Автоматизированное проектирование деталей крыла

ВВЕДЕНИЕ

На всех этапах создания новых изделий – от проектирования до изготовления, приходится решать разнообразные геометрические задачи. В одних областях эти задачи играют подчиненную роль, в других – функциональные качества изделия решающим образом зависят от внешних форм отдельных узлов и взаимной их компоновки. Особенно важны задачи формообразования в проектировании аэро- и гидродинамических обводов агрегатов летательных аппаратов, рабочих колес, направляющих и отводящих каналов турбин. Здесь ни одна из существенных физических и технологических задач не может быть решена в отрыве разработки формы.

От формы изделия зависит его эстетическое восприятие, которое может меняться под воздействием различных факторов. Прагматическая и эстетическая компоненты входят в геометрию различных изделий в неодинаковых пропорциях. Иногда они достигают полного единства, например, в совершенных обводах современного воздушного лайнера или сверхзвукового истребителя, а иногда отдельные детали конструкций могут не обладать эстетическим воздействием, но выполнять важные функции.

Создание геометрических форм продолжается и на этапе подготовки производства, когда проектируется и изготовляется различная технологическая оснастка, включающая материальные носители геометрической информации: шаблоны, эталоны, стапели…

Потребности современной техники необычайно расширили диапазон используемых геометрических форм. В последние десятилетия распространены задачи, связанные с автоматической реализацией самого процесса формообразования на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Наиболее трудоемкой из этих задач является расчет траектории обработки сложной поверхности с учетом требуемой точности, геометрии режущего инструмента и кинематических особенностей станка.

Уже несколько лет с развитием вычислительной техники появилась возможность решать инженерно-геометрические задачи путем численного моделирования. В памяти компьютера создаются на цифровой основе геометрические объекты и геометрические отношения, адекватные реальным, а решение сводиться к численному оперированию с информационными, или, как принято говорить, математическими моделями.

Особенностью современного этапа развития техники является качественно новый подход к проектированию и разработке новых видов изделий, базирующийся на принципе оптимизации параметров изделия на этапе предварительного проектирования. Глубокий и всесторонний анализ решений, принимаемых на стадии проектирования, позволяет существенно снизить сроки и затраты на проведение испытаний, доводку и внедрение изделия в серийное производство. Сокращение сроков разработки новых образцов и ускорение научно-технического прогресса невозможны без самого широкого внедрения вычислительной техники в процесс проектирования.

1Развитие автоматизации технологической подготовки производства и ее современное состояние

Одним из основных способов использования вычислительной техники является применение совершенных систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе все более мощных ЭВМ, периферийной техники и широко развитого математического и программного обеспечения.

В нашей стране эти системы впервые появились в начале 60-х годов. Первый период характеризовался созданием систем, автоматизирующих традиционно сложившиеся методы и приемы в проектировании и на производстве. Например, в авиастроении в первую очередь автоматизация коснулась весьма трудоемких, но легко формализуемых плазовых работ. Другим направлением стало применение вычислительной техники и устройств машинной графики для изготовления технической документации. Из нетрадиционных работ этого периода важное место заняла автоматизация расчета управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Подобные системы, с одной стороны, автоматизировали лишь отдельные звенья производственного цикла, а с другой, - как правило, были приспособлены к условиям конкретного производства. Это сужало область применения разработок и ограничивало возможности кооперации в их развитии.

В начале 70-х годов стала очевидной необходимость создания интегрированных систем, обеспечивающих автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) в едином цикле. При создании таких систем подразумеваются определенные изменения технологии в направлении стандартизации технической информации и усовершенствования производственных процессов за счет применения ЭВМ и оборудования с ЧПУ.

На уровне плазовых работ автоматизация, реализуемая в CAD/CAM/CAE^¹–системах, на сегодняшний день достигла уровня, при котором детали и узлы не просто увязываются в единую конструкцию, а, по существу, заново проектируются (т.е. восстанавливаются математические модели в памяти компьютера) в САПР по имеющимся опытным чертежам. Затем уже созданные электронные модели служат основой для создания технологической оснастки и для составления программ обработки для оборудования с ЧПУ.

В данной работе рассматриваются вопросы автоматизации ТПП с использованием CAD/CAM-систем (ниже приведено описание используемых систем) на примере подготовки производства деталей и узлов крыла; особый акцент поставлен на верхнюю панель крыла, представляющую собой типовой элемент конструкций, выполняемых из композиционных материалов.

2Обзор САПР и их краткое описание

На всех этапах создания изделия происходит обработка в той или иной форме различной геометрической информации, относящейся к этому изделию. При проектировании исходные данные об объекте преобразуются в геометрические образы его отдельных агрегатов, и синтезируется образ самого изделия – математическая модель объекта. Предварительная оценка проектного решения и этап конструирования включают комплекс расчетов для выявления характеристик (прочностных, гидродинамических и т.п.) изделия и его элементов. Источником информации на этом этапе, а также при подготовке производства, когда проектируется и изготавливается необходимая технологическая оснастка, и, наконец, в процессе контроля изготовленных узлов и деталей является математическая модель объекта. Таким образом, все расчеты, выполняемые в процессе создания объекта, базируются на геометрической информации об изделии, которая как бы объединяет все этапы указанного процесса. Это обстоятельство находит свое отражение в автоматизированных системах проектирования и технологической подготовки производства. Основной компонентой этих систем является подсистема геометрического моделирования. Такие системы включают также подсистемы создания программ траекторий инструмента для оборудования с ЧПУ.

В настоящее время в нашей стране наиболее широкое распространение получили системы «Cimatron it», «Unigraphics» и «Астра».

«Астра» это автоматизированная система геометрических расчетов, ее назначение – геометрическое обеспечение процессов автоматизированного проектирования и ТПП изделий, имеющих сложные пространственные обводы. К ним непосредственно относятся объекты авиастроительной отрасли.

Система «Астра» универсальна, т.е. ее можно адаптировать к различным предметным областям. В связи с этим программное обеспечение системы многоуровневое. Первый уровень – базовый – не зависит от конкретной области применения. Он включает системные блоки, набор обслуживающих программ, пакет стандартных модулей. Второй и третий уровни – проблемные – создаются в процессе адаптации системы к конкретной предметной области. Второй уровень объединяют программы, наиболее общие для данной области. К ним относятся программные средства математического моделирования объектов этой области и программы, реализующие операции над ними. Третий уровень обеспечивает решение задач предметной области в конкретных условиях конструкторского бюро или предприятия. Этот уровень наиболее подвержен изменению.

В настоящее время в авиационной промышленности система «Астра» не находит широкого применения и используется в основном для расчетов программ движения инструмента, как постпроцессор для преобразований объемов информации, для расчетов малок и т.п. Ее заменили более мощные и развитые системы автоматизированного проектирования и изготовления.

Следующую систему – систему «Unigraphics» - называют интерактивной системой автоматизации проектирования и изготовления. Подсистема CAD данного продукта предназначена для автоматизации проектных, конструкторских и чертежных работ на современных промышленных предприятиях. Подсистема CAM обеспечивает автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе математической модели детали, созданной в подсистеме CAD. В дальнейшем наряду с ЧПУ будет использоваться аббревиатура NC (Numerical Control), что дословно переводится как «числовое управление».

Система Unigraphics имеет модульную структуру. Каждый модуль выполняет определенные функции. Все функциональные модули вызываются из управляющего модуля, который называется Unigraphics Gateway. Каждый пользователь Unigraphics обязательно должен иметь модуль Gateway, тогда как все остальные модули являются необязательными и могут быть подобраны для удовлетворения индивидуальных потребностей производства.

Unigraphics - это трехмерная система, которая позволяет идеально воспроизвести почти любую геометрическую форму, оперируя числами с удвоенной точностью. Комбинируя эти формы, можно спроектировать изделие, выполнить инженерный анализ и выпустить чертежи. После завершения проектирования модуль Manufacturing позволит Вам указать геометрию детали, задать технологические параметры (например, диаметр инструмента) и автоматически сформировать траекторию движения инструмента в виде файла CLSF (Cutter Location Source File), что дословно переводится как «исходный файл положения инструмента». Позднее этот файл, используется в качестве исходных данных для расчета управляющих программ.

Геометрическое моделирование в UNIGRAPHICS дает конструктору возможность быстро выполнить как концептуальный проект, так и детальное проектирование. Используется подход, основанный на типовых элементах формы, типовых операциях эскизах, дающий возможность создать и интерактивно редактировать сложную твердотельную модель. Твердотельное моделирование дает конструктору метод моделирования, который интуитивно легче и понятнее, чем традиционное проволочное и поверхностное моделирование.

Старые CAD системы использовали методы проектирования каркаса кривых и поверхностей. Такая модель могла редактироваться, но полностью теряла информацию о взаимосвязи геометрических элементов, участвовавших в построении твердого тела.

Более поздние параметрические системы ввели методы построения модели, сохраняющие соотношения между элементами геометрии. Такая техника основана на явном введении геометрических ограничений и параметров, используемых в процессе построения модели. Такой подход более разумен, но может также натолкнуться на ограничения. Ограничения не допускают такие изменения конструкции, которые не были заранее спланированы. Параметрическая техника основана на использовании эскизов и операций их вытягивания и не обладает полным набором методов конструирования и редактирования.

Модуль геометрического моделирования в UNIGRAPHICS реализует новый подход, сочетающий традиционное и параметрическое моделирование. Это дает пользователю свободу в выборе методов построения в наилучшей степени отражающих его потребности. Иногда вполне достаточно каркасной модели и нет необходимости в более сложном твердом теле. Однако одновременно в системе присутствует богатый набор методов параметрического и традиционного твердотельного моделирования. Все вместе дает возможность быстро создать и легко управлять реалистичной твердо тельной моделью.

После того, как модель построена, она может быть отредактирована в технике управления параметрами, даже если в ее построении и не использовались эскизы. Система способна наложить на модель автоматические ограничения, однако такие ограничения работают, как бы вторым планом и могут быть легко преодолены прямым редактированием модели. С помощью такого подхода удается избежать ситуации, когда не пользователь управляет системой, а она диктует ему свои условия. Этот недостаток присущ чисто параметрическим системам моделирования.

«Cimatron it» - еще одна система, имеющая широкое распространение на территории России, на предприятиях авиационной, автомобильной промышленности, энергетического машиностроения, а также литейно-штамповочных производств различных областей.

«Cimatron it» - трехмерная графическая CAD/CAM-система, позволяющая проводить любые геометрические построения: каркасные, поверхностные, твердотельные. Также система позволяет проводить инженерный анализ, подготавливать техническую документацию и программы управления для 2, 3, 4 и 5-ти координатного оборудования с ЧПУ.

Система отличается удобным, легко восприимчивым, построенном на основе логических взаимосвязей между модулями и командами, интерфейсом. Это сказывается на быстроте обучения работы в данной системе.

1 CAD – Computer-added Designer – автоматизированное проектирование;

CAM – Computer-added Manufacturing – автоматизированное изготовление;

CAE – Computer-added Engineering – автоматизированное конструирование (разработка).

3Описание конструкции крыла

Крыло трапециевидной формы в плане выполнено по двухлонжеронной схеме с силовой обшивкой и поперечным набором из 11 нервюр. В конструкцию крыла входит ниша основной стойки шасси, фара, элерон с сервокомпенсатором и закрылок.

Первый лонжерон крыла в сечении представляет собой двутавр, проходящий через левую и правую консоли сквозь фюзеляж. Полки лонжерона – многослойные углеорганопластиковые панели, склеиваемые под прямым углом с сэндвичевой плоской стенкой, изготавливаемой из двух многослойных лицевых панелей швеллерного сечения, между которыми – сотовый заполнитель – полимерсотопласт (ПСП) толщиной 8мм. Второй лонжерон имеет швеллерное сечение, полученное соответствующей выклейкой слоев углеорганопластика. Он также проходит от концевой нервюры №9 правой консоли и, сквозь фюзеляж, до концевой нервюры левой консоли и одновременно служит задней стенкой крыла в районе элеронов (от нервюры №6 до нервюры №9).

Нервюры крыла механообрабатываемые и листовые детали, состоящие из лобика (все нервюры крыла), средней части (все нервюры) и задней части (нервюры №1, 2, 2а, 3, 3а, 4 и 5).

Лобовые кромки крыла (их две – от нервюры №1 до фары, расположенной между нервюрами №4 и 5, и от фары до нервюры №9), стенка, расположенная перед элероном и законцовка также многослойные конструкции из чередующихся слоев стеклоткани и углеродной ленты.

Верхняя и нижняя обшивки представлены сэндвичевыми панелями, состоящими из внутренних и наружных обшивок, окантовок и сотового заполнителя (ПСП толщиной 8мм). В верхней панели имеется два окна под заправочные горловины (топливные баки расположены в крыле между нервюрами №2 и 4, и между лобиком и первым лонжероном). В нижней панели имеется окно под нишу стойки шасси.

Зализы также представляют собой сэндвичевую конструкцию с сотовым заполнителем.

Для предохранения от разлахмачивания торцы многослойных деталей обрабатываются шпатлевкой ЭП-0020. Крепление сопрягающихся деталей между собой осуществляется их склеиванием и усилением клеевых швов заклепочными швами и, в отдельных местах, соединениями типа «болт – гайка» или «болт – анкерная гайка». Каркас собирается на клее ВК-27 и заклепочными швами, гермозона (зона топливных баков) обрабатывается кистевым герметиком … Обшивки и лобовики крыла ставятся на каркас на клее ВК-27. В гермозоне конструкция изнутри также покрывается кистевым герметиком.

В консолях крыла расположено по два топливных бака. Стенками первого топливного бака служат нервюры №2 и №3, лобик и первый лонжерон. Стенками второго бака – нервюры №3 и №4, также лобик и лонжерон №1. Все заклепочные швы и болтовые соединения покрываются одним – двумя слоями кистевого герметика.

Крепление крыла к фюзеляжу осуществлено при помощи двух силовых кронштейнов, расположенных на лонжеронах, и при помощи силовой стенки, расположенной между первой и второй нервюрами; также крепление осуществляется через зализы.

4Плазово-шаблонный метод производства

Конструктивными особенностями деталей летательных аппаратов является их большие габариты, малая жесткость, сложность геометрических обводов. Начиная с этапа предварительного проектирования, проблема оптимизации основных параметров изделия, особенно в самолетостроении, неразрывно связана с решением задач проектирования поверхностей сложных форм. При этом к поверхностям предъявляются различные требования. Основными требованиями к внешним поверхностям летательного аппарата являются: -

обеспечение требуемого порядка гладкости поверхности и заданных локальных дифференциально-геометрических характеристик (аэродинамические и технологические требования);
обеспечение необходимых объемов, ограниченных поверхностью изделия, и размеров (площадей) поперечных сечений (компоновочные и конструктивные требования).

Проектирование этих поверхностей представляет немалые трудности, т.к. приходиться решать целый ряд оптимизационных задач по увязке зачастую взаимопротиворечащих требований аэродинамики, размещения оборудования, конструкции и технологии.

Вследствие перечисленных выше особенностей в самолетостроении применяют специальные методы и средства проектирования поверхностей и обеспечения взаимозаменяемости агрегатов, отсеков, панелей, узлов и деталей. При этом к технологическим особенностям относят точное воспроизведение геометрических форм и размеров деталей, и обеспечение взаимозаменяемости (взаимозаменяемость – свойство деталей, панелей, узлов и т.п. одного и того же типоразмера заменять друг друга с сохранением функциональных качеств) при сборке и ремонтных работах.

В первые три десятилетия развития авиации проектирование поверхностей осуществлялось целиком графическими способами с применением так называемой плазовой увязки обводов. В этом случае теоретические чертежи заменялись каркасом сечений во взаимно перпендикулярных плоскостях, вычерченным в натуральную величину на металлических панелях – плазах, и затем методом последовательных приближений обводы сечений уточнялись таким образом, чтобы координаты точек в узлах пересечений ортогональных семейств каркаса совпадали с заданной точностью. При этом рабочие чертежи деталей заменялись плоскими рабочими и контрольными шаблонами и технологическая оснастка и детали изготовлялись по шаблонам и контролировались ими. Такой метод получил название плазово-шаблонного. Описанный выше способ проектирования и увязки поверхностей применялся для увязки теоретических обводов изделия, при этом создавались теоретические плазы. Конструктивные плазы составлялись, базируясь на теоретические, и содержали уже не только информацию наружных поверхностей изделия, но и информацию о формах и размерах всех деталей агрегата, также конструктивные плазы служили источниками для изготовления рабочих и контрольных шаблонов.

Возросшие требования к точности воспроизведения обводов и производительности труда привели к возникновению графоаналитических методов и аналитических методов описания обводов летательных аппаратов. Наибольшее распространение получил метод кривых второго порядка. Простота геометрических построений и аналитического описания кривых обеспечила этому методу широкое внедрение. Применение графоаналитического метода задания внешних обводов оказало влияние на характер технологических процессов изготовления плазово-шаблонной оснастки. Во-первых, этот метод позволил отказаться от теоретических плазов путем изготовления шаблонов непосредственно по данным теоретического чертежа. Во-вторых, благодаря этому методу открываются широкие возможности для автоматизации и механизации технологических процессов изготовления, как оснастки, так и самих деталей по данным теоретического чертежа, т.к. автоматические станки позволяют обрабатывать контуры по координатам точек или уравнениям сечений. Однако при всех своих преимуществах метод кривых второго порядка обладал и существенными недостатками, что заставило ученых и инженеров искать другие способы и методы описания обводов и поверхностей летательных аппаратов.

Дальнейшим совершенствованием плазово-шаблонного метода явилось применение макетно-эталонной оснастки. При макетно-эталонном методе по шаблонам, снятым с плаза, создается макет или эталон поверхности агрегата. С помощью эталона поверхности получают обводы рабочей и контрольной оснастки, а также монтируют сборочные приспособления. По эталону изготавливают слепки, по которым воспроизводят пуансоны и матрицы для формовки деталей каркаса и обшивок, а также изготавливают контрольные приспособления для этих деталей и эталоны отдельных деталей. По эталону поверхности агрегата изготавливают контрэталон, по которому создают эталоны отдельных узлов, входящих в агрегат, и по ним - приспособления для сборки узлов. По контрэталону создают разъемный монтажный эталон агрегата и по нему, в свою очередь, изготавливают монтажные эталоны панелей, а затем и приспособления для сборки панелей. Формирование контура агрегата осуществляется рубильниками, установленными по эталону поверхности. Монтажно-эталонный метод получил широкое распространение при производстве самолетов легкого типа, т.к. небольшие габариты агрегатов самолета позволяют изготовлять удобные в производстве эталоны и контрэталоны поверхностей, а также монтажные эталоны.

Развитие вычислительной техники, математического и программного обеспечения, создание средств автоматизации ввода и вывода графической информации позволили, к сегодняшнему дню, полностью отказаться от конструктивных и технологических плазов, а также от шаблонов основной группы (шаблоны контрольно-контурные (ШКК) и отпечатки контрольные (ОК)). Первоисточником для производства рабочих шаблонов теперь служит математическая модель детали, созданная в памяти компьютера. Изготовление шаблонов, технологической оснастки, эталонов поверхностей, а также деталей осуществляется на станках с ЧПУ, контроль шаблонов – по размерам снятым с ЭВМ, а контроль оснастки и, в случае сложных контуров, механообрабатываемых деталей – по шаблонам, например, формовочная оснастка контролируется по шаблонам КШКС (контрольный шаблон контура сечения). В ближайшем будущем развитие технологических процессов производства оснастки и шаблонов, и внедрения контрольно-измерительных машин позволит также отказаться от ряда производственных шаблонов, подобный опыт уже имеется у Комсомольск-на-Амуре Авиационного Производственного Объединения (КНААПО), где было организовано полностью бесшаблонное производство фонаря кабины пилотов самолета Су-27. К тому же, подобная технология подготовки производства уже сегодня позволяет в некоторых случаях уходить от объемного плаза за счет математического моделирования трубопроводов, этот опыт имеет Новосибирское Авиационное Производственное Объединение (НАПО) при запуске в серийное производство контейнеров с оборудованием. Все это ведет к снижению сроков и затрат на подготовку производства.

5Автоматизированное проектирование деталей крыла

В настоящем разделе проекта рассматривается автоматизированное проектирование деталей и узлов с целью увязки конструкции и подготовки информации для изготовления шаблонов, технологической оснастки и самих деталей. Данная, уже развитая, технология увязки основана на самом широком применении вычислительной техники с использованием рассмотренных программных продуктов «Cimatron it», «Unigraphics» и «Астра». Причем моделирование деталей, создание сборочных проектов проводиться в системе «Unigraphics». «Cimatron it» служит для проектирования шаблонов уже созданных моделей и расчета траекторий движения инструмента обработки и разметки шаблонов. Моделирование шаблонов именно в системе «Cimatron it» связано с тем, что он имеет ряд дополнительных функций^¹, позволяющих рассчитывать любые малки, разворачивать практически любые по кривизне поверхности и т.п. А система «Астра» необходима для преобразования программ траекторий, созданных в «Cimatron it», в программы «понятные» станкам с ЧПУ. Это обусловлено тем, что «Астра» имеет прямой интерфейс с такими станками.

Конструктивная увязка заключается в графическом построении деталей, входящих в какой-либо узел (как это было на плазах и ШКК или в двумерных графических компьютерных системах). Этот способ увязки осуществлялся в плоских сечениях, в которых по чертежам восстанавливались проекции контуров деталей. Хотя этот способ был хорошо отработан, но он был достаточно производителен лишь при увязке плоских конструктивных элементов (шпангоуты, нервюры, различные диафрагмы) и к тому же обладал рядом существенных недостатков:

такой способ не предоставлял возможности обзора общего объема узла, т.е. чтобы проверить конструкцию целиком («со всех сторон») необходимо было строить несколько сечений узла, в каждом из которых прорисовывать все детали; это отнимало огромное количество времени, а в случае проведения каких-либо конструктивных изменений заново приходилось прорабатывать каждое сечение;
способ практически не был пригоден для проведения увязки узлов, имеющих сложные внешние обводы и небольшое количество либо отсутствие плоских осей.

Эти качества сыграли ключевую роль в переходе на трехмерные графические системы, предоставляющие эффективные способы увязки криволинейных пространственных конструкций. Кроме того, такие системы, как правило, снабжены пакетами, позволяющими составлять управляющие программы изготовления смоделированных поверхностей на оборудовании с ЧПУ.

В настоящей работе рассматриваемый агрегат (крыло) был полностью смоделирован в системе «Unigraphics».

5.1Анализ конструкции крыла и используемых материалов, необходимый для производства шаблонов и оснастки

Необходимость проведения предварительного анализа конструкции крыла и используемых материалов обусловлена тем, что на производстве увязка конструкции крыла (или какого-либо другого агрегата) начинается до того, как выпускаются рабочие технологические процессы на изготовление той или иной детали или узла. Это связано с выпуском серийных чертежей, по которым будут работать все отделы и службы предприятия. А серийные чертежи это те же опытные чертежи, но с внесенными изменениями, которые возникают в результате проведения конструктивной увязки. Без чертежей цехи-изготовители не могут знать, что им делать и, тем более, какие шаблоны и их комплекты заказывать у плазового цеха.

При построении математических моделей поверхностей (ММП) деталей выполняемых из металлов не возникает противоречивых ситуаций, т.е. ММП детали можно создать однозначным образом и при изготовлении шаблонов и оснастки не возникает ни каких вопросов. А при проектировании ММП деталей выполненных из композиционных материалов возможно два пути: моделировать деталь, создавая модель каждого слоя, друг за другом, и моделировать деталь как одно целое. Во втором случае информационная модель детали будет обладать достаточной наглядностью и значительной, по сравнению с первым случаем, легковесностью (т.е. не будет требовать выделения больших ресурсов ЭВМ). А в первом случае модель будет содержать в себе достаточно большие объемы информации, что, несомненно, сказывается на производительности компьютера не в лучшую сторону, однако в случае заказов на схему раскроя или шаблонов развертки слоев другими цехами не возникнет проблем, чего не скажешь про второй случай. По этому приходиться анализировать чертежи деталей, прежде чем браться за их восстановление в электронном виде.

Подобный анализ чертежей крыла показал, что наружную обшивку верхней панели^¹ и одну из внутренних, например, следует выполнять, моделируя каждый слой. Этот вывод продиктован сложными контурами обрезов слоев, что может повлечь за собой заказ схемы раскроя слоев. А модель второй из внутренних обшивок верхней панели (между обшивками сотовый заполнитель) и лобиков^² крыла можно выполнять единым телом, без прорисовки каждого слоя в отдельности, экономя тем самым ресурсы машины. Такой метод моделирования называется смешанным: одни детали полностью повторяют реальные (моделирование каждого слоя), другие – лишь внешними поверхностями (моделирование единого тела).

Еще одним этапом предварительного анализа является поиск ответа на вопрос: «С чего начать?». Дело в том, что, не имея готовых моделей обшивок, как в нашем случае, и лонжеронов, нельзя смоделировать нервюры, потому что контуры нервюр сопряженные с поверхностями обшивок, заданы в чертежах нервюр с базой на поверхности обшивок. К тому же, моделируя нервюры, полезно иметь готовые, не только обшивки, но и лонжероны, чтобы сразу, на этапе создания модели, увязывать нервюры с другими деталями. А не переделывать, в случае неточных чертежей, созданную модель после стыковки с другими сопряженными деталями.

5.2Проектирование деталей

Для проектирования деталей крыла опорной информацией служит теоретическая информация^¹ крыла. Теоретическая информация включает: -

математические модели поверхностей теоретических (аэродинамических) обводов крыла;
самолетные базовые плоскости (ПСС, СГФ, плоскость дистанции «0»^²);
крыльевые базовые плоскости (плоскость хорд крыла, плоскость симметрии крыла, как правило, совпадает с самолетной);
конструктивно-силовая разбивка крыла (плоскости нервюр, лонжеронов; оси фар, качалок управления, вращения элеронов, закрылков и т.п.).

Подробно процесс моделирования в системе «Unigraphics» рассмотрим на примере наружной обшивки верхней панели крыла (сборочный чертеж ДП 1301.02.07.10.10.00 СБ и результат построения – аксонометрическая проекция детали ДП 1301.02.07.10.10).

Обшивка склеивается из 19 чередующихся слоев ткани СВМ, углеродной ленты ЭЛУР-0,08ПА и ткани УТ-900-2,5А. Первые 7 слоев образуют саму обшивку, остальные – усиления вдоль лонжерона №2, и по кромкам обшивки. Толщина обшивки рассчитана из условия толщины монослоя материала, которые заданны в технологических требованиях на чертежах:

для ткани СВМ - ;
для углеродной ленты ЭЛУР-0,08ПА - ;
для ткани УТ-900-2,5А - .

Обшивка имеет подсечки по передней кромке под лобики крыла, по концевой кромке под законцовку крыла, по корневой кромке под зализ, а также две подсечки глубиной 5мм вокруг окон под заправочные горловины. Первый слой, выполненный из ткани СВМ, образует аэродинамическую поверхность. Второй и шестой слои (ЭЛУР-0,08ПА) – усиление, простирающееся по всей ширине обшивки, от корневого обреза обшивки (корневой обрез образует линия пересечения теоретических поверхностей крыла и зализа) до оси нервюры №5 (заходит за ось на 20мм). Третий и пятый слои (ЭЛУР-0,08ПА) – усиления обшивки по осям нервюр. Четвертый слой (ЭЛУР-0,08ПА) – усиление в области топливных баков, проходит между лобовой кромкой обшивки и заходит за ось лонжерона №1 на 45мм – по ширине, и от корневого обреза до оси нервюры №4 (заходит за ось на 40мм) – в продольном направлении. Седьмой слой (ткань СВМ) обкладывает все слои со второго по шестой и имеет обрезы такие же, как у первого слоя. Слои с 8-го по 19-й образуют, как уже было сказано, усиления обшивки по кромкам и вдоль лонжерона №2.

Построение математической модели обшивки сводиться к моделированию ее слоев. Методика создания многослойных конструкций в памяти компьютера схожа с технологией изготовления таких конструкций, т.е. каждый последующий слой нельзя наклеить (или смоделировать) если отсутствуют предыдущие слои. Общая схема моделирования представлена на рис. 5.1. в виде блок-схемы. По представленной схеме моделировались все обшивки крыла.

Создание математической модели наружной обшивки верхней панели можно представить в виде следующей последовательности этапов моделирования.

Моделирование базовой поверхности, это наружная поверхность обшивки, являющаяся рабочей поверхностью оснастки. От этой поверхности восстанавливаются все слои один за другим.
1. Определим контуры обрезов обшивки и контуры начала подсечек при помощи команд Intersection curve^¹, Section^² и Offset on face^³, принадлежащих модулю Curve.
2. Строим поверхности нормальные теоретической поверхности крыла и проходящие через кривые созданные на предыдущем шаге, для этого используем команды модуля Free Form Feature.
3. Строим эквидистантные поверхности подсечек командой Offset sheet body^⁴ модуля Free Form Feature.
4. Обрезку основной поверхности и поверхностей подсечек согласно чертежу по поверхностям созданным в пункте 1.2. осуществляем командой Trim body^⁵ модуля Feature Operation.
5. Строем поверхности перехода с основной поверхности к поверхности подсечки командой Ruled^⁶ модуля Free Form Feature.
6. Обрезку всех созданных поверхностей (кроме поверхностей созданных в пункте 1.2.) друг о друга выполняем, вновь используя команду Trim body.
7. «Сшивание» всех поверхностей в одну осуществим командой Sew^⁷ модуля Feature Operation. Таким образом, заканчивая моделирование базовой поверхности.
Моделирование первого слоя обшивки осуществляется командой Thicken sheet^¹ модуля Form Feature от базовой поверхности с заданием первой эквидистанты, равной 0, и с заданием второй, – равной ^².
Второй слой обшивки получается в результате следующих действий:
1. Через линию, полученную командой Offset on face от линии пересечения плоскости нервюры №5 с теоретической поверхностью крыла, строим нормальную к теоретической поверхность.
2. Используя команду Thicken sheet, строим тело второго слоя с заданием первой эквидистанты, равной и второй - .
3. Полученное тело^³ обрезаем поверхностью полученной в пункте 3.1. командой Trim body, тем самым, заканчиваем моделирование второго слоя.
Третий слой обшивки представляет собой 11 полос материала, расположенных вдоль нервюр.
1. Строим линии, образующие обрезы полос слоя командой Offset on face от кривых пересечения плоскостей нервюр и теоретической поверхности.
2. Строим к теории крыла через каждую из полученных линий нормальные поверхности к теоретической поверхности крыла.
3. Вновь используя команду Thicken sheet, строим 11 тел с заданием первой и второй эквидистант, равными и , соответственно.
4. Обрезаем полученные тела поверхностями (команда Trim body), полученными в пункте 4.2. так, чтобы получить 11 полос вдоль каждой нервюры.
Моделирование четвертого слоя обшивки.
1. Выделяем внутренние поверхности ранее смоделированных слоев (2 и 3) командой Extract Geometry модуля Form Feature.
2. Объединяем полученные поверхности командой Sew. Таким образом, получаем базовую поверхность для моделирования слоя 4.
3. Строим нормальную к теоретической поверхности поверхность через кривую, образованную командой Offset on face от кривой пересечения теории и плоскости лонжерона №1.
4. Вновь используя команду Thicken sheet с заданием первой и второй эквидистант, равными 0 и , соответственно, моделируем тело четвертого слоя.
5. Полученное тело обрезаем поверхностью (команда Trim body) из пункта 5.2. и одной из поверхностей созданных в процессе создания модели третьего слоя согласно чертежу.
Моделирование пятого слоя обшивки. Пятый слой является усиливающим слоем, как и третий, и представляет собой полосы ткани вдоль нервюр №2, 2а, 3, 3а, 4 и 6.
1. Используя команду Extract Geometry, выделяем внутренние поверхности слоев 1, 2, 3 и 4 и объединяем (сшиваем) эти поверхности, тем самым получаем базовую поверхность пятого слоя.
2. От полученной поверхности командой Thicken Sheet строим 6 тел.
3. Обрезав эти тела поверхностями из пункта 4.2. (команда Trim body), получим полосы материала вдоль нервюр №2, 2а, 3, 3а, 4 и 6.
Моделирование шестого слоя обшивки.
1. Вновь командой Extract Geometry выделяем внутренние поверхности ранее созданных слоев (2 – 5) и сшиваем их командой Sew.
2. От полученной поверхности строим тело шестого слоя (команда Thicken sheet).
3. Созданное тело обрезаем поверхностью, полученной в пункте 3.1.
Моделирование седьмого слоя обшивки.
1. Командой Extract Geometry выделяем внутренние поверхности слоев 1, 2, 3, 5 и 6 и командой Sew сшиваем их.
2. Строим тело седьмого слоя от поверхности, созданной в предыдущем пункте, используя команду Thicken Sheet.

Седьмой слой – последний слой обшивки. Остальные слои обшивки являются, как уже было отмечено, усиливающими. Внутренняя поверхность седьмого слоя является базовой поверхностью для моделирования остальных слоев. Методику моделирования оставшихся слоев можно коротко описать следующей последовательностью действий.

Кривыми на теоретической поверхности размечаем контур обрезов слоев при помощи команд Intersection curve, Section и Offset on face.
Через полученные линии строим нормальные поверхности к теории.
От базовой поверхности командой Thicken sheet строим восьмой слой с заданием первой эквидистанты, равной 0, и второй - . А при помощи команды Trim body обрезаем тело восьмого слоя поверхностями, образованными на предыдущем шаге.
Девятый слой так же строиться командой Thicken sheet с заданием первой эквидистанты, равной , и второй - . И обрезку девятого слоя осуществляем по поверхностям из пункта 2.

…

14. Девятнадцатый последний слой образуется заданием эквидистант, равными и , и его обрезка осуществляется теми же поверхностями из пункта 2.

Создание математической модели какой-либо детали способствует отличной проверке ее чертежа за счет того, что при создании модели проверяется вся информация, отраженная на чертеже и в спецификации. Например, без какого-либо размера не возможно создать модель и, тем более, изготовить деталь.

5.3Трехмерная увязка конструкции

Обычно моделирование деталей имеющих разные номера выполняется в разных файлах с именами, соответствующими номеру детали, и впоследствии модели деталей собираются в единую конструкцию узла (агрегата) в файле сборки. Такую возможность – возможность создания сборочных проектов предоставляет система «Unigraphics».

Сборочный проект электронный аналог сборочного чертежа в трехмерном виртуальном измерении. Для удобства, сборки именуются номером сборочного чертежа и иерархия сборочных единиц и деталей, входящих в чертеж повторяется в сборочном проекте.

На этапе проектирования деталей конструктор может выяснить неточности чертежей, такие как отсутствие каких-либо размеров, неточность графики, несоответствие зазоров в случае, где явно просматривается размерная цепь. Но основная проверка конструкции проводиться именно в сборочных проектах или просто сборках, т.к. именно здесь легко проверить зазоры, «перехлесты» тел деталей (когда одно тело врезается в другое, например) и т.п., к тому же система предоставляет определенный набор функций для этого. Следует добавить, что система позволяет редактировать модели деталей непосредственно в сборке и, более того, можно создавать новые модели сразу в сборке.

В случае с верхней панелью удобно создать ее сборочный проект по окончании моделирования всех слоев наружной и внутренней обшивки. А моделирование сотового заполнителя и окантовок осуществлять уже в сборочном проекте, создав в нем новую часть^¹. Такой подход объясняется тем, что рельефные внутренние поверхности наружной и внутренней обшивки необходимы, как основа для создания модели сотового заполнителя панели.

6Изготовление шаблонов и оснастки

Высоки требования к выполнению внешних контуров современных самолетов и к обеспечению взаимозаменяемости его агрегатов, узлов и деталей приводят к необходимости создания большого количества объемной оснастки, применяемой заготовительными цехами и цехами сборочной оснастки: пространственные макеты агрегатов, макеты сечений, обтяжные пуансоны, болванки, формблоки, оправки, контрольные приспособления и др.

Взаимосвязь шаблонов и объемной оснастки и их применение при изготовлении заготовительной и сборочной оснастки лучше всего проследить по схеме увязки плазово-шаблонной, заготовительной и сборочной оснастки приведенной на рис.6.1.

6.1Изготовление шаблонов

Шаблоны представляют собой копии контуров и разверток самолетных деталей. Они обычно выполняются из тонкой листовой стали и служат для изготовления и контроля технологической оснастки и деталей самолета. Шаблонами называются жесткие носители формы и размеров, обеспечивающие взаимозаменяемость деталей, узлов и агрегатов самолета при их изготовлении.

Плазово-шаблонный метод производства вносит свои особенности в технический контроль деталей и узлов самолета. Здесь в отличие от общего машиностроения точность деталей и узлов оценивается путем их сопоставления с соответствующей плазово-шаблонной оснасткой.

Основными характеристиками шаблона являются: контур, координатные и конструктивные оси, установочные линии, отверстия и нанесенная на шаблон техническая информация.

В зависимости от назначения шаблоны подразделяют на три основные группы:

Основные шаблоны применяются для изготовления, технологической увязки и контроля производственных шаблонов. Эти шаблоны являются первоисточниками контуров и технической информации и в производственные цехи завода не выдаются.
Производственные шаблоны применяются для изготовления и контроля заготовительно-штамповочной и стапельно-сборочной оснастки, а также деталей самолета. Эти шаблоны хранятся в производственных цехах завода.
Эталонные (контрольные) шаблоны применяются в исключительных случаях, например, при изготовлении шаблона обрезки контура и кондуктора для сверления отверстий сложной конфигурации, а также при изготовлении на смежных заводах самолетных горячештампованных, литых и механообрабатываемых деталей. В этом случае эталонный комплект шаблонов пересылают заводу-изготовителю деталей.

6.1.1Номенклатура шаблонов

Номенклатура основных и производственных шаблонов не является неизменной и в зависимости от технических условий на изготовление изделия и оснащенности предприятия оборудованием может изменяться.

Установившейся номенклатуры для эталонных шаблонов не существует, и в зависимости от требований ими могут быть любые шаблоны.

Типовая номенклатура шаблонов, состоящая из двух наименований основных и десяти производственных, приведена в таблице 6.1.

Независимо от программы выпуска самолетов на данном заводе все шаблоны изготавливают только в одном экземпляре в так называемом рабочем комплекте. Это позволяет избежать ошибок при изменении конструкции деталей самолета и при внесении соответствующих изменений в выпущенные ранее шаблоны.

Таблица 6.1.

Номенклатура применяемых шаблонов

Группа	Наименование	Условное обозначение	Назначение
Основные шаблоны	Шаблон контрольно-контурный	ШКК	Изготовление, технологическая увязка и контроль узлового комплекта шаблонов, а также шаблонов приспособлений
Отпечаток контрольный	ОК	Изготовление, технологическая увязка и контроль узлового и детального комплекта шаблонов, а также изготовление отдельных шаблонов
Производственные шаблоны	Шаблон контура	ШК	Изготовление, увязка и контроль детального комплекта шаблонов, а также заготовительно-штамповочной оснастки
Шаблон внутреннего контура	ШВК	Изготовление и контроль формблоков, оправок и деталей
Шаблон развертки детали	ШР	Разметка и контроль разверток деталей, вырубных штампов и шаблонов фрезерования
Шаблон заготовки	ШЗ	Разметка заготовок деталей сложной пространственной формы
Шаблон фрезерования	ШФ	Изготовление разверток деталей на фрезерных станках
Шаблон контура сечения	ШКС	Изготовление и контроль формблоков, оправок, болванок, обтяжных пуансонов и самолетных деталей сложной формы
Шаблон гибки	ШГ	Изготовление и контроль профильных и трубчатых деталей, имеющих кривизну в одной плоскости, оправок и приспособлений
Шаблон обрезки и кондуктор для сверления отверстий	ШОК	Разметка деталей под обрезку по контуру и длине, сверление в них отверстий
Шаблон приспособления	ШП	Изготовление элементов сборочных приспособлений и их монтаж
Шаблон разный	РШ	Выполнение единичных работ, связанных с проверкой установки деталей на самолет, и т.д.

6.1.2Комплектность шаблонов

Для обеспечения геометрической и технологической увязки всех деталей, входящих в узел, шаблоны изготовляют комплектами.

Увязка шаблонов необходима для достижения взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов и обеспечивается при изготовлении шаблонов в пределах установленных допусков.

При изготовлении и контроле комплекта шаблонов увязку производят по контурам, координатным и конструктивным осям, установочным линиям, отверстиям, сериям выпуска шаблонов.

Комплекты шаблонов подразделяют следующим образом:

детальный комплект шаблонов;
узловой комплект шаблонов;
комплект шаблонов приспособлений ШП (на стапель);
комплект шаблонов контура сечений ШКС (на макет поверхности или болванку).

Детальный комплект шаблонов – группа шаблонов, необходимых для изготовления какой-либо детали. Эти шаблоны связаны между собой геометрией детали и технологическим процессом ее изготовления.

Номенклатура шаблонов, входящих в детальный комплект, зависит от конфигурации детали и приведена в таблице 6.2.

Таблица 6.2.

Детальные комплекты шаблонов

Форма детали	Шаблоны, входящие в комплект
Плоская деталь	ШК, ШР, ШВК, ШФ, ШР (частичный)
Профильная деталь	ШК, ШОК, ШГ
Объемная деталь	ШОК, ШЗ, комплект ШКС

В узловой комплект шаблонов входят шаблоны, необходимые для выполнения всех деталей, входящих в данный узел. Узловой комплект объединяет несколько детальных комплектов шаблонов.

Комплекты шаблонов ШКС и ШП состоят из группы шаблонов ШКС, необходимых для изготовления (контроля), например, выклеечной формы под выклейку обшивки. Или группы шаблонов ШП, необходимых для изготовления сборочных приспособлений, например, для сборки нервюр крыла.

В настоящее время комплекты ШКС и ШП изготавливают на фрезерных станках с ЧПУ по программам, подготовленным CAD/CAM-системах по моделям деталей.

6.1.3Технологический процесс изготовления шаблонов

Технологический процесс изготовления шаблонов включает в себя следующие основные операции:

Раскрой заготовки;
Разметка контура и осей;
Вырезание по контуру;
Опиливание по контуру;
Разметка отверстий;
Сверление отверстий;
Нанесение информации и маркировки;
Контроль шаблона;
Окраска.

В настоящее время первые три операции, а также операции разметки и сверления отверстий (за исключением базовых – они сверлятся до обработки шаблона, т.к. они необходимы для фиксации заготовки на столе станка) осуществляются на фрезерных станках с ЧПУ.

В шаблонах сверлят комплекс технологических отверстий, необходимых для изготовления заготовительной и сборочной оснастки, деталей самолетов, а также для сборки их в узлы и агрегаты.

Номенклатура, обозначения и назначение технологических отверстий, выполняемых в шаблонах, приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Отверстия на шаблонах

Наименование отверстий	Обозначение	Назначение
Базовые	БО	Установка заготовок на стол станка; сборка шаблонов в «корзинку».
Сборочные	СО	Создание возможности правильной сборки всех входящих в узел деталей без применения сборочных приспособлений.
Направляющие	НО	Сверление отверстий под заклепки, анкерные гайки или болты во всех сопрягаемых деталях узла.
Инструментальные	ИО	Установка ловителей в инструментальных штампах; сверление отверстий в развертках деталей, необходимых для их установки на штампы.

Как уже было отмечено, изготовление шаблонов происходит на фрезерных станках с ЧПУ, причем управляющие программы подготавливаются в системе «Cimatron it». Базовый набор управляющих программ включает программу обработки, программу разметки и программу сверления отверстий.

Создание шаблона происходит по следующей последовательности действий:

Подготовка информации на выпуск шаблона.

Построение сечения или развертки модели шаблонируемой детали – определение контура обработки – средствами графической системы («Cimatron it»).
Разметка осей и отверстий («Cimatron it»).
Изготовление и контроль паспорта на шаблон.
Создание управляющей программы обработки («Cimatron it»).
Создание управляющей программы разметки («Cimatron it»).
Создание управляющей программы сверления отверстий («Cimatron it»).
Форматирование управляющих программы в файлы траектории движения инструмента в системе «Астра».

Изготовление шаблона
1. Обрезка заготовки и сверление базовых отверстий.
2. Установка на станок и отработка управляющих программ.
3. Выполнение управляющих программ.
4. Зачистка контуров шаблона от заусенцев и т.п.
5. Нанесение текстовой информации и маркировка.
6. Контроль шаблона.

Подготовка управляющей программы в системе «Cimatron it» выполняется по следующей последовательности:

Вход в модуль подготовки управляющих программ («NC»^¹).
Командой MACSYS создается система координат модели соответствующая системе координат станка.
Командой TOOLS создается инструмент – фреза. Здесь присваивается имя инструменту и указываются его геометрические параметры.
Вход в подмодуль TP.MNGR – менеджер создания траекторий.
Во вкладке >CREATE панели инструментов менеджера указывается тип обработки. В случае изготовления плоских контуров – шаблонов указывается 2,5-координатная обработка (MILL 2.5 AXIS). На данном этапе создается основа программ обработки.
Вновь во вкладке >CREATE указывается тип траектории: для обработки или разметки контура указывается тип PROFILE, а для сверления отверстий – DRILL.
Указывается контур кривых либо точки – центра отверстий. Здесь необходимо указать при подготовке программы для разметки, что инструмент находиться над плоскостью контура (TOOL ON).
Во вкладке SERVISES указывается, что плоскость безопасности станка находиться на 160мм над плоскостью обработки. Здесь же во вкладке GO TO POINT указывается, что после обработки инструмент должен вернуться в исходную точку (GO HOME).
Подтверждение правильности ввода всех данных и запись файла управляющей программы.

Пример управляющей программы для обработки шаблона КШКС, используемого для изготовления и контроля болванки под выклейку лобика изображенного на ДП 1301.02.07.10.30.00 СБ, изображен на плакате ДП 1301.02.07.00.30.01.

6.2Производство оснастки

6.2.1Особенности технологии производства оснастки

Макеты поверхностей самолетов средних и тяжелых типов применяют чаще всего только для изготовления по ним (путем снятия слепков) пуансонов для обтяжных прессов, используемых при формообразовании обшивок.

Для самолетов легкого типа макеты поверхностей используют, помимо изготовления обтяжных пуансонов, для обработки контуров рубильников у стапелей, путем снятия с макета поверхности слепков по сечениям, а также для изготовления контрмакетов, применяемых при выполнении монтажных эталонов к сборочной оснастке.

Макет поверхности воспроизводит теоретическую поверхность агрегата самолета. На поверхности каждого макета размечают основные элементы конструкции агрегата (конструктивные оси, стыки листов обшивки, люки, окантовки и т.п.).

Макеты поверхностей выполняют только на те агрегаты самолета, контуры которых имеют двойную кривизну.

В зависимости от назначения макеты поверхностей бывают трех видов: макеты поверхностей агрегатов и отсеков, узлов и панелей и патрубков.

Изготовление макетов поверхностей агрегатов и отсеков, а также узлов и панелей выполняют в следующем порядке:

Изготавливают каркас;
Обрабатывают рабочую поверхность;
Окрашивают рабочую поверхность макета и размечают на ней конструкцию агрегата или узла;
Контролируют качество изготовления и разметки.

В настоящее время макеты поверхностей используют редко и применяют их, в основном, в качестве эталонов для изготовления и контроля сборочных стапелей.

Макеты сечений применяют для получения способом слепков рабочих контуров рубильников стапелей. Конструктивно макеты сечений состоят из двух шаблонов и вкладыша, расположенного между ними. Вкладыши выполняют чаще всего литыми в виде ажурной плоской рамы толщиной 40-50мм. Если узел самолета (шпангоут или нервюра) имеют значительные размеры, то для макетов сечений этих узлов вкладыш выполняют из нескольких частей.

Вкладыш по толщине обрабатывают на заданный размер, а по габаритам отступают от рабочего контура шаблона приблизительно на 15-20мм.

Во вкладыш при помощи плаз-кондуктора, используя цемент МЦ, устанавливают три-четыре втулки, образующие базовые отверстия с шагом кратным 50мм.

С обеих сторон вкладыша устанавливают два шаблона. Один из них располагают в плоскости теоретического сечения нервюры, а другой – на расстоянии 40-50мм от этой плоскости.

В обоих шаблонах при помощи плаз-кондуктора заранее сверлят базовые отверстия с теми же расстояниями что и у вкладыша.

Установленные на вкладыши шаблоны фиксируют штырями по базовым отверстиям и привинчивают винтами (рис. 6.2.). Промежуток между шаблонами и вкладышем по всему периметру заполняют двумя слоями карбинольного цемента. После нанесения второго слоя и выдержки излишек цемента срезают ножом, опираясь его плоскостью на кромки обоих шаблонов. После затвердения цемента поверхность макета шпаклюют и окрашивают.

Назначение обтяжных пуансонов – придание необходимой формы деталям из листа и профилей на обтяжных прессах и профилегибочных станках.

В зависимости от применения обтяжные пуансоны можно подразделить на две группы: для обшивок и для профилей.

Для изготовления первых применяют пескоклеевую массу ПСК или эпоксидную композицию, а иногда то и другое.

Из пескоклеевой массы пуансоны изготавливают путем формования по поверхности макетов. Конструктивно их выполняют в виде деревянных каркасов, заполненных плотно утрамбованной пескоклеевой массой, состоящей из формовочного песка и смоляного клея.

Обтяжные пуансоны с применением эпоксидной композиции могут быть двух видов: с металлическим поддоном или монолитные. первый вид представляет собой каркас (металлический или деревянный), на котором смонтирован поддон из стального или дюралюминиевого листа толщиной 1,5-2мм. Поддон облицовывают эпоксидной композицией, образующей рабочую поверхность пуансона. Второй вид пуансонов представляет собой каркас, заполненный пескоклеевой массой или бетоном. На этом заполнителе располагают облицовку из эпоксидной композиции толщиной 10-20мм.

Пуансоны для профилей изготавливают чаще всего, применяя балинит вместе с эпоксидной композицией. По конструктивному признаку обтяжные пуансоны для профилей подразделяют на две группы: монолитные и пустотелые. Пустотелые пуансоны применяют для изготовления деталей из профилей, имеющих толщину полок до 3мм, а монолитные – для профилей, у которых толщина полок имеет большую величину.

Монолитные обтяжные пуансоны, в свою очередь, подразделяются на две разновидности: с рабочим контуром из балинита и из эпоксипласта.

Контрольно-доводочную оснастку применяют для доводки и контроля листовых и профильных деталей, полученных на выколоточных молотах, после посадки, разводки и некоторых других операций штамповки, обтяжки и формовки.

Вся оснастка в зависимости от конфигурации и типа, изготовляемых на ней деталей подразделяется на три вида: болванки для деталей типа обшивок и жесткостей, контрольно-доводочные плазы и лекала для деталей из листового материала и профилей, оправки для доводки малок на полках шпангоутов и нервюр агрегатов самолета.

По конструктивному признаку всю контрольно-доводочную оснастку подразделяют на следующие группы:

монолитные из хвойной древесины;
монолитные из хвойной древесины с облицовкой рабочего контура твёрдыми породами дерева или балинитом;
монолитные из пескоклеевой массы с наклеенными бобышками из древесины;
пустотелые из хвойной древесины;
пустотелые с облицовкой из эпоксипласта.

Выбор той или иной конструкции оснастки зависит от габаритов изготовляемых на ней деталей, а также от назначения самой оснастки.

Монолитные болванки из хвойной древесины изготовляют из отдельных щитов-заготовок. Существенное влияние на прочность болванки оказывает толщина щитов, идущих в общий массив, а также их расположение.

Чем толще, применяемые в массиве щиты, тем меньше прочность болванки. Оптимальная толщина щитов, склеенных из отдельных сосновых реек, 60мм.

Расположение щитов-заготовок и, следовательно, направление волокон древесины может быть разное: продольное, смешанное, взаимно перпендикулярное и «в ёлочку».

Формблок служит для формования деталей на гидропрессе путем обжатия листовой заготовки резиной. Он играет роль пуансона, и поэтому его изготавливают по внутренним размерам и форме штампуемой детали.

На формблоке производят следующие операции: отгибку бортов, отбортовку отверстий с одновременной просечкой их, формовку рифтов и подсечек, вогнутых и выпуклых зон, расположенных на плоскости детали.

При наличии в деталях отбортовок, рифтов и подсечек и для воспроизведения точного рельефа этих элементов конструкции путём обжатия резиной дополнительно применяют жёсткие прижимные накладки, изготовляемые совместно с формблоком.

Классифицируют формблоки по технологическим и конструктивным признакам деталей, контуры которых выполняют при помощи формблоков.

Все детали, формуемые резиной на формблоках, можно подразделить на восемь групп (рис. 6.3.):

плоские детали;
детали, имеющие один борт;
детали, имеющие два борта, направленные в одну сторону;
детали, имеющие два борта, направленные в разные стороны;
детали, имеющие два борта, направленные в разные стороны, с дополнительным бортиком жёсткости;
детали, у которых борта образуют закрытый контур (типа коробочки). Поверхности таких деталей могут быть гладкими или с отбортовками и рифтами. Контуры деталей могут быть как прямолинейными, так и криволинейными;

детали с одним или двумя криволинейными бортами, направленные в одну или в разные стороны. Контуры таких деталей бывают прямолинейными (например, лонжерон руля). Поверхности деталей гладкие или с различными отбортовками;
детали, сложные по конфигурации, имеющие специфические особенности при изготовлении (например, закрутку или кривизну по контуру).

В соответствии с этой классификацией деталей формблоки также делятся на восемь групп.

Формблоки для деталей первой группы изготовляют толщиной от 20мми выше в зависимости от габаритов формуемой детали. Для выполнения в деталях лунок, отбортовок и рифтов жесткости в формблоках предусматривают соответствующие элементы.

В зависимости от глубины и конфигурации, получаемые в деталях, отбортовки могут быть выполнены за один или два перехода.

Открытые отбортовки формуют обычно за один переход, при этом в формблоке делают вырез глубиной больше борта детали на 4-5мм (рис. 6.4.).

Закрытые отбортовки (рис. 6.5.) формуют в два перехода на одном и том же формблоке. Для деталей, имеющих глубокую отбортовку, направленную вниз, кроме того, применяют отдельные вкладыши и прижимные накладки. Толщина накладок 10-15мм, фиксируют их на те же шпильки, что и детали. Рабочие края накладок снимают под углом 60⁰ и скругляют радиусом 6мм.

Формблоки для деталей второй группы изготовляют такой толщины, чтобы расстояние от края формируемой детали до основания формблока было 8-10мм (рис. 6.6, а). Стандартная высота формблока 30-40мм.

Для формовки деталей второй группы прижимную накладку не применяют только в том случае, если ширина стенки детали в 4 раза больше высоты ее борта (рис. 6.6, а).

При ширине стенки детали от 25мм до размера, равного четырем высотам ее борта, формблоки изготовляют с накладками (рис. 6.6, б). Если ширина стенки детали менее 25мм, то ширина формблока не должна быть менее 40-45мм. При этом на накладке делают выступ, равный толщине материала детали (рис. 6.6, в).

Высота пакета (формблок – деталь – накладка) для всех типов деталей не должна превышать 70мм.

Если деталь имеет с двух сторон отбортовки, а другие две стороны не имеют отбортовок, то торцы формблока для такой детали в том месте, где нет бортов, делают на 15-20мм более детали (рис. 6.7.). Кромки формблоков в этих местах для предохранения резины скругляют радиусом 5мм.

Формблоки для деталей третей группы, имеющих закрытую малку у одного или двух бортов, изготовляют разъемными для возможности снятия детали после формовки (рис. 6.8.).

Формблоки для деталей, заканчивающихся острым углом с шириной стенки менее 10мм (например, хвостики нервюр), упрочняют на участке 40-60мм, т.е. расширяют основание формблока, делая открытую малки в 30-40⁰ (рис. 6.9, а). При таком формблоке требуется ручная доводка деталей, что не всегда целесообразно. Лучшее для таких деталей изготавливать комбинированный формблок. Узкую его часть надо делать из дуралюмина (рис. 6.9, б).

Формблоки для деталей четвертой группы конструктивно выполняют по-разному, в зависимости от количества переходов.

В один переход изготавливают детали, у которых высота внутреннего борта меньше 8мм. В этом случае формблок изготавливают со специальными упорами (рис. 6.10.).

Если высота внутреннего борта более 8мм, то деталь формуют в два перехода.

Длину формблока первого перехода, на котором формуют внутренний борт, берут с учетом длины развернутого наружного борта детали плюс 10-20мм (рис. 6.11, а). Кромки формблока в этих местах для предохранения резины скругляют радиусом 5мм.

В накладке формблока второго перехода делают паз для предохранения внутреннего борта во время формовки наружного борта (рис 6.11, б).

Формблоки для деталей пятой группы. Детали этого типа изготовляют обычно в три перехода, поэтому и формблоки изготавливают для каждого перехода.

На формблоке первого перехода формуют бортик жесткости. Для увеличения давления при гибке бортика на общее фанерное основание формблока ставят упор (рис. 6.12, а). Рабочую кромка упора обрабатывают эквидистантно рабочей кромке формблока примерно на расстоянии 25мм.

Ширину формблока берут с учетом высоты развернутого контурного и неконтурного бортов.

На формблоке второго перехода формуют неконтурный борт. Ширину борта формблока в каждом сечении берут с учетом развернутой высоты контурного борта (рис. 6.12, б).

На формблоке третьего перехода формуют контурный борт (рис. 6.12, в). Ширина такого формблока должна быть не менее 40мм.

Детали данного типа зачастую формуют и в два перехода. формблок при этом выполняют двойной, т.е. рассчитанный на две заготовки (по ширине), и с двумя прижимными накладками (рис. 6.13.). Процесс формовки таких деталей заключается в следующем. За первый переход первоначально формуют большой борт жесткости и частично малый бортик жесткости. Затем заготовку поворачивают на 180⁰, фиксируя ее по тем же шпилечным отверстиям на новые шпильки. На деталь накладывают и фиксируют накладку. На освободившееся место устанавливают новую заготовку детали. Причем до формовки основного борта вручную слегка доформировывают бортик жесткости. При вторичной формовке отформировывают основной борт и окончательно откалибровывают малый бортик жесткости.

Формблоки для детали шестой группы. Детали этого типа формируют в два перехода. На формблоке первого перехода формуют бортики жесткости (рис. 6.14, а), а на формблоке второго перехода – основной борт. Чтобы снимать деталь с формблока его изготавливают разъемным из двух половин (рис. 6.14, б).

Формблоки для деталей седьмой группы. Детали этого типа в зависимости от направления бортов изготовляют в один или два перехода. Если бота направлены в одну сторону, то изготавливают только один формблок , на котором формуют оба борта (рис. 6.15.). Если борта направлены в разные стороны, то изготавливают формблоки для двух переходов. На формблоке первого перехода формуют внутренний борт, а если борта наружные, то любой из бортов (рис. 6.16, а).

Ширину формблока в каждом сечении берут с учетом высоты развернутого второго борта. Формблок второго перехода изготовляют с прижимной пластиной, предохраняющей отогнутый борт во время формовки второго борта (рис. 6.16, б). Толщину прижимной накладки берут в зависимости от высоты отогнутого борта детали.

Формблоки для деталей восьмой группы по конструктивному оформлению аналогичны описанным выше. Особенность их заключается только в том, что формблоки этого типа имеют сложную форму, а иногда частично двойную кривизну. Для повышения качества изготовления по ним деталей такие формблоки должны быть увязаны с другой заготовительно-штамповочной оснасткой.

6.2.2Создание управляющих программ для обработки оснастки

Используя модели деталей, созданных при увязке конструкции, графические системы позволяют создавать программы траекторий движения инструмента для обработки заготовительно-штамповочной, макетной и прочей оснастки.

В целом методика создания управляющих программ для обработки оснастки схожа с методикой для обработки шаблонов. Отличие заключается в том, что обработка уже не 2-х-координатная, а 3-х.

Как уже было отмечено, моделирование деталей осуществляется в системе «Unigraphics», а подготовка программ может осуществляться в этой же системе либо модель может быть передана через промежуточный стандарт «IGES» в «Cimatron it» и подготовка программ может осуществляться здесь.

Для изготовления эталона поверхности в файле, содержащем электронную модель поверхности, предварительно моделируется поверхность заготовки, создается система координат, соответствующая способу базирования заготовки эталона на столе станка. Затем выделяется зона обработки: указывается поверхность заготовки (начало фрезерования), затем указывается поверхность оснастки (конец фрезерования).

Примеры траекторий обработки болванки для выклейки лобовика крыла, показанного на ДП 1301.02.07.10.20.00 СБ, изображена на плакате ДП 1301.02.07.00.20.01.

7Изготовление деталей крыла

7.1Изготовление деталей из композиционных материалов

Как уже было отмечено, большая часть конструкции рассматриваемого крыла изготавливается из гибридных^¹ композиционных материалов и панелей с сотовым заполнителем, которые, в свою очередь, также изготавливаются из ПКМ^².

7.1.1Изготовление обшивок из композиционных материалов

Технологический процесс изготовления деталей из ПКМ начинается с изготовления препрега – сочетание смолы и волокна.

Изготовление препрега осуществляется на специальных пропитывающих машинах. Работа таких машин заключена в том, что ткань пропитывается раствором смолы и растворителя, затем растворитель частично подсушивается, а смола – полимеризуется. Окончательная полимеризация происходит после выкладки препрега на оснастку для придания требуемых форм.

Внутренние и внешние обшивки верхней и нижней панелей, например, изготавливаются путем выкладки по оснастке с последующим формованием (так изготавливается большинство деталей крыла). Выкладка препрега в пакеты осуществляется ручным или автоматизированным путем.

Ручная выкладка заключается в послойном наборе пакетов в соответствии со схемой выкладки, приводимой на чертежах. Перед выкладкой поверхность оснастки покрывается антиадгезионным составом или на неё укладывается разделительная плёнка. После выкладки каждого слоя производится уплотнение пакета обогреваемым роликом через разделительную плёнку для удаления воздушных включений и упрочнения сцепления слоёв. Формование может осуществляться с помощью герметичной эластичной оболочки по двум вариантам: вакуумное формование в термошкафу или формование в автоклаве. В случае с обшивками крыла применяется формование в автоклаве.

Автоклавы – это герметичные сосуды большого объёма, в которых можно создать давление до 30МПа. Преимущество автоклавного формования в том, что в автоклавах из-за значительного объёма нагревательной камеры обеспечиваются заданные равномерные температура и давление независимо от формы изделия, а также возможность механизации при загрузке и выгрузке. В автоклав входят системы создания и регулирования рабочего давления, управления процессами разогрева и охлаждения, а также система записи параметров.

7.1.2Изготовление сотового заполнителя

Появление слоистых конструкций вызвали требования к высокой удельной прочности при минимально возможном весе конструкции. Слоистые конструкции представляют собой листовые обшивки, между которыми установлен заполнитель, обеспечивающий совместную работу обшивок и необходимую жёсткость конструкции. В качестве заполнителя в слоистых конструкциях применяются заполнители в виде гофров и вафель из пенопластов и пеноалюминия, а также наиболее распространенный – сотовый заполнитель.

В конструкциях сотовых заполнителей распространение получила шестигранная форма ячейки, как более технологичная и имеющая большую площадь склеивания с обшивками. Параметрами сотового заполнителя являются размер ячейки и толщина материала (рис. 7.1).

Наиболее распространённым способом изготовления сотового заполнителя является метод растяжения пакетов, так как этот метод позволяет механизировать выполнение всех операций. Рассмотрим этот процесс.

Первым этапом в изготовлении сотового заполнителя является процесс нанесения клеевых полос на полосы материала, их подсушивание и сборка в пакеты. Этот процесс осуществляется на специальных станках, позволяющих автоматизировать и соединить нанесение клея, его сушку и сборку в пакеты в один процесс.

Затем полученные пакеты склеиваются – помещаются в специальное приспособление, напоминающее штамп. «Пуансон» и «матрица» такого штампа выполнены в виде гребенок, создающих давление только на клеевых полосах. Это приспособление помещается в пресс для создания давления.

Полученные пакеты растягиваются на специальных установках.

Затем пакеты пропитывают связующим (смолой) - установленными на специальные рамы пакеты погружают в ванну со связующим. Пропитанные пакеты подвергают термообработке.

Завершающим этапом изготовления сотовых заполнителей является процесс придания им требуемых геометрических форм.

7.1.3Сборка трехслойных панелей с сотовым заполнителем

Сборка панелей осуществляется на болванке, на которую укладываются окантовки – препрег – для заделки кромок, затем укладывается нижняя обшивка, затем – сотовый заполнитель и, наконец, - верхняя обшивка. После этого на верхнюю обшивку укладывается антиадгезионная пленка, и всё закрывается эластичной оболочкой. Процесс формования проводится в термошкафу или автоклаве.

Перед укладкой последней обшивки соты в местах крепления панели с элементами каркаса (т.е. где будут сверлиться отверстия под болты, например) заполняются специальным заполнителем согласно сборочному чертежу.

7.2Изготовление механообрабатываемых деталей

После увязки конструкции в системах геометрического моделирования для механообрабатываемых деталей без каких-либо дополнительных построений в этих же системах могут быть созданы управляющие программы для оборудования с ЧПУ.

Системы «Cimatron it» и «Unigraphics», как уже было отмечено, снабжены пакетами для 2, 3 и 5-координатой фрезерной, и 2 и 4-координатной токарной обработки. Пакеты и той и другой систем имеют встроенные средства для визуального контроля управляющих программ.

Рассмотрим обобщенный процесс создания управляющей программы в системе «Unigraphics»:

рабочая координатная система устанавливается таким образом, чтобы соответствовать системе координат станка.
запускается модуль MANUFACTURING.
совмещаются рабочая и станочная координатные системы.
выбирается тип траектории обработки («от точке к точке», фрезерование в плоскости и т.д.).
создается инструмент, где указывается его тип и геометрические параметры.
задаются режимы обработки (подачи, вращения шпинделя и т.п.).
указывается на модели обрабатываемая геометрия - поверхности детали. При необходимости указываются поверхности, которые не должны быть зарезаны.
задаются способы подвода, врезания, отвода, исходная точка и другие параметры, относящиеся к холостому движению инструмента;
производиться генерация траектории.

Полученную траекторию впоследствии можно отредактировать – изменить подачи, инструмент и т.д.

7.3Изготовление листовых деталей

Все листовые детали конструкции крыла подвергаются формовке резиной. На рис 7.2. показана обща схема штамповки резиной. Плоскую заготовку 2 помещают на пуансон (формблок) 1, находящийся на нижней плите 5; матрицей служит контейнер 4, внутренняя полость которого заполнена резиной 3. При движении вниз плунжера пресса и закреплённого на нём контейнера внутренняя полость контейнера замыкается нижней плитой 5 и в его полости начинает увеличиваться давление q резины; под воздействием давления q заготовка прижимается к пуансону и начинает деформироваться. В конечной стадии процесса штамповки давление достигает максимального значения, заготовка полностью обжимается по пуансону и принимает его форму.

Как видно из схемы, операция штамповки очень проста; специальной оснасткой является только формблок, а контейнер и нижняя плита (выполненная по его внутренним размерам) являются универсальными.

При штамповке резиной заготовка испытывает распределённое давление только со стороны резиновой подушки, края заготовки деформируются свободно. Поэтому если в зоне деформирования возникают напряжения сжатия, то заготовка легко теряет устойчивость, появляются складки, которые не всегда можно устранить обжатием на пуансоне в конце операции. В этом случае складки устраняют последующей ручной доработкой. При возникновении в зоне деформирования напряжений растяжения складки не образуются и степень деформации ограничивается удельным давлением q, создаваемой резиновой подушкой контейнера.

При помощи штамповки резиной изготавливаются детали, главным образом, из алюминиевых сплавов: нервюры, шпангоуты и их детали, диафрагмы, стенки, перегородки и др. Эти детали проектируются с учётом технологических возможностей именно штамповки резиной, так как изготовление их другими способами, например в металлических штампах, значительно дороже.

Штамповка резиной производится в гидропрессах. Применяются гидропрессы двух типов: с максимальным усилием 2500 и 5000Т. Размеры рабочей зоны контейнеров соответственно равны 1×2 и 3,5×1,3м. Удельное давление q в контейнере 80-100кГ/см². Рабочая площадь контейнеров позволяет осуществлять групповую штамповку; для этого на нижнюю плиту одновременно устанавливают несколько формблоков с заготовками и за один рабочий ход плунжера на каждом из них штампуются отдельные детали.

Комплект деталей, изготовляемых при помощи штамповки резиной, включает несколько тысяч наименований, а трудоёмкость, приходящаяся на этот вид работ, достигает 15% от общей трудоёмкости заготовительно-штамповочных работ.

1 Прикладные функции (или user-функции) – разработка группы программистов, занимающихся расширением возможностей графических систем. Подобная группа сформирована при цехе 22 Новосибирского Авиационного Производственного Объединения им. В.П.Чкалова.

1 Сборочный чертеж наружной обшивки верхней панели представлен на чертеже ДП 1301.02.07.10.10.00 СБ и аксонометрическая проекция наружной обшивки – ДП 1301.02.07.10.10. Сборочный чертеж верхней панели - ДП 1301.02.07.10.00.00 СБ.

2 Сборочные чертежи лобиков – ДП 1301.02.07.10.20.00 СБ и ДП 1301.02.07.10.30.00 СБ и их аксонометрические проекции – ДП 1301.02.07.10.20 и ДП 1301.02.07.10.30.

1 О подготовке теоретической информации речь пойдет в расчетном разделе настоящей работы.

2 ПСС – плоскость симметрии самолета; СГФ – строительная горизонталь фюзеляжа; плоскость дистанции «0» - плоскость, проходящая через самую крайнею носовую точку фюзеляжа и взаимно перпендикулярная к ПСС и СГФ.

1 Intersection Curve – «кривая пересечения» - позволяет находить линию пересечения двух или более поверхностей.

2 Section – «сечение» - позволяет находить линию пересечения поверхностей с указанной плоскостью или несколькими плоскостями.

3 Offset on face – «эквидистанта по поверхности» - строит линию, лежащую на указанной плоскости, эквидистантную указанной линии, лежащей на той же плоскости.

4 Offset sheet body – «эквидистанта листового тела» - строит поверхность эквидистантную заданной.

5 Trim body – «обрезка тела» - удаляет часть тела ограниченную указанной плоскостью или поверхностью.

6 Ruled – «линовать» - строит линейчатую поверхность по двум указанным контурам или двум кривым.

7 Sew – «шить; сшивать» - строит поверхность базируясь на указанные поверхности, «сшивая» их.

1 Thicken Sheet – «утолщение листа» - строит твердое тело эквидистантно перемещая указанную поверхность. У команды имеется три параметра: First Offset – первая эквидистанта; Second Offset – вторая эквидистанта; Tolerance – точность. Для первого слоя First Offset устанавливается равной нулю, а Second Offset – равной толщине слоя (0,12мм). Для второго слоя First Offset устанавливается равной толщине первого слоя, а Second Offset – толщина первого слоя плюс толщина второго слоя (0,09мм). Для следующих слоев: к первой эквидистанте предыдущего слоя прибавляется толщина предыдущего слоя, ко второй эквидистанте предыдущего слоя добавляется толщина моделируемого слоя. Точность по умолчанию стоит равной 0,01мм, эта величина соизмерима с толщинами слоев, поэтому ее необходимо уменьшить до 0,0001мм, иначе система может сбоить.

2 - толщина i-го слоя.

3 Под «телом» понимается твердое тело – набор поверхностей, образующих замкнутый объем.

1 В системе «Unigraphics» файл, содержащий модель детали, подсборки или сборки называется «часть», подразумевая, что каждая деталь является составной частью некоторого сборочного проекта.

1 NC – Numeric Control – «числовое управление».

1 Гибридные композиционные материалы – композиционные материалы, в которых используются слои двух и более типов материалов (например, стеклоткань, углеродная лента и т.п.).

2 ПКМ – полимерный композиционный материал.

Список используемой литературы

Завьялов Ю.С., Леус В.А., Скороспелов В.А. Сплайны в инженерной геометрии. – М.: Машиностроение, 1985. – 224с. ил.
Давыдов Ю.В., Злыгарев В.А. Геометрия крыла: Методы и алгоритмы проектирования несущих поверхностей. – М.: Машиностроение, 1987. – 136с.: ил.
Леньков С.С., Орлов С.Т. Шаблоны и объемная оснастка в самолетостроении. – М.: Оборонгиз, 1962. – 406с.: ил.
Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов.
Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов/Е.Я. Юдин, С.В. Белов, С.К. Баланцев и др.; Под ред. Е.Я.Юдина, С.В. Белова – 2-е изд., перераб. И доп.-М.: Машиностроение, 1983, 432с., ил.
Долин П.А. Основы электробезопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1979. 408с.
Гилой В. Интерактивная машинная графика/ Пер. с англ. М.: Мир.1981. 380с.
Зозулевич Д.М. Машинная графика в автоматизированном проектировании. М.: Машиностроение. 1976. 240с.
Кашин Г.М., Пшеничников Г.И., Флеров Ю.А. Методы автоматизированного проектирования самолета. М.: Машиностроение. 1979. 166с.
Инструкция по использованию графической системы EDS Unigraphics.
Инструкция по использованию графической системы CAD/CAM Cimatron it. Bee Pitron Ltd, Санкт-Петербург, 1994г.
Крысин В.Н. Технологическая подготовка авиационного производства. М.: Машиностроение, 1984г. 200с.

9Техника безопасности на участке механообработки

Цехи современных заводов – оснащены самыми различными видами технологического оборудования. Его использование облегчает труд человека, делает его производительным. Однако в ряде случаев работа этого оборудования связана с возможностью воздействия на рабочих опасных или вредных производственных факторов. Основным направлением облегчения и оздоровления условий труда, повышения его производительности является механизация и автоматизация работ и технологических процессов и использование роботов и манипуляторов.

Механизация способствует ликвидации тяжелого физического труда, снижению травматизма, уменьшает численность персонала. Особое значение с точки зрения охраны труда имеет механизация подачи заготовок в рабочую зону при обработке. При эксплуатации особо опасных видов оборудования, таких, как кузнечно-прессовые машины, установки с использованием радиоактивных веществ, для подачи этих веществ используются роботы и манипуляторы.

Автоматизация — высшая ступень механизации, способствует ликвидации существенного различия между умственным трудом и физическим. При комплексной автоматизации технологические процессы выполняются последовательно без вмешательства человека. Такие системы избавляют оператора от тяжелой физической работы, но труд его остается утомительным, так как приходится делать большое число движений управляющими рукоятками, в результате этого резко возрастают нервные нагрузки.

Применение управляющих машин экономит усилия работника, ускоряет выполнение операции и значительно облегчает труд даже по сравнению с автоматизированными устройствами. Ведение производственного процесса при помощи управляющих машин исключает ошибки, всегда возможные при непосредственном управлении. Применение управляющих машин не только облегчает труд, но делает его безопасным.

Одним из перспективных направлений комплексной автоматизации производственных процессов является использование промышленных роботов (манипуляторов с программным управлением). От известных средств автоматизации промышленные роботы отличаются тем, что позволяют автоматизировать такие производства, которые невозможно или нецелесообразно было автоматизировать традиционными средствами.

В настоящее время созданы роботизированные устройства для заливки и съема заготовок в литейном производстве, установки и снятия деталей в механообрабатывающем и штамповочном производстве, для автоматизации процессов обезжиривания, грунтовки, окраски изделий и нанесения защитных покрытий, для проведения сварочных работ, термической обработки и для некоторых других технологических процессов. Особенно широко применяют робототехнику при проведении погрузочно-разгрузочных и складских работ ( установка оснастки больших заготовок, разгрузка и выгрузка конвейерных и автоматических линий, межоперационная транспортировка).

Автоматические действия, высокие скорости линейных перемещений исполнительных устройств, большая зона обслуживания и другие специфические особенности промышленных роботов представляют повышенную опасность для обслуживающего персонала и работающих на смежных участках. В связи с этим вопросам обеспечения безопасности должно уделяться особое внимание, как при конструировании, так и при эксплуатации промышленных роботов и роботизированных систем.

В неавтоматизированных производствах безопасность труда обусловлена степенью безопасности оборудования и технологических процессов. Общие методы обеспечения безопасности производственного оборудования и процессов рассмотрены ниже.

9.1Требования безопасности, предъявляемые к оборудованию

Основными требованиями охраны труда, предъявляемыми при проектировании машин и механизмов, являются: безопасность для человека, надежность и удобство эксплуатации. Требования безопасности определяются системой стандартов безопасности труда.

Безопасность производственного оборудования обеспечивается правильным выбором принципов его действия, кинематических схем, конструктивных решений (в том числе форм корпусов, сборочных единиц и деталей), рабочих тел, параметров рабочих процессов, использованием различных средств защиты. Последние по возможности должны вписываться в конструкцию машин и агрегатов. Средства защиты должны быть, как правило, многофункционального типа, т. е. решать несколько задач одновременно. Так, конструкции машин и механизмов, станин станков должны обеспечивать не только ограждение опасных элементов, но и снижение уровня их шума и вибрации, ограждение абразивного круга заточного станка должно конструктивно совмещаться с системой местной вытяжной вентиляции.

При наличии у агрегатов электропривода последний должен быть выполнен в соответствии с Правилами устройства электрических установок; в случае использования рабочих тел под давлением, не равным атмосферному, а также при конструировании и эксплуатации грузоподъемных машин должны соблюдаться требования, предъявляемые стандартами к подобным агрегатам. Должны предусматриваться средства защиты от электромагнитных и ионизирующих излучений, загрязнений атмосферы парами, газами, пылями, воздействия лучистого тепла и т. п.

Надежность машин и механизмов определяется вероятностью нарушения нормальной работы оборудования. Такого рода нарушения могут явиться причиной аварий, травм. Большое значение в обеспечении надежности имеет прочность конструктивных элементов. Конструкционная прочность машин и агрегатов определяется прочностными характеристиками, как материала конструкции, так и его крепежных соединений (сварные швы, заклепки, штифты, шпонки, резьбовые соединения), а также условиями их эксплуатации (наличие смазочного материала, коррозия под действием окружающей среды, наличие чрезмерного изнашивания и т. д.).

Большое значение в обеспечении надежной работы машин и механизмов имеет наличие необходимых контрольно-измерительных приборов и устройств автоматического управления и регулирования. При несрабатывании автоматики надежность работы технологического оборудования определяется эффективностью действий обслуживающего персонала. Поэтому производственное оборудование и рабочее место оператора должны проектироваться с учетом физиологических и психологических возможностей человека и его антропометрических данных. Необходимо обеспечить возможность быстрого правильного считывания показаний контрольно-измерительных приборов и четкого восприятия сигналов. Наличие большого числа органов управления и приборов (шкал, кнопок, рукояток, световых и звуковых сигналов) вызывает повышенное утомление оператора. Органы управления (рычаги, педали, кнопки и т. д.) должны быть надежными, легкодоступными и хорошо различимыми, удобными в пользовании. Их располагают либо непосредственно на оборудовании, либо выносят на специальный пульт, удаленный от оборудования на некоторое расстояние. Все виды технологического оборудования должны быть удобны для осмотра, смазывания, разборки, наладки, уборки, транспортировки, установки и управления ими в работе.

Степень утомляемости работающих на основных видах оборудования в цехах заводов обусловлена не только нервной и физической нагрузкой, но и психологическим воздействием окружающей обстановки, поэтому большое значение имеет выбор цвета внешних поверхностей оборудования и помещения. Важнейшим условием обеспечения безопасности машин и механизмов является учет и выполнение требований безопасности на всех этапах их создания, начиная с разработки технического задания на проектируемое оборудование и кончая сдачей опытных образцов в серийное производство. Перечень такого рода требований определяется на основе анализа опасной зоны производственного оборудования.

9.2Опасные зоны оборудования и средства их защиты

Опасная зона – это пространство, в котором возможно действие на работающего опасного и (или) вредного производственного фактора. Опасность локализована в пространстве вокруг движущихся элементов: режущего инструмента, обрабатываемых деталей, планшайб, зубчатых, ременных и цепных передач, рабочих столов станков, конвейеров, перемещаемых подъемно-транспортных машин, грузов и т.д. Особая опасность создается в случаях, когда возможен захват одежды или волос работающего движущимися частями оборудования.

Наличие опасной зоны может быть обусловлено опасностью поражения электрическим током, воздействия тепловых, электромагнитных и ионизирующих излучений, шума, вибрации, ультразвука, вредных паров и газов, пыли, возможностью травмирования отлетающими частицами материала заготовки и инструмента при обработке, вылетом обрабатываемой детали из-за плохого ее закрепления или поломки.

Размеры опасной зоны в пространстве могут быть постоянными (зона между ремнем и шкивом, зона между вальцами и т.д.) и переменными, (поле прокатных станов, зона резания при изменении режима и характера обработки, смена режущего инструмента и т. д.).

При проектировании и эксплуатации технологического оборудования необходимо предусматривать применение устройств либо исключающих возможность контакта человека с опасной зоной, либо снижающих опасность контакта (средств защиты работающих). Средства защиты работающих по характеру их применения делятся на две категории: коллективные и индивидуальные.

Средства коллективной защиты в зависимости от назначения подразделяются на следующие классы: нормализации воздушной среды производственных помещений и рабочих мест, нормализации освещения производственных помещений и рабочих мест, средства защиты от ионизирующих излучений, инфракрасных излучений, ультрафиолетовых излучений, электромагнитных излучений, магнитных и электрических полей, излучения оптических квантовых генераторов, шума, вибрации, ультразвука, поражения электрическим током, электростатических зарядов, от повышенных и пониженных температур поверхностей оборудования, материалов, изделий, заготовок, от повышенных и пониженных температур воздуха рабочей зоны, от воздействия механических, химических, биологических факторов.

Средства индивидуальной защиты в зависимости от назначения подразделяются на следующие классы: изолирующие костюмы, средства защиты органов дыхания, специальная одежда, специальная обувь, средства защиты рук, головы, лица,- глаз, органов слуха, средства зашиты от падения и другие аналогичные средства, защитные дерматологические средства.

Все применяющиеся в машиностроении средства коллективной защиты работающих по принципу действия можно разделить на оградительные, предохранительные, блокирующие, сигнализирующие, а также системы дистанционного управления машинами и специальные. Каждый из перечисленных подклассов, как будет показано ниже, имеет несколько видов и подвидов. Общими требованиями к средствам защиты являются: создание наиболее благоприятных для организма человека соотношений с окружающей внешней средой и обеспечение оптимальных условий для трудовой деятельности; высокая степень защитной эффективности; учет индивидуальных особенностей оборудования, инструмента, приспособлений или технологических процессов; надежность, прочность, удобство обслуживания машин и механизмов, учет рекомендаций технической эстетики.

Оградительные средства защиты препятствуют появлению человека в опасной зоне. Применяются для изоляции систем привода машин и агрегатов, зон обработки заготовок, для ограждения токоведущих частей, зон интенсивных излучений (тепловых, электромагнитных, ионизирующих), зон выделения вредных веществ, загрязняющих воздушную среду, и т.д. Ограждаются также рабочие зоны, расположенные на высоте (леса и т. п.).

Конструктивные решения оградительных устройств многообразны. Они зависят от вида оборудования, расположения человека в рабочей зоне, специфики опасных и вредных производственных факторов, сопровождающих технологический процесс. Оградительные устройства делятся на три основные группы: стационарные (несъемные), подвижные (съемные) и переносные. Стационарные ограждения периодически демонтируются для осуществления вспомогательных операций (смены рабочего инструмента, смазывания, проведения контрольных измерений деталей и т. п.). Их изготовляют таким образом, чтобы они пропускали обрабатываемую деталь, но не пропускали руки работающего из-за небольших размеров соответствующего технологического проема. Такое ограждение может быть полным, когда локализуется опасная зона вместе с машиной, или частичным, когда изолируется только опасная зона машины. Примерами полного ограждения являются ограждения распределительных устройств электрооборудования, галтовочных барабанов, вентиляторов, корпуса электродвигателей, насосов и т.д.

Конструкция и материал ограждающих устройств определяются особенностями данного оборудования и технологического процесса.4 Ограждения выполняют в виде сварных или литых кожухов, жестких сплошных щитов (щитков, экранов), решеток, сеток на жестком каркасе.

Предохранительные защитные средства предназначены для автоматического отключения агрегатов и машин при выходе какого-либо параметра оборудования за пределы допустимых значений, что исключает аварийные режимы работы.

На установках, работающих под давлением больше атмосферного, используют предохранительные клапаны и мембранные узлы.

В случае возможного выделения токсичных паров и газов, либо паров и газов, способных образовывать взрыво- и пожароопасные смеси, вблизи оборудования устанавливают стационарные автоматические газоанализаторы. Последние при образовании концентрации токсичных веществ, равной ПДК, а концентрации горючих смесей в пределах 5—50% нижнего предела воспламенения включают аварийную вентиляцию.

Важную роль в обеспечении безопасной эксплуатации, ремонта и обслуживания технологического оборудования играет тормозная техника, позволяющая быстро останавливать валы, шпиндели и прочие элементы, являющиеся потенциальными источниками опасности. По назначению тормоза делятся на стопорные, спускные и регуляторы скорости; по конструкции — на ленточные, колодочные, дисковые, грузоопорные, центробежные и электрические; по характеру действия — на управляемые и автоматические.

Блокировочные устройства исключают возможность проникновения человека в опасную зону либо устраняют опасный фактор на время пребывания человека в этой зоне.

Большое значение этот вид средств защиты имеет при ограждении опасных зон и там, где работу можно выполнять при снятом или открытом ограждении. По принципу действия блокировочные устройства делят на механические, электрические, фотоэлектрические, радиационные, гидравлические, пневматические, комбинированные.

9.3Охрана труда в автоматизированных производствах

Эксплуатация автоматизированных производств связана с травматизмом, который чаще всего имеет место при ремонте и обслуживании линий. При этом непосредственной причиной несчастных случаев является несовершенство средств защиты, неэффективные системы удаления стружки, недостатки в конструкциях транспортеров и т.д.

При устройстве автоматических линий руководствуются правилами охраны труда, изложенными выше. Однако следует принимать во внимание и ряд дополнительных, характерных именно для данного случая требований охраны труда. Так, управление работой автоматической линии необходимо вести с центрального пульта управления. Это не исключает необходимости наличия пусковых устройств у отдельных агрегатов, встроенных в линию. Условия труда на пультах управления должны полностью отвечать правилам охраны труда для постоянных рабочих мест (воздух рабочей зоны, освещение, шум, вибрация и т. д.). Повсеместно должны использоваться системы блокировки, исключающие перевод автоматической линии на наладочный или автоматический режим в последовательности, не отвечающей требованиям технологического процесса. Здесь следует широко применять сигнальные устройства. Они предназначены для извещения о ходе технологического процесса, о наличии неисправностей и поломок как основного оборудования, так и систем вентиляции, пневмотранспорта и т.п.

Для периодической смены инструмента, регулировки и подналадки станков с ЧПУ и автоматов, их смазывания и чистки, а также мелкого ремонта в цикле работы автоматической линии должно быть предусмотрено специальное время. Все перечисленные работы должны выполняться на обесточенном оборудовании.

Для осмотра и ремонта всех устройств автоматической линии, расположенных ниже уровня пола (механизмы привода транспортеров и т.п.), должны быть предусмотрены специальные люки, обеспечивающие свободный доступ к ним. Эти люки выполняются заподлицо с полом и обязательно блокируются с пусковыми системами линий, чтобы исключить возможность их включения в работу при проведении ремонтных работ.

Для удаления отходов за пределы автоматических линий должны применяться скребковые транспортеры, системы пневмотранспорта и т.п.

10Защита от поражения током электрооборудования

10.1Причины поражения электрическим током и основные меры защиты

Основные причины несчастных случаев от воздействия электрического тока следующие:

случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением;
появление напряжения на конструктивных металлических частях электрооборудования – корпусах, кожухах и т.п. – в результате повреждения изоляции и других причин;
появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки;
возникновение шагового напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.

Основными мерами защиты от поражения током являются: обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения; электрическое разделение сети; устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, использованием двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и др.; применение специальных электрозащитных средств — переносных приборов и приспособлений; организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Недоступность токоведущих частей электроустановок для случайного прикосновения может быть обеспечена рядом способов: изоляцией токоведущих частей, размещением их на недоступной высоте, ограждением и др.

Электрическое разделение сети – это разделение электрической сети на отдельные электрически не связанные между собой участки с помощью специальных разделяющих трансформаторов. В результате изолированные участки сети обладают большим сопротивлением изоляции и малой емкостью проводов относительно земли, за счет чего значительно улучшаются условия безопасности.

Применение малого напряжения. При работе с переносным ручным электроинструментом — дрелью, гайковертом, зубилом и т. п., а также ручной переносной лампой человек имеет длительный контакт с корпусами этого оборудования. В результате для него резко повышается опасность поражения током в случае повреждения изоляции и появления напряжения на корпусе, особенно, если работа производится в помещении с повышенной опасностью, особо опасном или вне помещения.

Для устранения этой опасности необходимо питать ручной инструмент и переносные лампы напряжением не выше 42 В.

Кроме того, в особо опасных помещениях при особенно неблагоприятных условиях (например, работа в металлическом резервуаре, работа сидя или лежа на токопроводящем полу и т.п.) для питания ручных переносных ламп требуется еще более низкое напряжение – 12В.

Двойная изоляция — это электрическая изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной изоляции. Рабочая изоляция предназначена для изоляции токоведущих частей электроустановки, обеспечивая ее нормальную работу и защиту от поражения током. Дополнительная изоляция предусматривается дополнительно к рабочей для защиты от поражения током в случае повреждения рабочей изоляции. Двойную изоляцию широко применяют при создании ручных электрических машин. При эксплуатации таких машин заземление или зануление их корпусов не требуется.

Классификация помещений по опасности поражения током. Все помещения делятся по степени поражения людей электрическим током на три класса: без повышенной опасности, с повышенной опасностью, особо опасные.

Помещения без повышенной опасности— это сухие, беспыльные помещения с нормальной температурой воздуха и с изолирующими (например, деревянными) полами, т. е. в которых отсутствуют условия, свойственные помещениям с повышенной опасностью и особо опасным.

Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность:

сырости, когда относительная влажность воздуха длительно превышает 75%; такие помещения называют сырыми;
высокой температуры, когда температура воздуха длительно (свыше суток) превышает +35°С; такие помещения называются жаркими;
токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль (например, угольная, металлическая и т. п.) в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т.п.; такие помещения называются пыльными с токопроводящей пылью;
токопроводящих полов — металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и т.п.;

возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования — с другой.

Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность:

особой сырости, когда относительная влажность воздуха близка к 100% (стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой); такие помещения называются особо сырыми;
химически активной или органической среды, т.е. помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень, действующие разрушающе на изоляцию и токоведущие части электрооборудования; такие помещения называются помещениями с химически активной или органической средой;
одновременного наличия двух и более условий, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Особо опасными помещениями является большая часть производственных помещений, в том числе все цехи машиностроительных заводов, испытательные станции, гальванические цехи, мастерские и т.п. К таким же помещениям относятся и участки работ на земле под открытым небом или под навесом.

10.2Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования.

Область применения защитного заземления – трехфазные трехпроводные сети напряжением до 1000В с изолированной нейтралью и выше 1000В с любым режимом нейтрали.

Оборудование, подлежащее заземлению. Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей и животных. При этом в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных по условиям поражения током, а также в наружных установках заземление является обязательным при номинальном напряжении электроустановки выше 42В переменного и выше 110В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380В и выше переменного и 440В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от значения напряжения установки.

10.3Зануление

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом. Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабочего проводника, который также соединен с глухозаземленной нейтральной точкой источника тока, но предназначен для питания током электроприемников, т.е. по нему проходит рабочий ток.

Задача зануления та же, что и защитного заземления: устранение опасности поражения людей током при замыкании на корпус. Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в короткое однофазное замыкание, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами с целью создания большого тока, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить

поврежденную установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители или автоматические выключатели, устанавливаемые перед потребителями энергии для защиты от токов короткого замыкания. Скорость отключения поврежденной установки, т.е. время с момента появления напряжения на корпусе до момента отключения установки от питающей электросети, составляет 5…7сек при защите установки плавкими предохранителями и 1…2с при защите автоматами.

Кроме того, поскольку зануленные части оказываются заземленными через нулевой защитный проводник, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания фазы на корпус и до автоматического отключения поврежденной установки от сети, появляется защитное свойство этого заземления, подобно тому, как имеет место при защитном заземлении. Иначе говоря, заземление зануленных частей через нулевой защитный проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли.

Область применения зануления – трехфазные четырехпроводные сети напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью. Обычно это сети напряжением 380/220В, широко применяющиеся в машиностроительной промышленности и других отраслях, а также сети 220/127В и 660/380В.

Назначение нулевого защитного проводника – создание для тока короткого замыкания цепи с малым сопротивлением, чтобы этот ток был достаточным для быстрого срабатывания защиты, т. е. быстрого отключения поврежденной установки от сети.

8Составление математической модели теоретических обводов крыла

8.1Классификация несущих поверхностей

Все многообразие проектируемых несущих поверхностей можно классифицировать следующим образом: линейчатые, нелинейчатые, существенно нелинейчатые и интегральные. При этом в основу классификации положен скорее не теоретический подход, а некоторая практическая характеристика, которую можно назвать геометротехнологической.

Чаще всего, как и в нашем случае, при математическом описании несущих поверхностей применяются линейчатые поверхности, образованные путем перемещения прямолинейной образующей по двум криволинейным пространственным направляющим.

Для однозначности определения положения в пространстве прямолинейной образующей необходимо задать закон ее перемещения. Этот закон может задаваться в виде направления в пространстве, например, плоскости параллелизма, или третьей направляющей. Если же две направляющие являются плоскими кривыми, лежащими в параллельных плоскостях, а в качестве третьей направляющей выбрана прямая, параллельная указанным плоскостям, то образованная в этом случае поверхность будет называться поверхностью с пропорциональной разбивкой. Действительно, если мы рассмотрим проекцию направляющих и образующих на плоскость, перпендикулярную прямолинейной образующей, нетрудно видеть, что отрезки проекций криволинейных направляющих, отсекаемые образующими, будут пропорциональны.

Иногда такие поверхности называют линейчатыми поверхностями с процентной разбивкой.

Частным случаем линейчатых поверхностей является развертываемая поверхность, отличающаяся тем, что прямолинейная образующая, соединяющая две точки на направляющих, и касательные в них компланарны, т.е. поверхность получается путем обкатки плоскостью двух направляющих. Исходя из этого углы наклона касательных, как в начале, так и в конце используемых отрезков двух кривых должны быть равны между собой, а изменение углов наклона вдоль кривых должно быть гладким и непрерывным.

Нелинейчатой будем называть такую поверхность, у которой способ перехода от сечения к сечению в параллельных плоскостях не обеспечивает линейность образующих, однако форма крыла в плане ограничена прямыми линиями. Существенно нелинейчатая поверхность — это поверхность такого крыла, геометрические параметры которого (форма профиля, толщина и вогнутость его средней линии и другие) значительно изменяются вдоль размаха крыла. Кроме того, форма в плане описывается криволинейными передней и задней кромками. Следует отметить, что такая поверхность позволяет существенно повысить аэродинамические характеристики крыла. Примером такого крыла является, например, крыло сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144.

Для получения дополнительного выигрыша в аэродинамических характеристиках (интерференция) фюзеляжа и крыла, а также бол ее полного использования компонуемого объема в последние годы получило широкое распространение объединение поверхности фюзеляжа и крыла в гладкую единую поверхность с обеспечением их плавного сопряжения. Такая компоновка крыла и фюзеляжа получила название интегральной. Это решение реализовано при проектировании американского самолета В1-А.

8.2Основные геометрические характеристики крыла

Геометрические характеристики крыла в основном можно определить по его форме в плане. Вообще говоря, хорда крыла определяется как условная линия, соединяющая точки передней и задней кромок крыла, полученные в результате их пересечения плоскостью, параллельной плоскости симметрии самолета.

Хорда, взятая в произвольном по размаху месте крыла, называется местной, ее длина равна:

, (8.1)

где , - координаты передней кромки крыла; , - координаты задней кромки крыла.

Хорда, определяемая при z = 0 в системе координат самолета, называется центральной (корневой) • Бортовая хорда — это хорда крыла в пересечении его с поверхностью фюзеляжа. В частном случае, например, треугольного в плане крыла концевая хорда вырождается в ноль.

При расчете аэродинамических характеристик крыла чаще пользуются геометрическими параметрами его проекции на базовую или строительную плоскости.

Базовая плоскость крыла (БПК) — это плоскость, перпендикулярная плоскости симметрии самолета и проходящая через корневую хорду крыла.

Строительной плоскостью крыла (СПК) называют плоскость, проходящую через хорду одного из сечений крыла (чаще всего корневого или бортового) и точку, лежащую на хорде концевого сечения. Тогда при прямолинейности задней кромки крыла СПК будет определяться двумя пересекающимися линиями — корневой хордой и задней кромкой крыла.

При нулевом значении угла поперечного V крыла базовая и строительная плоскости совпадают. Поэтому будем считать, что крыло в плане ограничено проекциями линий передней и задней кромок на СПК, корневой и концевой .хордами. Площадь, ограниченную этими линиями, будем называть проекционной площадью крыла.

Местный угол стреловидности передней кромки крыла - угол между касательной к линии передней кромки в заданной точке и плоскостью, перпендикулярной к корневой хорде крыла. Аналогично определяется угол стреловидности задней кромки и линии четверти хорды крыла.

Удлинение крыла определяется как отношение квадрата полного размаха к его площади :

. (8.2)

Другой важной характеристикой формы крыла в плане является сужение, которое определяется как отношение корневой хорды и концевой:

(8.3)

В ряде случаев из конструктивных соображений или по аэродинамическим требованиям законцовку трапециевидного крыла обрезают. В этом случае для определения сужения крыла исходную форму в плане заменяют фиктивным трапециевидным крылом равной площади с совпадающими передней и задней кромками. Концевая хорда такого крыла определяется из условия равенства площадей по формуле:

, (8.3)

а сужение крыла определяется так:

. (8.4)

При этом следует отметить, что полученное фиктивное крыло нельзя использовать для расчета таких характеристик, как удлинение и средняя аэродинамическая хорда.

Средняя аэродинамическая хорда (САХ) определяется как хорда прямоугольного крыла, равного по размаху и площади исходному. САХ является одним из важнейших геометрических параметров несущей поверхности, используемых при расчетах аэродинамических и динамических характеристик, и рассчитывается на основании приведенного выше определения так:

. (8.5)

Формулой (8.5) пользуются для определения САХ сложного по форме в плане крыла. Однако в большинстве случаев форму крыла в плане можно привести к одной или нескольким трапециям. В этом случае САХ рассчитывается по известным геометрическим формулам:

площадь крыла

; (8.6)

положение САХ по размаху

; (8.7)

длина САХ

; (8.8)

положение носка САХ относительно начала координат крыла

. (8.9)

Если воспользоваться такими характеристиками крыла, как сужение и удлинение, то формулы (8.7) и (8.8) принимают вид

; (8.10)

. (8.11)

Для крыла, составленного из двух трапеций, САХ и ее положение определяются по формулам:

; (8.12)

; (8.13)

. (8.14)

Здесь индексом "1" обозначены параметры внутренней, а индексом "2" - внешней секции крыла.

Для многосекционного крыла, состоящего из n трапеций, длина САХ определяется по формуле:

. (8.15)

Приведенные выше зависимости для определения геометрических характеристик крыла справедливы и для других несущих поверхностей, таких, как вертикальное и горизонтальное оперение, с той лишь разницей, что вместо корневой хорды в них используется бортовая хорда и размах определяется как сумма длин консолей , т.е.

. (8.16)

8.3Геометрические характеристики аэродинамического профиля

Аэродинамический профиль является основой построения поверхности крыла и определяет основные его характеристики. В общем случае профилем крыла следует считать плоский замкнутый контур, полученный в результате пересечения поверхности крыла плоскостью, перпендикулярной строительной плоскости крыла и пересекающей переднюю и заднюю кромки крыла.

Задачу об обтекании крыла потоком теоретическая аэродинамика разделяет на две: задачу об обтекании прямоугольного недеформированного крыла заданной толщины и задачу об обтекании деформированной пластины нулевой толщины. При решении задачи обтекания поверхность крыла и аэродинамический профиль считают симметричными относительно строительной плоскости с наложенными на них деформациями искривления и сдвигом срединной поверхности, т.е. ординаты точек поверхности определяются в виде:

(8.17)

где - ордината верхней поверхности крыла; - ордината нижней поверхности крыла; - положительная ордината симметричной поверхности крыла; - ордината деформированной срединной поверхности.

Одной из основных характеристик профиля крыла является его хорда, которая определяется как расстояние между крайними его точками, являющимися точками вертикальных касательных.

В местной системе координат, начало которой лежит в носке профиля, а ось x направлена вдоль его хорды, ординаты профиля можно представить в виде:

(8.18)

где - ордината верхнего контура профиля; - ордината нижнего контура профиля; - положительная ордината симметричной части профиля; - ордината средней линии профиля.

Преобразуя (8.18), получаем:

; (8.19)

. (8.20)

Для удобства сравнения профилей различных форм и размеров были введены безразмерные, или относительные, координаты:

(8.21)

где b – хорда аэродинамического профиля.

Основными геометрическими характеристиками аэродинамического профиля являются: максимальная относительная толщина симметричной части профиля и ее положение на единичной хорде , максимальная кривизна и ее положение .

В практике проектирования несущих поверхностей широко применяется пересчет координат исходного профиля на заданную относительную толщину и кривизну по формулам:

(8.22)

где индексом «3» отмечены параметры и координаты искомого профиля, а индексом «и» - исходного профиля.

Важной характеристикой формы профиля является также относительный радиус скругления носовой части профиля , представляющий собой значение радиуса кривизны контура в точке .

В полете под действием аэродинамических сил происходит деформация крыла: изгиб вдоль размаха и закрутка сечений относительно продольной оси крыла. В результате закрутки сечений происходит увеличение местного угла атаки профиля, причем это увеличение нарастает к концам крыла. На больших углах атаки полета самолета в концевых частях крыла возникает срыв потока и уменьшение подъемной силы.

Под геометрической деформацией крыла понимается закрутка (поворот) каждого текущего сечения крыла на угол относительно принятой оси и отгиб носовой части профиля на угол . Относительную величину носовой части профиля, на которую распространяется деформация отгиба, обозначим .

Излом по обводу профиля, особенно в носовой части, недопустим. Поэтому в точке необходимо обеспечить как минимум первый порядок гладкости стыковки. В этом случае при заданном в сечении z угле отгиба деформация будет определяться формулой:

. (8.23)

Если же необходимо обеспечить второй порядок гладкости в точке , т.е. , то формула для определении деформации при отгибе принимает вид:

. (8.24)

За ось крутки сечений крыла обычно принимается задняя кромка. В этом случае деформация крутки рассчитывается по формуле:

, (8.25)

где - ордината несимметричного профиля без крутки.

В ряде случаев для упрощения расчетов ввиду малости углов поворот сечения относительно оси крутки заменяют деформацией аффинного сдвига и величину деформации крутки рассчитывают по формуле:

, (8.26)

Из технологических соображений удобнее бывает задавать положение передней кромки закрученного крыла . В этом случае формула (8.26) преобразуется к виду:

. (8.27)

Аэродинамический профиль является исходной информацией при проектировании крыла летательного аппарата, и требование выдерживания его формы в процессе конструирования и изготовления крыла выдвигается на первый план по сравнению с требованиями компоновки, технологичности и т.д. Поэтому вопросам описания обводов типа аэродинамический профиль посвящены многие исследования по проектированию и расчету поверхностей в самолетостроении.

В зависимости от назначения профиля предъявляются соответствующие требования к его форме и геометрическим характеристикам.

Дозвуковые профили характеризуются утолщенной носовой частью, смещением максимальной толщины профиля вперед и плавными сходами к хвостовой части (рис. 2.1, а).
Околозвуковые профили отличаются несколько более заостренной носовой частью, смещением максимальной толщины в более заднее положение и более плавными формами в районе максимальной толщины (рис. 2.1,6).
Появившиеся в последние годы трансзвуковые, или суперкритические, профили характеризуются уплощенной верхней линией профиля и значительным искривлением хвостовой части (рис. 2.1, в).
Сверхзвуковые профили обычно представляют собой обводы с заостренными носовой и хвостовой частями (рис. 2.1, г).
Гиперзвуковые профили отличаются заостренной носовой частью и резко затупленной хвостовой частью, а также значительным смещением максимальной толщины назад (рис. 2.1, д).

При этом следует отметить, что приведенная классификация профилей достаточно условна. Выбор формы профиля диктуется конкретными задачами.

По методам описания обводов аэродинамические профили делятся на две группы:

профили, обводы которых имеют аналитическое описание;
профили, обводы которых заданы дискретным массивом координат.

Обводы профилей первой группы могут быть получены по заданным аэродинамическим характеристикам в результате решения задачи обтекания кругового цилиндра с использованием конформного отображения (профили Жуковского, Кармана-Трефтца, Мизеса, Карафоли). При этом уравнения контура профиля достаточно сложны. Поэтому были предложены способы описания обводов типа аэродинамический профиль гладкими функциями простого вида (степенными, строфоидами и т.п.) с последующим определением их аэродинамических характеристик экспериментальным путем. Аэродинамические профили этой группы получили распространение в 30-40-х гг. В последующие годы более широкое распространение получили профили, обводы которых получены путем численного решения дифференциальных уравнений обтекания с последующей экспериментальной доводкой на основании исследований в аэродинамических трубах с целью получения заданных характеристик.

Информация об обводах профилей второй группы обычно представляется в виде таблицы значений координат точек, принадлежащих контуру.

Поэтому одной из задач проектирования поверхности крыла является задача описания обвода, заданного дискретным точечным рядом.

Прежде чем приступить к выбору функции, аппроксимирующей заданный аэродинамический профиль, оговорим требования, которым должна отвечать эта функция.

Эти требования определяются, с одной стороны, условиями работы проектируемого аппарата, т.е. необходимостью обеспечения безотрывного обтекания крыла потоком, особенно в носовой его части. С другой стороны, математический аппарат описания обвода должен создавать максимальные удобства проектировщику при работе с ним, представляя собой неотъемлемую часть автоматизированной системы проектирования поверхности. Таким образом, аппроксимирующая функция должна удовлетворять следующим основным требованиям:

быть непрерывной и обеспечивать гладкость обвода не ниже второго порядка;
обеспечивать по возможности описание наибольшего количества типов профилей;
обеспечивать гладкую аппроксимацию профиля без предварительного графического сглаживания исходных данных;
обладать минимальным, но достаточным числом параметров, варьируемых для управления формой профиля.

В настоящее время при проектировании плоских контуров типа аэродинамический профиль применяется целый ряд математических зависимостей, таких как полиномиальные функции, кривые второго порядка, степенные уравнения, уравнения специальных контуров, сплайн-функции.

8.4Проектирование поверхности линейчатого крыла

При проектировании несущих поверхностей наиболее широкое применение получили линейчатые поверхности, что обусловлено простотой алгоритма их построения и высокой степенью технологичности. И если в общем случае линейчатая поверхность не является разворачиваемой, как, например, гиперболоид вращения, то для поверхностей крыльев можно получить развертку с достаточно высокой степенью точности. Это важно при изготовлении обшивки крыла, особенно на участках кессона, где ее толщина велика и, следовательно, в качестве технологического процесса изготовления может быть использована только гибка в случае изготовления из металлов.

Особенно широкое распространение линейчатые поверхности получили также в силу простоты их увязки и построения графическим способом. Однако в последние годы из-за повышения требований к технологии подготовки производства и к точности изготовления оснастки и деталей несущих поверхностей, а также в силу необходимости автоматизации конструкторских работ все большее распространение получают математические методы описания линейчатых поверхностей. При этом применяются алгоритмы проектирования поверхностей на основе как традиционного точечного задания профилей, так и аналитического описания профилей и поверхностей.

Рассмотрим алгоритм расчета линейчатого крыла, направляющие которого заданы аналитически в явном виде как функции от двух переменных:

; (8.28)

Пусть задана точка А на плановой проекции крыла с координатами , . Необходимо определить третью координату этой точки . Рассмотрим каждый этап этого алгоритма. На первом этапе по задан ной координате определяем значения координат передней и задней кромок, которые заданы как функции одной переменной,

; (8.29)

. (8.30)

Используя эти величины, можно легко определить длину текущей хорды, координаты x точки в местной системе координат с началом на передней кромке крыла, а также значение относительной координаты x точки по следующим формулам:

; (8.31)

; (8.32)

. (8.33)

На следующем этапе определяем координаты точек первого и второго теоретических сечений с равнопроцентными координатами x:

. (8.34)

Умножая каждую относительную координату на величину хорды, получаем абсолютные значения координат х в местной системе координат. Находим координаты у точек на первом и втором теоретических сечениях:

; (8.35)

; (8.36)

; (8.37)

. (8.38)

Для перехода в систему координат агрегата прибавим к и значения соответствующих координат передней кромки:

; (8.39)

. (8.40)

Таким образом, нам известны координаты х двух точек образующей линейчатого крыла, которая проходит через точку А.

Для определения неизвестной координаты у точки А необходимо подставить известные ее координаты в уравнение проекции образующей:

, (8.41)

откуда:

, (8.42)

или:

. (8.43)

При расчете сечений поверхности линейчатого крыла формулы (8.42) и (8.43) можно использовать при взаимной перпендикулярности плоскости сечения и плоскости хорд крыла. Если эти плоскости не перпендикулярны, то неизвестные координаты точки А определяются из решения системы линейных уравнений:

(8.44)

где , и - некоторые постоянные коэффициенты.

Для решения этой системы можно использовать известный метод Крамера. Рассмотренный алгоритм определения координат произвольной точки можно использовать и для расчета сечений линейчатого крыла по заданной стреле прогиба, т.к. при аналитическом задании профилей можно определить произвольную точку на поверхности.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Развитие автоматизации технологической подготовки производства и ее современное состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Обзор САПР и их краткое описание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

Описание конструкции крыла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Плазово-шаблонный метод производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Автоматизированное проектирование деталей крыла . . . . . . . .20

Анализ конструкции крыла и используемых материалов, необходимый для производства шаблонов и оснастки . . . . . .21
Проектирование деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Трехмерная увязка конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Изготовление шаблонов и оснастки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Изготовление шаблонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Производство оснастки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Изготовление деталей крыла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Изготовление деталей из композиционных материалов . . . . .57
Изготовление механообрабатываемых деталей . . . . . . . . . . . .60
Изготовление листовых деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

Подружин

Степанов

РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ

Составление математической модели теоретических обводов крыла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Классификация несущих поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Основные геометрические характеристики крыла . . . . . . . . . 65
Геометрические характеристики аэродинамического профиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Проектирование поверхности линейчатого крыла . . . . . . . . . 76

РАЗДЕЛ ОХРАНЫ ТРУДА

Техника безопасности на участке механообработки . . . . . . . . . . 80

Требования безопасности, предъявляемые к оборудованию .82
Опасные зоны оборудования и средства их защиты . . . . . . . .84
Охрана труда в автоматизированных производствах . . . . . . .87

Защита от поражения током электрооборудования . . . . . . . . . . 89

Охрана труда в автоматизированных производствах . . . . . . .89
Защитное заземление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Зануление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

ЛИТЕРАТУРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………5

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОДФЮЗЕЛЯЖНОГО

КИЛЯ……………………………….……………………………………12

2. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В КОНСТРУКЦИИ УЗЛА………………………………………………14

2.1. Материалы для изготовления сот…………………………………......17

3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ

В СИСТЕМЕ UNIGRAPHICS…………………………………………...18

3.1. Построение модели в Unigraphics………………………………….....20

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАБЛОНОВ………………………………………..25

4.1. Плазово-шаблонный метод производства……………………………25

4.2. Номенклатура шаблонов..……………………………………………..28

4.3. Этапы работ плазовой группы при изготовлении шаблонов……….32

4.4. Технологический процесс изготовления шаблонов………………....34

5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ…………….37

5.1. Технология изготовления болванок…………………………………..37

5.2. Технология изготовления формблоков……………………………….39

5.3. Создание управляющих программ для обработки оснастки………..46

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ТРЁХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ С СОТОВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ……50

6.1. Изготовление сотового заполнителя………………………………….50

6.2. Сборка панелей с сотовым заполнителем……………………………53

6.3. Соединение сотовых панелей между собой

и с элементами каркаса………………………………………………..55

7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПОДФЮЗЕЛЯЖНОГО КИЛЯ……….56

Подружин

Степанов

7.1. Изготовление механообрабатываемых деталей……………………...56

7.2. Изготовление листовых деталей……………………………………...58

7.3. Изготовление деталей из полимерных

композиционных материалов………………………………………....60

8. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ…………………………………………...64

8.1. Особенности поведения композиционных материалов

при обработке резанием……………………………………………….64

8.2. Основные виды механической обработки полимерных

композиционных материалов…………………………………………65

9. МЕРОПРИЯТИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

В ПЛАЗОВО-ШАБЛОННОМ ЦЕХЕ…………………………………...68

9.1. Основные понятия и составные части охраны труда………………..68

9.2. Опасные зоны оборудования и средства защиты……………………71

9.3. Техника безопасности в слесарном отделении………………………74

9.4. Техника безопасности в отделении объёмной оснастки…………….76

9.5. Системы вентиляции…………………………………………………..78

10. СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ………………...81

ПОВЕРХНОСТИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…..………...………………………….……………………87

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙЛИТЕРАТУРЫ………………………...88

ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………..

производит исходную и имеет необходимое качество, она принимается в работу.

Рис. 10.1. Математическая модель поверхности подфюзеляжного киля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) С.С. Леньков, С.Т. Орлов, Шаблоны и объёмная оснастка в самолётостроении, Оборонгиз, 1963.

2) Е.Я. Юдин, С.В. Белов и др., Охрана труда в машиностроении, Москва, Машиностроение, 1983.

3) Справочник по проектированию отопления и вентиляции, Госстройиздат, 1953.

4) Справочные данные для отопления и вентиляции, серия Л-001, раздел 5, Данные по расчёту воздуховодов, 1957.

5) Справочные данные для отопления и вентиляции, серия Л-001, раздел 6, Вентиляторы, 1956.

6) Справочные данные для отопления и вентиляции, серия Л-001, раздел 14, Элементы вентиляционных систем, 1957.

7) Справочные данные для отопления и вентиляции, серия Л-007, Мероприятия по уменьшению шума в вентиляционных установках, 1955.

8) С.А. Рысин, Вентиляционные установки машиностроительных заводов, Справочник, Машгиз, Москва, 1961.

9 ) Давыдов Ю.В., Злыгарев В.А. Геометрия крыла: Методы и алгоритмы проектирования несущих поверхностей. – М.: Машиностроение, 1987. – 136с.: ил.

10) Гилой В. Интерактивная машинная графика/ Пер. с англ. М.: Мир.1981. 380с.

11) Зозулевич Д.М. Машинная графика в автоматизированном проектировании. М.: Машиностроение. 1976. 240с.

12) Инструкция по использованию графической системы CAD/CAM Cimatron it. Bee Pitron Ltd, Санкт-Петербург, 1994г.