровня механизации и автоматизации процессов, на уменьшение массы клеев и герметиков в изделиях, на повышение надёжности и ресурса герметичных изделий. При изготовлении узлов и составных частей летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов применяются методы намотки, выкладки, пултрузии из пропитанных связующим однонаправленных или тканых лент из волокон углерода, стекла или кевлара для изготовления типовых узлов — обшивок, оболочек, панелей, рулей, лонжеронов, створок, крышек люков и т. п.

Важная составная часть  технологии авиационного строения — испытания и контроль качества изделий. Для испытаний летательных аппаратов, двигателей и агрегатов применяются автоматизированные процессы измерения и регистрации параметров, как правило, с использованием ЭВМ. Неразрушающий контроль литых деталей, сварных и паяных соединений ведётся методами радиационной дефектоскопии. Качество точечной электросварки непосредственно в процессе её выполнения контролируется УЗ методом. Неразъёмные соединения деталей из композиционных материалов контролируются радиографическим и акустическим методами. Развитие технологии в этой области идёт в направлении повышения точности, объективности и оперативности оценки качества изделий.

Прогресс авиационной  техники в значительной степени  зависит от достигнутого уровня и  перспектив развития технологии авиационного строения Дальнейшее её совершенствование связано с развитием лазерной технологии и таких методов поверхностной обработки, как ионная имплантация, детонационное и др. виды напыления, коренным образом улучшающие эксплуатационные характеристики конструкций. Большое значение при разработке технологических процессов в авиастроении имеет автоматизация инженерного труда, в том числе на основе использования ЭВМ, САПР и АСУТП. Одним из направлений развития технологии авиационного строения и авиационного производства является создание и широкое применение гибких автоматизированных производств (ГАП) — организационно-технических систем, позволяющих в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства в короткий срок наладить выпуск новой продукции. Отличительной особенностью ГАП по сравнению с традиционным неавтоматизированным производством является его способность обеспечивать выполнение основных принципов массового поточного производства — непрерывности, ритмичности и пропорциональности в условиях выпуска большой номенклатуры изделий малыми сериями. Для ГАП характерно использование оборудования с ЧПУ и электронных вычислительных и управляющих машин для ведения технологических процессов, а также использование различных средств для автоматизации всех проектно-конструкторских и расчётных работ. Принципиально новыми компонентами ГАП являются также легко (гибко) перестраиваемые многономенклатурные автоматизированные участки технологической подготовки производства и поисково-информационной системы подготовки и реализации сменно-суточных заданий. В производственную часть ГАП входит автоматизированное технологическое оборудование основного производства (станки с ЧПУ, прессы-автоматы, сборочные или контрольные автоматы и т. п.), а также средства загрузки-выгрузки и накопления заготовок, деталей, материалов или полуфабрикатов, автоматизированные устройства комплектации, автоматизированные транспортно-складские системы, объединяющие в единое целое участки основного и вспомогательного производств. Для выполнения транспортных, погрузочных, а в ряде случаев и основных технологических операций используются манипуляторы (промышленные роботы). Участки технологической подготовки производства строятся так же, как и участки основного производства — по принципу многономенклатурных гибко перестраиваемых автоматизированных производств, на которых изготовляются инструмент, приспособления и технологическая оснастка, необходимая для длительного функционирования ГАП. Соответствующее металлорежущее и др. оборудование объединяется в гибкую производственную систему, управляемую ЭВМ. К обязательным функциям ГАП относятся автоматическое диспетчирование, автоматизированное проектирование и расчёт всех управляющих технологическими процессами программ (обработки, сборки и др.). В ГАП автоматизированы расчёт плана загрузки оборудования и учёт фактической его реализации с помощью АСУ; проектно-конструкторские и расчётные работы, осуществляемые программно-вычислительными комплексами. К техническим средствам комплексов относятся мини- и микро-ЭВМ с периферийными устройствами, а также всё программное и математическое обеспечение ГАП. Технология авиационного строения. как наиболее прогрессивная технология впитывает все новейшие достижения науки и техники, обеспечивая быстрый прогресс авиационной техники. Специфика основных технологических процессов технологии авиационного строения. рассмотрена ниже.

Литьё. Литые заготовки и детали экономичны с точки зрения обеспечения максимальной точности изготовления, минимального расхода материала и затрат труда. Изделия авиационной техники содержат значительное число литых деталей, длительно работающих при высоких температурах (до 1300 К) и давлениях (до 100 МПа), в коррозионных средах при статических и динамических (в том числе знакопеременных) нагрузках. Основное направление развития литейного производства в технологии авиационного строения — совершенствование и внедрение способов литья, позволяющих получать тонкостенные крупногабаритные отливки, отвечающие прочностным и весовым требованиям летательных аппаратов, по конфигурации и размерам максимально приближенные к готовым деталям. Выбор способа литья определяется конфигурацией, габаритными размерами и толщиной стенок деталей, характером производства, а также требованиями к механическим свойствам, точности обработки и качеству поверхности деталей. Наибольшее применение в авиастроении нашли способы точного литья: литьё по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением и др.

Литьё по выплавляемым моделям — способ, который позволяет получать детали любой конфигурации практически из всех применяемых в авиастроении сплавов (нержавеющих и жаропрочных сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов) с толщиной стенок 1—2,5 мм и длиной до 0,7 м с точными размерами и высоким качеством поверхности (низкой шероховатостью — R_z 40—2,5 мкм). Литьё в кокиль (многократно используемую металлическую форму) применяется для отливки деталей главным образом из алюминиевых и магниевых сплавов с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 1,5 м, обеспечивая сравнительно точные размеры при хорошем качестве поверхности (R_z 40—20 мкм). Литьё под давлением является комплексно-механизированным процессом, обеспечивающим изготовление отливок из алюминиевых, магниевых и др. сплавов с толщиной стенок до 1 мм и длиной 0,6 м с обеспечением высокого качества поверхности (R_z 2,5—2 мкм). Детали не нуждаются, как правило, в дальнейшей механической обработке за исключением некоторых сопрягаемых поверхностей. Вакуумирование сплава и подпрессовка позволяют получать отливки из высокопрочных термоупрочняемых алюминиевых сплавов с высокими механическими свойствами (предел прочности 500—450 МПа). Этот способ перспективен также для изготовления цельнолитых силовых деталей ответственного назначения, деталей из титановых сплавов и стали. Литьё осуществляют на машинах с холодной горизонтальной и вертикальной камерами прессования, часто с использованием блок-форм, существенно снижающих стоимость оснастки. Отливки с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 0,8 м из алюминиевых и магниевых сплавов с повышенной плотностью и достаточно низкой шероховатостью (R_z 40—20 мкм), со стабильными качественными и весовыми характеристиками получают литьём под низким давлением, осуществляемым на литейных машинах, обеспечивающих высокую степень механизации. Отливки с толщиной стенок до 4 мм и длиной до 1 м из алюминиевых и магниевых сплавов получают литьём в формы из смесей холодного твердения. Этот способ обеспечивает хорошее качество поверхности (R_z до 20 мкм) и является перспективным для поточных линий с групповой технологией. Отливки из титановых сплавов любой сложности с толщиной стенок до 3 мм, длиной до 2 м получают литьём в набивные графитовые формы с центробежной или стационарной заливкой. Способ является универсальным и позволяет при относительно коротком цикле и недорогой (металлической и деревянной) оснастке отливать детали практически любой сложности, но обеспечивает сравнительно небольшую точность и шероховатость R_z до 80 мкм. Наиболее массовые и характерные для авиационного производства тонкостенные детали (типа панелей, корпусов и т. п.) из всех алюминиевых сплавов разнообразной конфигурации с толщиной до 1 мм и длиной до 3 м получают способом литья выжиманием, который обеспечивает заполнение форм практически без перегрева, что резко уменьшает объёмную усадку и, следовательно, гарантирует высокую плотность отливок и точность размеров при достаточно хорошем качестве поверхности (R_z 40—20 мкм).

Штамповка — формообразование деталей с помощью специализированного инструмента (штампа). Штамповкой получают из профильного и листового материала (листовая штамповка) плоские и пространственные детали, у которых толщина значительно меньше других размеров. В технологии авиационного строения применяют специальные методы листовой штамповки: обтяжку и гибку с растяжением для формообразования элементов обшивки двойной кривизны и длинномерных деталей планёра летательного аппарата из профильных материалов. Штамповка производится на прессах, конструкция которых позволяет использовать упрощённые штампы, содержащие пуансон или матрицу. Для изготовления деталей каркаса самолёта из листового материала широко применяется групповая штамповка эластичными средами. Формообразование осуществляется с помощью форм-блока, являющегося пуансоном или матрицей. Роль второй части штампа выполняет эластичный материал, находящийся в контейнере, который входит в конструкцию пресса. Крупногабаритные детали несложной формы (обшивки одинарной кривизны, кольцевые детали) получают способом штамповки, которая называется гибкой-выкаткой. Эта операция производится на специализированных станках в гибочных валках. Формообразование листовых деталей из высокопрочных труднодеформируемых материалов производят способом горячей листовой штамповки, в том числе формообразование в режиме сверхпластичности, ползучести, а также совместно с термообработкой (для термически упрочняемых сплавов и сталей). Листовая штамповка осуществляется на специализированном прессовом оборудовании — растяжно-обтяжных и обтяжных прессах, прессах для штамповки эластичными средами.

Объёмной штамповкой, в  результате которой существенно  изменяется форма исходной заготовки, получают детали сложной пространственной формы с переменным по длине сечением. Применяют обычные методы объёмной штамповки на универсальном оборудовании (штамповочных молотах и кривошипных  горяче-штамповочных прессах), а также способы изотермической (в том числе в режиме сверхпластичности) и высокоскоростной малоотходной и безотходной штамповки на винтовых и многоплунжерных прессах в разъёмных матрицах. С целью повышения точности заготовок и снижения расхода металла проводят предварительное фасонирование: горячую вальцовку, прокатку, высадку, выдавливание и др.

В качестве специализированного оборудования применяются гидравлические прессы для изотермической штамповки, многоплунжерные молоты, электровысадочные машины, вальцы, прокатные станы. Высокоточные детали сложной пространственной формы, например лопатки ГТД, получают холодной вальцовкой на специализированных установках. Нагрев исходного материала под штамповку осуществляется в электрических печах, имеющих небольшой перепад температуры по поду печи. Нагрев стальных заготовок ведётся в газовых печах малоокислительного нагрева.