Введение

Совершенствование материалов и технологий их переработки способствует эволюции авиационной техники [1]. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) благодаря комплексу уникальных свойств, основные из которых – оптимальные удельная прочность и жесткость, а также возможности изготовления интегральных конструкций постепенно вытесняют металлы из конструкции летательных аппаратов [2]. Широкое развитие современных методов автоматизированного проектирования позволяет создавать необходимое точноразмерное оснащение и, соответственно, высоконагруженные детали из ПКМ со сложным криволинейным аэродинамическим контуром, которые ранее получали только из металлов.

При изготовлении деталей и агрегатов из ПКМ одной из основных задач является разработка такой технологии формования ПКМ, которая обеспечивала бы получение конструкций с заданными габаритами, формой, толщиной и необходимыми физико-механическими характеристиками. Главное преимущество использования ПКМ заключается в том, что путем подбора соответствующих элементов и структуры армирования матрицы можно создавать конструкции с оптимальными свойствами при минимальной массе и температурной деформации. Технологичность производства при этом, как правило, повышается за счет того, что изделие обычно изготавливается с высокой точностью, без припусков, сокращается количество операций и число сборочных единиц, крепежных деталей. Следует стремиться к тому, чтобы допуски на размеры и отклонения от них соответствовали технологическим возможностям используемых методов формования без дополнительного их уточнения с помощью механической обработки, которая существенно снижает эксплуатационные характеристики изделий. С технологической точки зрения предпочтение следует отдавать процессам, обеспечивающим окончательное формование всех поверхностей изделия за одну операцию. Такой подход позволяет достичь максимальной точности взаимного расположения базовых поверхностей и их конфигурации [3].

Часто требуется изготовить детали из ПКМ сложной криволинейной, иногда даже замкнутой формы, которые невозможно получить традиционными способами на выклеечной оснастке, так как отсутствует свободный доступ к формообразующей поверхности оснастки для выкладки препрега и изготовления вакуумного мешка. Получение таких деталей методом контактного формования без точного соблюдения расчетных схем армирования многослойной конструкции с разными видами наполнителей и применения технологии вакуум-автоклавного формования не всегда оправдано. Связано это с тем, что при изготовлении авиационных конструкций, как правило, необходимо выполнить требования технических условий, предъявляемые к качеству внешней поверхности, соответствию аэродинамическому контуру, максимальной прочности, минимальной массе и пористости. В таких случаях оправдано применение метода так называемого многофрагментного формования, который заключается в том, что любой сложный контур можно разделить на любое число отдельных фрагментов более простой формы. Рассчитанное количество слоев препрега разделяют на пакеты, которые выкладывают и уплотняют по отдельности, затем объединяют и окончательно отверждают [4]. Такая технология позволяет минимизировать габариты и массу конструкции при обеспечении заданных тактико-технических характеристик и высокой надежности в сложных условиях эксплуатации [5]. Основное преимущество данной технологии в том, что отдельные фрагменты можно сравнительно просто выполнить и максимально уплотнить для достижения оптимальных характеристик будущей детали с помощью любого числа промежуточных подформовок под вакуумным или автоклавным давлением. Перед окончательной термообработкой с помощью вакуум-автоклавного формования или термокомпрессии фрагменты соединяют через равнопрочное «косое» соединение [6], после чего оснастка легко разбирается и извлекается отформованная целая деталь из ПКМ.

Цель данной работы – изучение возможности изготовления деталей пылезащитного устройства (ПЗУ) газотурбинного двигателя вертолета методом многофрагментного формования.

Материалы и методы

Пылезащитное устройство газотурбинного двигателя вертолета относится к так называемому лямбда-образному типу. В таких ПЗУ воздух очищается за счет взаимодействия входящего потока с поверхностями деталей, имеющих специальную аэродинамическую форму, которая обеспечивает отделение частиц пыли с помощью силы инерции. Общий вид деталей ПЗУ показан на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид деталей пылезащитного устройства (ПЗУ): 1 – половина внешней стенки; 2 – внутренняя стенка; 3 – разделитель; 4 – верхняя часть «улитки»; 5 – нижняя часть «улитки»

Кратко принцип работы лямбда-образного ПЗУ можно описать следующим образом. Поток неочищенного воздуха, движущийся с большой скоростью, при входе резко меняет направление в криволинейном канале между внешней и внутренней стенками и разделяется посредством разделителя на два потока:

– верхний (с частицами пыли, которые сохраняют направление, так как они тяжелее воздуха) – попадает в специальное устройство – «улитку», и удаляется в атмосферу;

– нижний (с очищенным воздухом) – направляется в компрессор двигателя вертолета.

«Улитка» представляет собой короб в виде кольца с переменным сечением. В узкую часть «улитки» входит воздух с частицами пыли, который расширяется и выбрасывается в атмосферу через широкую часть «улитки». Короб «улитки» состоит из двух практически одинаковых, зеркально симметричных частей, скрепленных между собой фланцевым соединением.

Общий вид ПЗУ в собранном виде (без «улитки») показан на рис. 2, а, внутренняя компоновка – на рис. 2, б.

Рис. 2. Общий вид (а) и внутренняя компоновка (б) пылезащитного устройства

(без «улитки»): 1 – внешняя стенка; 2 – разделитель; 3 – внутренняя стенка

Элементы ПЗУ представляют собой детали, имеющие сложные криволинейные геометрические поверхности. Детали должны соответствовать техническим условиям, заложенным в конструкторской документации, а также иметь противоэрозионную защиту от твердых частиц пыли, присутствующих в атмосферном воздухе. Кроме того, необходимо обеспечить возможность разборки, очистки и сборки конструкции в условиях эксплуатации.

На качество деталей влияет ряд факторов, в первую очередь ‒ используемый материал. Всем условиям наиболее полно удовлетворяют современные ПКМ. Оптимальным сочетанием минимальной массы и максимальных прочностных характеристик обладают ПКМ на основе полициануратных или эпоксидных связующих с наполнителем из углеродных волокон. Для предотвращения абразивного воздействия твердых частиц пыли, движущихся с большой скоростью, предусмотрено размещение на наружном теоретическом контуре деталей ПЗУ плакирующего слоя из органопластика на основе арамидной ткани [7]. Как правило, при изготовлении такого вида деталей используют препреги, которые представляют собой полимерно-волокнистую композиционную среду, находящуюся в неотвержденном состоянии [8].

На качество деталей из ПКМ также влияют способ формования и технологическая формообразующая оснастка. В соответствии с принципом многофрагментного формования детали ПЗУ разделили на отдельные фрагменты, которые выкладывали на отдельных взаимоувязанных частях оснастки. Данные фрагменты выкладывали из раскроенного на технологические карты препрега. В процессе выкладки в заготовку детали определенного количества слоев препрега необходимо проводить промежуточные подформовки при повышенной температуре, не достигающей температуры полимеризации связующего, с приложением избыточного давления. Количество подформовок зависит от толщины стенок детали. После завершения выкладки отдельные части оснастки соединяли между собой. При этом фрагменты заготовок детали также соединяли с перехлестом слоев препрега, образуя «косое» соединение. Для равнопрочности «косого» соединения величина ступеньки между соседними слоями, образующими клиновой скос, должна превышать номинальную толщину слоя в 15–20 раз. Расчет и параметры такого соединения рассмотрены в работе [6]. Кроме того, такое соединение является поверхностью раздела и может стать тормозом на пути развития трещины [9]. По мере увеличения длины клеевого шва его прочность на растяжение и сдвиг увеличиваются [10]. Как правило, выкладка выполняется встык или внахлест до 5 мм [11]. В соответствии с расчетами прочности каждой конкретной детали возможно усиление стыка определенным количеством дополнительных слоев.

Технологию изготовления препрега с использованием растворных связующих при пропитке армирующих наполнителей широко применяли ранее и часто применяют в настоящее время. Необходимо учитывать, что при такой технологии возрастает пористость готовых деталей из ПКМ, что отрицательно сказывается на их прочности и ресурсе. Наиболее перспективным способом решения проблемы является применение при изготовлении препрегов высоковязких расплавных связующих, не содержащих летучих растворителей. Кроме того, такая технология позволяет снизить материалоемкость производства не менее чем на 15 % по сравнению с традиционными технологиями за счет отказа от растворителей и связанных с ними затрат на противопожарное оборудование взрывоопасных помещений и на усиленную вентиляцию [12]. Применение расплавных связующих также позволяет улучшить физико-механические характеристики готовых деталей, упростить технологию и сократить продолжительность их изготовления за счет уменьшения числа технологических операций [13]. Процесс приготовления расплавных связующих менее длительный, чем растворных, поскольку исключаются длительное равномерное растворение необходимого количества смол и других компонентов, а также такие операции, как получение со склада и анализ растворителей, доведение их до нужной концентрации. Кроме того, сокращается продолжительность сушки препрега до закрытия его защитными пленками. Однако расплавные полимерные связующие имеют высокую вязкость и тривиальные способы изготовления препрега окунанием наполнителя в ванну со связующим с последующим отжимом между валами для них невозможны. В этой связи для обеспечения стабильного смачивания волокон наполнителя расплавными связующими единый технологический процесс пропитки разделяют на два отдельных взаимозависимых процесса:

– изготовление пленки связующего;

– совмещение полученной пленки со жгутовым или тканевым наполнителем.

Процессы могут идти непрерывно (онлайн) и раздельно (офлайн) в зависимости от применяемого оборудования. В обоих случаях сначала на специальном устройстве (коутере) горячее жидкое расплавное связующее с помощью калиброванных полированных обогреваемых валов наносится в виде тонкой пленки на бумагу, обработанную антиадгезионным составом. Пленка должна иметь определенную расчетную поверхностную плотность связующего, которая зависит от требуемой по техническим условиям поверхностной плотности изготавливаемого препрега. Затем в онлайн-процессе пленка сразу же накатывается с двух сторон на движущуюся ленту жгутового или тканого наполнителя и «впрессовывается» в нее с помощью давления горячих валов (каландров). Офлайн-процесс отличается тем, что препрег получают не сразу, а через какое-то время и на другой машине путем совмещения пленки связующего и наполнителя. Таким образом в обоих случаях получают так называемые прецизионные препреги, в которых массовая доля связующего и поверхностная плотность имеют небольшой разброс значений ‒ в пределах ±2 % [14], что необходимо для достижения заданной стабильной толщины по всей площади деталей из ПКМ, входящих в ПЗУ.

Сложная криволинейная форма деталей ПЗУ не позволяет осуществлять прямой и достоверный контроль механических свойств методами испытаний конструктивно-подобных образцов, которые можно вырезать из технологического припуска детали. Например, из технологического припуска таких деталей, как пояса лонжеронов, нервюры, панели пола или крыла, можно вырезать образцы для реальной оценки механических свойств. Поэтому при изготовлении криволинейных деталей ПЗУ большое значение приобретает точное соответствие параметров исходных препрегов требованиям технических условий.

В качестве наполнителя для изготовления препрега преимущественно используют ткани или ровинг из углеродных волокон. Это выгодно с точки зрения упруго-прочностных показателей деталей ПЗУ, массу которых определяют в основном исходя из требований жесткости, а не прочности [15]. Поэтому для наружного плакирующего слоя применяли препрег органопластика с наполнителем из арамидной ткани [7].

Соответствие препрега требованиям технических условий закладывается при изготовлении пленки связующего на коутере и зависит от поверхностной плотности наполнителя. Главная задача этого технологического процесса – достижение максимального соответствия значений поверхностной плотности получаемой пленки связующего расчетным значениям.

Поверхностную плотность пленки связующего П (г/дм²) рассчитывают по формуле

                                                     (1)

где H – поверхностная плотность наполнителя в препреге, определяемая при входном контроле или по паспортным данным, г/м²; S – массовая доля связующего в препреге согласно техническим условиям, %.

Если в технических условиях указано значение необходимой поверхностной плотности препрега Р_н (г/м²), то можно рассчитать ожидаемую поверхностную плотность препрега по формуле

                                                          (2)

Полученные граничные значения Р сравнивают с граничными значениями Р_н. Если минимальное граничное значение Р меньше минимального граничного значения Р_н , а максимальное граничное значение Р больше максимального граничного значения Р_н, то вычисляют окончательное значение поверхностной плотности пленки связующего по формуле (1), в противном случае – по формуле

                                                          (3)

где S₁ – массовая доля связующего в препреге, %, рассчитанная по формуле:

                                                            (4)

Для наглядного представления о диапазоне, в котором должны находиться значения поверхностной плотности пленки связующего, на рис. 3 показан график, полученный по результатам расчетов по формулам (1)–(4). При неизменных заданных в технических условиях значениях массовой доли связующего в препреге и поверхностной плотности препрега диапазон допустимых значений поверхностной плотности пленки связующего сужается при повышении поверхностной плотности наполнителя. В онлайн- и офлайн-процессах для достижения максимального соответствия получаемых и рассчитанных значений поверхностной плотности пленки связующего опытным путем подбираются технологические параметры режимов:

– оптимальная скорость протяжки;

– порядок вращения наносящих валов (прямой или обратный);

– коэффициенты торможения валов при одновременном их вращении;

– температуры наносящих валов и узла предварительного нагрева связующего в зависимости от оптимальной вязкости связующего;

– зазоры с левой и правой сторон наносящих валов.

При совмещении пленок связующего и наполнителя важно избегать появления складок, непропитанных мест на наполнителе и выдавливания связующего по краям наполнителя.

Рис. 3. Расчетный график зависимости диапазона поверхностной плотности пленки связующего от поверхностной плотности наполнителя

Для того чтобы обеспечить гладкую рабочую поверхность деталей ПЗУ и их полное соответствие расчетному теоретическому контуру, оснастка для формования должна изготавливаться из материала, позволяющего создать прочную, износостойкую и качественную рабочую поверхность и имеющего коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), максимально близкий к КЛТР материала изготавливаемой детали. С этой точки зрения идеальным материалом для оснастки может быть углепластик с наполнителем, аналогичным наполнителю, применяемому в деталях ПЗУ, но в комплексе с высокотемпературным связующим с температурой стеклования не менее 190 °С. Но в таком случае необходимо изготавливать дорогие и сложные по форме мастер-модели из импортного высокотемпературного модельного пластика с тщательной и длительной финишной механической обработкой теоретических контуров. С учетом того, что детали ПЗУ имеют небольшие габаритные размеры (порядка 0,5–0,8 м) и сложную криволинейную форму, в данной работе в качестве компромиссного варианта сборные оснастки изготавливали из обычной малоуглеродистой стали. Хотя КЛТР стали в ~2,5 раза превышает КЛТР углепластика, возможные отклонения изготовленных деталей от теоретического контура не превысят допусков, предусмотренных конструкторской документацией. Преимущества применения стали в конструкции оснастки: легкая обработка, возможность шлифовки и полировки, стойкость к механическим повреждениям, практически неограниченное количество съемов, точная сборка без люфтов и перекосов.

Составные части оснастки должны быть тщательно подогнаны друг к другу, без зазоров и ступенек. Соединения частей оснастки должны выполняться с помощью прочного металлического крепежа быстро и надежно, а также легко отделяться при разборке. Толщина стенок и элементов оснастки должна обеспечивать жесткость всей конструкции и сохранение аэродинамического теоретического контура деталей во время формования при высокой температуре полимеризации связующего – в диапазоне температур от 150 до 180 °С. Для возможности сборки и разборки ПЗУ, внешняя стенка должна быть выполнена в виде двух зеркально симметричных половин.

Работа проведена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Примерные схемы изготовления наиболее сложных деталей ПЗУ методом многофрагментного формования показаны на рис. 4, 6 и 8. Вся собранная оснастка с выкладкой должна располагаться целиком в вакуумном мешке (рис. 4 и 5), так как только в этом случае можно достичь необходимой герметичности при использовании разборных оснасток. Окончательную термообработку предпочтительно проводить по вакуум-автоклавной технологии под избыточным давлением, позволяющей максимально равномерно уплотнить пакет препрега и удалить воздух, который мог попасть в зоны стыковки фрагментов выкладки при сборке. В случае незначительных радиусных размеров мест перегибов детали и их сложной формы возможно применение окончательного термокомпрессионного формования с помощью предварительно изготовленного эластичного резинового вкладыша, как показано на схеме изготовления разделителя (рис. 8). При этом способе нагрев проводится в термопечи без вакуума, а необходимое давление создается при совместном тепловом расширении оснастки и резинового вкладыша. С учетом того, что оснастка должна быть массивной для обеспечения ее жесткости при термообработке, продолжительность формования целесообразно увеличивать, а скорость нагрева и охлаждения уменьшать примерно на ~(20–30) % по сравнению с режимом отверждения применяемого препрега, отработанного на стандартных образцах. Для косвенного контроля механических свойств необходимо предусмотреть изготовление образцов-свидетелей на отдельной плоской оснастке, отверждение которых должно проходить одновременно с формованием детали. Конструкция образцов-свидетелей и параметры их испытаний должны соответствовать техническим условиям в конструкторской документации.

Внешний вид изготовленных по данным схемам деталей показан на рис. 5, 7 и 9.

Рис. 4. Схема изготовления внутренней стенки: 1 –внутренняя стенка; 2, 3 – части технологической оснастки; 4, 5 – слои препрега; 6 – вакуумный мешок; 7 – «косое» соединение фрагментов выкладки

Рис. 5. Внешний вид внутренней стенки замкнутой пустотелой формы

Рис. 6. Схема изготовления половины внешней стенки: 1 – половина внешней стенки;
2, 3 – части технологической оснастки; 4, 5 – слои препрега; 6 – вакуумный мешок; 7 – «косое» соединение фрагментов выкладки

Рис. 7. Внешний вид половины внешней стенки

Рис. 8. Схема изготовления разделителя: 1 – разделитель; 2–4 – части технологической оснастки; 5, 6 – слои препрега; 7 – вкладыш из термостойкой резины; 8 – «косое» соединение фрагментов выкладки

Детали частей «улитки» ПЗУ, изготовленные формованием из препрегов углепластика и органопластика и отвечающие всем необходимым требованиям, показаны на рис. 10.

Заключения

Отработанная технология многофрагментного формования позволяет изготавливать высоконагруженные криволинейные детали сложной формы из ПКМ, отвечающие всем предъявляемым конструкторской документацией требованиям. Детали выполнены из углепластиков с необходимыми характеристиками жесткости и температурной размерной стабильности при сохранении высоких показателей прочности, что по условиям эксплуатации обеспечивает неизменность геометрических размеров при больших знакопеременных силовых и температурных нагрузках [16]. Изготовленные детали прошли все предусмотренные испытания, в том числе и на оборудовании ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, при которых подтверждено их соответствие требованиям технического задания и конструкторской документации. Детали использованы для сборки ПЗУ, показавшего высокую эффективность в работе. По результатам выполненных исследований разработана официальная нормативная технологическая документация в соответствии с государственными стандартами.