ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЛОИСТЫХ КЛЕЕНЫХ ПАНЕЛЕЙ И СОТОВЫХ КЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Изготовление слоистых клееных панелей в виде обшивок с Усиливающими накладками и клееных конструкций с сотовыми заполнителями на фирмах осуществляют в специализированных цехах. Эти цехи оснащены оборудованием, объединенным в конвейерные линии. Общая протяженность конвейерной линии при изготовлении двух-, трех-, четырехслойных клееных панелей фюзеляжа самолета L-1011 в цехе склеивания на заводе в г. Бербенке фирмы «Локхид» составляет 8 км. Слоистые клееные панели фюзеляжа этого самолета изготавливают из алюминиевых и титановых сплавов максимальной длиной Ими шириной 4,6 м. Технологический процесс изготовления таких крупногабаритных панелей состоит из следующих операций:

1) визуального контроля заготовок обшивок из листового материала;

2) нанесения пульверизатором защитного эластомерного покрытия толщиной 0,1—0,2 мм на наружную поверхность заготовок. Эту операцию проводят для предупреждения повреждения обшивки на всех последующих этапах работы. Отверждение защитного покрытия проводят инфракрасным излучением;

3) формообразования обшивок либо на растяжном прессе, либо на трехвалковом гибочном станке. Так, на растяжном прессе фирмы «Цирил Бат» усилием 500 тс обрабатывают обшивки сложной кривизны размерами 2,44x12,19 м. На трехвалковых (с пирамидальным расположением валков) гибочных станках, изготовленных отделением «Фарнхэм» фирмы «Лиск Сэвори», получают с высокой степенью точности обшивки одинарной кривизны длиной до 11,6 м и толщиной до 8 мм;

4) предварительной сборки панелей;

5) обрезки обшивок по контуру пневмоинструментом на болванке с вакуумным отсосом стружки, подгонки в специальных приспособлениях усиливающих элементов двух-, трех-, четырехслойных накладок различной конфигурации к обшивке;

6) химической очистки элементов панелей, осуществляемой б спецкамерах фирмы «Пурекс компани», общая протяженность линии составляет 43,5 м. В процессе химической очистки тщательно контролируется и регистрируется концентрация химического состава используемых растворов. Поверхности деталей промывают сначала раствором щелочи, нагретым до 71° С, а затем водопроводной водой. Следующей стадией очистки является травление поверхности «хромовой смесью» (смесь концентрированной серной кислоты с насыщенным раствором бихромата калия или натрия) при температуре 71° С, после чего детали промывают деминерализованной водой и сушат горячим воздухом. Во время окончательной промывки проводят визуальный контроль качества очистки. Детали с неполностью обезжиренными участками повторно проходят процесс очистки. Общая продолжительность химической очистки элементов панелей составляет 28 мин;

7) напыления эпоксидной грунтовки на поверхности, подлежащие склеиванию, на специальном участке с помощью установки фирмы «Де Вилбис». Благодаря предварительному расчету траектории движения головки пульверизатора, грунтовка равномерно распределяется по поверхности деталей, что обеспечивает высокие механические свойства клеевого слоя или шва и защищает детали от коррозии в процессе эксплуатации.

Грунтовку сушат на воздухе для удаления летучих веществ в течение 45 мин, а ее отверждение проводят в печи при 121° С в течение 60 мин.

Затем детали подают на склад (расположенный на втором .этаже цеха) с контролируемой температурой и влажностью воздуха. Со склада обшивки вместе с комплектующими элементами, также прошедшими химическую очистку и операцию нанесения грунтовки, подают по конвейеру через люк в полу на участок сборки панелей;

8) сборки и склеивания панелей в специальном приспособлении, фиксирующем обшивку по сборочным отверстиям; для предупреждения относительного смещения усиливающих элементов используют нейлоновые ленты; склеивают панели с помощью высокотехнологичной эпоксидной клеевой пленки. Панели вместе с приспособлениями помещают в пластиковые мешки, которые герметизируют. В мешках создают разрежение, обеспечивая давление на элементы панели, равное —0,7 кгс/см2.

В производственном помещении постоянно поддерживаются заданная температура, влажность и небольшое избыточное давление воздуха. Содержание пыли в воздухе не допускается выше определенного уровня; в помещении через день проводят влажную уборку. Постоянно открытые проемы в потолке и двери (типа поднимающихся штор), расположенные с двух сторон помещения, снабжены воздушными завесами. Персонал, работающий на участке склеивания, носит белую спецодежду (колпак, халат, перчатки) и специальную обувь;

9) отверждения панелей в автоклаве диаметром 6,7 м длиной 18,3 м и объемом 736 м3 (стоимость его 14 млн. долл.). Автоклав, расположенный на расстоянии 45 м от места сборки, состоит из двух основных узлов: цилиндрического сосуда высокого давления массой 300 т со стенками толщиной 48 мм и крышки массой 25 т, открываемой и закрываемой при помощи мостового крана. В автоклаве могут одновременно подвергаться отверждению восемь панелей обшивки фюзеляжа размерами от 6x4,6 до 11,6X4,6 м. Он может работать в трехсменном режиме по 24 ч в сутки. Давление в автоклаве создается инертным газом, что обеспечивает наиболее высокое качество склеивания. В четырех высоких аккумуляторных баках-колоннах находится инертный газ. На складе хранится запасной источник инертного газа — жидкая двуокись углерода. Источником тепла в автоклаве служит слой гальки из окиси алюминия, нагреваемый природным газом. Автоклав рассчитан на работу при давлении 10,5 кгс/см2 и температуре 315° С, отверждение же панелей фюзеляжа самолета L-1011 происходит при температуре 121° С и давлении 9,5 кгс/см2. Панели загружают в автоклав в горизонтальном положении с установленными термопарами (по 12 на каждое приспособление). Цикл отверждения начинается с нагнетания в автоклав инертного газа. При давлении - инертного газа 2 кгс/см2 вакуумирование мешков прекращается, мешки соединяют с атмосферой для проверки их герметичности.

В процессе отверждения панели выдерживают по 15 мин при 71 и 88° С. При давлении 9,5 кгс/см2 температуру доводят до 121° С и проводят выдержку панелей в течение 1 ч. Охлаждение панелей происходит также в течение 1 ч. Полный цикл отверждения (от открытия до закрытия крышки автоклава) составляет 3.5 ч.

После отверждения панели освобождают от вакуумных мешков, зачищают кромки и передают их на контроль. Одновременн" проводят испытания образцов-свидетелей на отрыв и сдвиг;

10) контроля качества склеивания с помощью ультразвуковой автоматизированной системы в течение 1—3 ч в зависимости от конфигурации панелей. Проверяемая панель закрепляется над самоходной кареткой, перемещающейся по направляющим длиной 15 м. Контроль осуществляется методом сканирования при помощи 10 принимающих и 10 передающих датчиков, установленных на каретке. Десятиканальное записывающее устройство фиксирует дефекты на бумажной ленте в виде разрывов линий длиной 0,25 мм и более в зависимости от размеров дефекта. Определение координат местонахождения дефекта проводят на ультразвуковой установке с ручным управлением. Дефекты в виде непроклея устраняют путем сверления в панели отверстий и подачи в них клея под давлением.

По такой же технологической схеме изготавливают слоистые клееные панели и для фюзеляжа самолета В-747 на фирме «Нор- троп». Как правило, для панелей фюзеляжа длиной 6,7 м и шириной 2,4 м применяют листы из алюминиевого сплава толщиной от 1.5 до 9,5 мм.

Транспортировку панелей проводят с помощью подвесного конвейера, снабженного подъемным приспособлением с вакуумными захватами, применение которых предотвращает повреждение поверхности панелей.

Во время приклеивания усиливающих элементов панели закрепляют б легких вертикальных приспособлениях, что позволяет в дальнейшем размещать их с большой плотностью в автоклаве длиной 15 м и диаметром 3 м. Восемь самых крупных -панелей можно устанавливать в двух вертикальных группах .по четыре панели в каждой. Склеивание проводят при 150° С и давлении 7 кгс/см2, параметры процесса непрерывно контролируются; их регистрация осуществляется чувствительными приборами, установленными на приспособлениях, в которых закреплены панели.

Фирма «Нортроп», помимо панелей фюзеляжа для самолета В-747, изготавливает панели пола толщиной 10 мм, состоящие из алюминиевых или титановых обшивок с огнестойким заполнителем из пол.ивинилхлоридното пенопласта. Панели размерам до 3,6XXI,2 м поставляются фирме «Боинг» обработанными по контуру, имеющими соответствующие вырезы, сборочные отверстия и т. п., т. е. полностью готовыми к монтажу В сборочном цехе в г. Эверетте.

Изготовление клееных панелей норового отсека фюзеляжа в г. Вичите (отделение фирмы «Боинг») осуществляют в сборочных приспособлениях упрощенной конструкции. Отверждение полного комплекта панелей проводят в автоклаве одновременно.

Ряд слоистых клееных панелей и узлов из алюминиевых и титановых сплавов с усиливающими двойными и тройными накладками и другими подкрепляющими элементами фирма «Боинг» изготавливает в цехе склеивания ,на заводе в г. Оберне. В этом цехе площадью 50000 м2 расположены участок формообразования листовых деталей с прессом усилием 39 тс, складское помещение для хранения отформованных и механически обработанных деталей, линия химической очистки деталей, помещения для .подготовки поверхностей к склеиванию, автоклавы и печи для отверждения клея и т. 1П.

После щелочной очистки детали промывают в ваннах двойным встречным потовом (рис. 3.78), при этом расходуется около одной десятой части количество воды, требуемой для промывки способом погружения.

Для промывки после травления применяют распылительную систему производительностью 630 л воды в минуту на одно приспособление с деталями. При необходимости ее производительность может быть увеличена в два раза, что позволит обрабатывать детали, закрепленные в двух приспособлениях, при длине каждого 7,6 м.

После химической очистки детали с помощью однорельсового транспортера поступают на участок нанесения грунтами. Клеевую грунтовку наносят напылением в камере размером 3,2X3,2X11 м или на установке, образующей клеевую завесу (рис. 3.79). В качестве клеевой грунтовки применяют модифицированную эпоксифенольную грунтовку с температурой отверждения 120° С, либо, эпоксидную грунтовку с температурой отверждения 1Т С. Толщина покрытия в зависимости от вида клеящего вещества и цикла термообработки колеблется от 0,06 до 0,3 мм.

Детали после напыления грунтовки подвергают воздушной сушке (рис 3.80). Срок хранения загрунтованных деталей—один год.

Перед склеиванием сборочные приспособления покрывают разделительной смазкой и проверяют на герметичность. Конструкция приспособлений предусматривает свободную циркуляцию воздуха и быстрый, равномерный нагрев его в автоклаве; это необходимо для получения свободной от напряжений детали,, так как разница температур, в зоне склеивания может вызвать ее коробление. Затем на деталь наносят клеевую пленку толщиной 0,12 мм (рис. 3.81). Пленку хранят в холодильнике и перед употреблением нагревают до комнатной температуры, чтобы исключить конденсацию паров воды на ее поверхности.

Склеиваемые элементы закрепляют в сборочном приспособлении при помощи фиксаторов и липкой ленты (рис. 3.82). Собранный комплект помещают в вакуумный мешок из нейлоновой пленки, после герметизации вместе сборочным приспособлением его направляют в автоклав (рис. 3.83).

Отверждение происходит в автоклаве с масляным обогревом, длиной 6 м, диаметром 2,7 м в зависимости от вида клея при 120 или- 177° С и давлении 7—10 кгс/см2 соответственно в течение 30 или 90 мин (рис. 3.S4). Для отверждения крупногабаритных деталей используют автоклавы с воздушным обогревом диаметром 6,1 м, длиной 18,3 м, рассчитанные на температуру 316° С и давление 14 кгс/см2, достигаемое .путем сжатия инертных газов. Перед загрузкой в автоклав детали размещают на стеллажах, которые расположены на воащающихся столах, вмонтированных в пол (рис. 3.85).

Неразрушающий контроль качества склеивания ведется при помощи ультразвуковой системы через водную среду с непрерывной записью результатов сканирования (рис. 3.86, 3.87). Готовые панели покрывают специальной защитной пленкой ({рис. 3.88) и направляют их .на склад.

В отличие от слоистых сотовые панели особенно сложных ф-орм и больших габаритов поставляются централизованно со специализированных фирм «Хексель», «Сиба-Гейджи» и др. Это вызвано тем, что процесс обработки таких панелей требует применения специализированного дорогостоящего оборудования, рентабильного лишь в условиях серийного и массового выпуска однотипной продукции. Вместе с тем простейшие панели, а также узлы и агрегаты с сотовым заполнителем, такие как элероны, закрылки, предкрылки, спойлеры, обтекатели вентилятора двигателя (рис. 3.89, 3.90), изготавливают авиастроительные фирмы. Технология изготовления таких узлов и агрегатов в цехе склеивания фирмы «Боинг» аналогична принятой для слоистых панелей, за исключением некоторых особенностей, обусловленных конструкцией склеиваемых узлов и применяемыми в них материалами. Так, известию, что в сотовых клееных конструкциях планера самолета В-747 применяют обшивки и заполнители из алюминиевых сготавов, неметаллических материалов (стеклоткань, пропитанная смолой, бумага «Нюмокс») или их комбинаций.

Сотовые заполнители (металлические и неметаллические) поступают в цех оклеивания со специализированного завода в виде готовых для сборки деталей, предварительно отформованных, обезжиренных и упакованных в предохранительный мешок, или в виде полуфабриката (сотового блока), из которого в этом цехе изготавливают детали требуемой формы и размеров. После операции разрезки сотового блока заготовки для получения деталей из сотового заполнителя с поверхностью одинарной и двойной кривизны формуют ручным или механизированным способом (рис. 3.91).

Формование металлического заполнителя ведут на трехвалковом станке «Фарн- хэм» методом прокатки (рис. 3.92). При этом на торцы сот накладывают тонкий лист металла (чаще алюминия) на одну, а при большой кривизне или увеличенной толщине на обе поверхности заполнителя для предотвращения повреждения поверхности и распределения нагрузки так, чтобы обеспечить равномерную деформацию сотовой структуры. Иногда для предохранения сот от разрыва облицовочный лист покрывают наждачной бумагой или пробкой, в которую вдавливается заполнитель. Такой временный пакет пропускают через валки станка и получают заготовку требуемой кривизны. В процессе формообразования происходит частичная деформация сот, которая ухудшает внешний вид, хотя и не влияет на прочность заполнителя (рис. 3.93). Контроль кривизны готового заполнителя проводят по шаблону.

Механическую обработку деталей из металлического сотового заполнителя, имеющих поверхность сложного профиля, невозможно проводить обычными многозубыми фрезами из-за недостаточной жесткости заполнителя, обусловленной малой толщиной стенок сот.

Кроме того, не допускается контакт заполнителя с СОЖ, поэтому сотовый заполнитель с постоянным и переменным поперечным сечением обрабатывают грибковыми фрезами, имеющими угол 15° на режущей кромке и изготавливаемыми из твердой инструментальной стали. Фрезы имеют диаметр от 12 до 65 мм, частота их вращения на копировально-фрезерном станке от 10 000 до 15 000 об/мин (рис. 3.94, 3.95). Заполнитель обрабатывается с допуском ±0,15 мм, что обеспечивает плотное прилегание его к обшивкам во время склеивания. Механическую обработку деталей сотового заполнителя, имеющих наиболее сложный профиль, проводят на станках с программным управлением или на рельсовых фасонно-фрезерных станках с ручным управлением.

Фаска с деталей из заполнителя по контуру легко снимается пилой с зубчатым или волнистым двухсторонним полотном, движущимся со скоростью от 900 до 1500 м/мин. Черновая обрезка может проводиться обычной ленточной пилой (рис. 3.96). После механической обработки детали из заполнителя обезжиривают в парах трихлорэтилена (рис. 3.97) и передают на участок сборки и склеивания.

Для крупногабаритных узлов и агрегатов сотовый заполнитель получают сращиванием двух или более деталей с помощью клейкого пенопласта (3.98).

Сотовый заполнитель в местах постановки крепежных и соединительных деталей заливают эпоксидной смолой и отверждают для повышения прочности этих зон, остальную поверхность покрывают специальней пленкой, имеющей вырезы только в необходимых местах (рис. 3.99). После отверждения смолы эти золы подвергают контролю на полноту заполнения смолой. Процесс сборки клееной конструкции с сотовым заполнителем переменного сечения, например спойлера самолета В-747 (рис. 3.100), ведут по следующей схеме. Сначала соединяют одну обшивку с заполнителем и лонжероном. Склеивая не проводят в сборочном приспособлении с помощью клеевой пленки, толщина которой в 2—3 раза больше, чем при склеивании листов. Это необходимо для образования плавных переходов между ячейками сот и обшивкой.

После отверждения открытую поверхность сотового заполнителя подвергают механической обработке для получения окончательного профиля, используя лонжерон в качестве базы. Затем накладывается вторая обшивка и клей в собранной конструкции вторично отверждается. Для герметизации торцев спойлера .вручную с помощью шпателя наносят эпоксидную смолу или эластомерное покрытие (рис. 3.l01).

При изготовлении узлов, в которых детали из заполнителя имеют скосы различного профиля (рис. 3. 102), формование заполнителя осуществляют смятием на прессе в матрице, выполненной по форме детали. Удельное давление формования заполнителя зависит от его материала, а также о.т размера сот и может достигать 60 кгс/см2. Для обеспечения необходимой прочности смятые зоны заливают смолой и отверявдают. На этом же прессе для обеспечения высокой точности сборки производят и подгонку (доформювку смятием) всего собранного узла непосредственно перед его отверждением. Получение за один ход штампа детали сложной формы (скосы разного профиля), высокая точность сборки свидетельствуют о высокой экономической эффективности метода.

После отверждения сотовых конструкций, выполняемого при более низком давлении, чем листовых конструкций, панели и узлы обрезают по контуру на высокоскоростном фрезерном станке с ие- пользовайием специального шаблона.

Цех оклеивания в г. Оберне, помимо сотовых конструкций с металлическим заполнителем, вьипускаст широкую номенклатуру узлов и агрегатов с неметаллическим заполнителем (стеклоткань, пропитанная смолой). Технология их изготовления является типовой и для сотово-слоистых конструкций с заполнителем из бумаги «Но- меис», производство которых организовано в г. Эверетте’в специализированном цехе (общей площадью 60 ООО м2).

Как и металлический, неметаллический заполнитель, поступающий в виде блоков размером 46x 122x244 см, режут на заготовки толщиной от 1,5 до 305 мм с допуском ±0,16 мм специальной ленточной пилой с абразивным полотном из карбида вольфрама (рис. 3.103). Скорость движения такой пилы ~300 м/ мин. Чистовую обрезку заполнителя проводят по шаблону ножом, легко режущим тонкие стенки сот (рис. 3. 104).

Образование поверхностей различной кривизны на заготовках из неметаллического заполнителя осуществляют методом горячего формования на специальном прессе (рис. 3.105). Для размягчения смолы заполнитель предварительно нагревают в печи. В зависимости от вида и толщины заполнителя продолжительность и температура его нагрева могут меняться. Максимальная температура нагрева 315° С. Нагретый до. требуемой температуры заполнитель помещают в пресс между матрицей и эластичным пуансоном (рис. 3.106). Во время прессования заполнитель, прижатый к поверхности матрицы, охлаждается. Разрыв во времени между нагревом и прессованием должен быть минимальным из-за пружинения заполнителя. При горячем формовании незначительно искажается сотовая структура.

Чтобы предотвратить смятие заполнителя во время отверждения, на заготовках ленточной пилой снимают фа оку под углом 20— 30°. Угол фаски возрастает с увеличением толщины заполнителя и давления, а также по мере уменьшения платности, заполнителя; для обрезки же прямых кромок применяют ленточную пилу с узким стальным полотном, имеющим 7 зубьев на 1 см длины. Фаски, которые не могут быть полностью сняты пилой, обрабатывают ручным механизированным инструментом с абразивным диском.

Механическую обработку крупногабаритных заготовок, например клинообразного заполнителя размерам 2,5x3,7 м со скосом от 102 мм до сходящей на нет задней кромки, осуществляют на специальном станке (рис. 3.107).

Заготовки больших габаритных размеров из неметаллического! заполнителя получают соединением (сжатием) внахлестку двух дай более элементов. Поверхности неметаллического, заполнителя подготавливают к склеиванию вакуумным способом. При оборке сотовых конструкций из., неметаллических материалов стеклоткань, пропитанную смолой и обрезанную по размеру, выкладывают на специальном сборочном приспособлении слоями для получения требуемой толщины обшивки (рис. 3.108). Затем кладут заранее отформованный заполнитель (рис. 3.109), на который также выкладывают слои стеклоткани, образующие вторую обшивку конструкции. Собранный комплект помещают в вакуумный мешок и вакуумируют, при этом обеспечивается, помимо (фиксирования собираемых элементов между собой, удаление летучих компонентов из стеклоткани. Дальнейшие операции осуществляют по- обычной схеме. Готовый увел показан на рис. 3.110.

При изготовлении комбинированных сотовых слоистых конструкций метод сборки зависит от материала обшивки: если обшивки металлические, то применяется схема сборки чисто металлических сотовых конструкций, для обшивок из стеклотканей схема сборки аналогична принятой для неметаллических сотовых конструкций.

Самая крупная сотовая конструкция из стеклопластика на самолете В-747 — подфюзеляжный обтекатель площадью более 180 м2 и длиной до 24 м. Он состоит из 106 сотовых панелей размерами до 3X1,5 .м, при изготовлении которых применяют специальные алюминиевые формы, подученные штамповкой взрывом. Сборку подфюзеляжного обтекателя осуществляет фирма «Нортроп» в специализированном цехе, оснащенном специальным оборудованием. В цехе в значительной степени используется ручной труд, хорошо организованный, с применением малой механизации. Такое положение характерно для всех американских фирм, имеющих специализированные цехи по выпуску клееных слоистых конструкций, как сотовых, так и листовых.

Белянин П. Н. Производство широкофюзеляжных самолетов в США — М.: Машиностроение, 1979.