Введение

Одной из основных тенденций развития перспективных летательных аппаратов является применение современных материалов и разработанных технологий получения фасонных отливок из алюминиевых сплавов [1–8].

В настоящее время в России наблюдается увеличение объемов применения литейных алюминиевых сплавов в различных изделиях авиационной отрасли, что напрямую связано с соответствующей тенденцией в мировой практике. К отливкам предъявляются повышенные требования по точности геометрических размеров, чистоте поверхности, пористости и коррозионной стойкости. Бо́льшая часть изделий из литейных алюминиевых сплавов производится литьем в песчаные формы, что дешевле с точки зрения производителей-литейщиков, но требует практически 100%-ной механической обработки. Кроме того, высокопрочные литейные алюминиевые сплавы (типа твердого раствора) имеют пониженную технологичность по сравнению с эвтектическими силуминами, что затрудняет изготовление из них деталей литьем в металлические формы. Механическая обработка при литье в песчаные формы стоит дорого, так как необходимы припуски не менее 5 мм (иногда – до 40 мм), т. е. обрабатывается практически вся поверхность детали.

За рубежом широко используются формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС), обладающие повышенными технологическими характеристиками, газопроницаемостью, прочностью, а также экологичностью. Применение в России литья в формы из ХТС носит ограниченный характер, так как предприятия, использующие формы из ХТС, приобретают технологию и оборудование за рубежом.

Современное развитие науки и техники позволяет получать детали новыми методами с помощью цифровых технологий: печать форм и моделей на 3D-принтерах – для изготовления отливок оптимальной конструкции с высокой точностью размеров и минимальными затратами на последующую механическую обработку, что позволяет значительно сократить продолжительность изготовления отливок. Повышения эффективности, технологичности и качества литейного производства на авиастроительном предприятии, прежде всего, можно достичь путем применения современных цифровых технологий на этапе конструкторско-технологической подготовки производства.

Прямое изготовление оснастки на 3D-принтерах – это метод, позволяющий ускорить получение форм для отливок. В простейших случаях форма для отливки детали может быть разработана по готовой модели буквально за считанные минуты в программах CAD [8–12].

В связи с повышением требований к прочностным и ресурсным характеристикам материалов из легких сплавов целесообразно использовать в производстве взамен серийных сплавов новый литейный алюминиевый сплав ВАЛ20 системы Al–Cu–Mg с добавками Mn, Ti, Zr и Sc. Сплав предназначен для литья деталей, работающих как при повышенных (до 300°С), так и при комнатной температурах, он – более технологичный, чем высокопрочный серийный сплав ВАЛ10 [12–16].

Для снижения объема механической обработки необходим переход от обычных отливок к более точным, что требует перепроектирования деталей и, как следствие, проведения анализа прочностных характеристик.

Цель данной работы – разработка 3D-моделей деталей с проведением анализа прочности сборок узлов для получения фасонных отливок деталей системы рулевого управления из современного высокопрочного алюминиевого сплава ВАЛ20 методом литья в разовые формы, изготовленные с помощью трехмерной печати.

Материалы и методы

Основной метод исследования – эксперимент, выполненный с использованием математических моделей конструкций, отражающих их физические свойства и построенных на основе конечно-элементных моделей с помощью программных комплексов Catia P3.V5R19 и MSC Patran.

Результаты

Детали «крышка» (рис. 1, а) и «корпус» (рис. 1, б) являются силовыми деталями корпуса шариковинтового подъемника системы управления предкрылками. Прикладываемая нагрузка создается аэродинамическими силами и рулевым приводом. Расчеты проводятся до изготовления оснастки при проектировании деталей из современного высокопрочного сплава ВАЛ20.

  Рисунок 1. Детали «крышка» (а) и «корпус» (б) подъемника из сплава ВАЛ20

Теоретическое нагружение «корпуса» и «крышки» рассматривается в составе всего агрегата – подъемника предкрылка. Приведен расчет для воздействия максимальной аэродинамической нагрузки на предкрылок, которая возникает при заклинивании предкрылка, что создает максимальный динамический момент на входном валу подъемника. Величины осевого усилия и крутящего момента прикладывают одновременно при растяжении и сжатии.

Серийные детали «корпус» и «крышка», входящие в состав конструкции подъемника предкрылка, являются типовыми для агрегатов типа редуктор, подъемник или опора трансмиссии. Детали отличаются сложностью форм и большой трудоемкостью изготовления. Изготовление деталей рассмотрено на примере наиболее сложной серийной детали – «корпус» (рис. 2) из силумина АЛ9-1 (сплав АК7п.ч. по ГОСТ 1583–93). Масса литейной заготовки составляет 5 кг, масса детали после механической обработки 1,86 кг. Количество обрабатываемых поверхностей по техпроцессу 33, трудоемкость механической обработки 9,9 норм.-ч.

Общий вид оптимизированной литейной заготовки показан на рис. 3, цветом выделены места для дальнейшей механической обработки. Создана 3D-модель детали «корпус».

Рисунок 2. Общий вид заготовки серийной детали «корпус»

Рисунок 3. Общий вид оптимизированной литейной заготовки для детали «корпус»

В математических моделях деталей «корпус» и «крышка» обеспечено уменьшение технологических припусков под механическую обработку, а также массы литейной заготовки и окончательной детали. Наружные поверхности не должны обрабатываться.

Технологический припуск механически обрабатываемых поверхностей составляет 3 мм, количество обрабатываемых поверхностей уменьшено до 16.

Ожидаемые параметры заготовок из сплава ВАЛ20:

Масса   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 кг

Снижение трудоемкости механической обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 норм.-ч

Масса детали после обработки      . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,55 кг

Снижение массы детали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,310 кг (16,6%).

Рисунок 4. Распределение напряжений в оптимизированной конструкции корпуса при осевом сжатии

После того как деталь спроектирована в составе сборки, необходимо провести анализ прочностных характеристик с целью определения напряжений, возникающих в детали при ее работе. На рис. 4 показано изображение детали «корпус», испытывающей максимальное напряжение 229 МПа, что не превышает предельно допустимых значений предела прочности при растяжении для сплава ВАЛ20 (420 МПа). Ввиду того, что толщина стенок серийной детали больше, она испытывает меньшие напряжения – до 224 МПа, что не превышает предел прочности при растяжении для сплава АК7п.ч. (265 МПа).

Обсуждение и заключения

Разработка технологии изготовления фасонных отливок из современного литейного алюминиевого сплава ВАЛ20 литьем в разовые формы из ХТС и формы, изготовленные с помощью трехмерной печати, позволит снизить массу литой заготовки в 2 раза, трудоемкость изготовления деталей из литых заготовок – в 1,5 раза за счет снижения площади обрабатываемых поверхностей. Переход на высокопрочные алюминиевые сплавы позволит снизить массу конструкции до 16%.