Содержание статьи:
В аэрокосмической отрасли снижение веса изделий является критически важным фактором, влияющим на топливную эффективность, грузоподъемность и общую стоимость эксплуатации. Уменьшение массы конструкций без потери их прочности и надежности требует применения передовых технологий и инновационных материалов. В этой статье рассмотрим основные методы, которые применяются для достижения этой цели.
Снижение веса является важным моментом при проектировании и изготовлении деталей для аэрокосмической промышленности. Но инженерам не всегда нужно полагаться на острые углы и крошечные радиусы, чтобы соответствовать этим важнейшим спецификациям. Инструментарий, необходимый для обработки уникальных геометрических форм, часто является дорогим и трудоемким — если он вообще существует.
Как инженеры аэрокосмической отрасли могут уменьшить вес деталей и компонентов без увеличения стоимости и времени изготовления?
Вот некоторые из советов, которые мы даем инженерам аэрокосмической отрасли для снижения веса в их первоначальных конструкциях.
Советы по снижению веса заготовок, которые не увеличат стоимость и время металлообработки
Компания Артель имеет большой опыт производства высококачественных деталей и компонентов, изготовленных на заказ для клиентов из аэрокосмической промышленности, поэтому мы постоянно сталкиваемся с проблемами снижения веса изделий. Мы определили несколько стратегий снижения веса заготовок, которые облегчают работу инженерам и механическим цехам:
Улучшение технологий сборки
Применение современных технологий соединения элементов помогает уменьшить вес без ущерба для надежности.
Методы:
- Применение клеевых соединений вместо механических.
- Использование лазерной сварки для уменьшения массы швов.
- Упрощение конструктивных узлов за счет модульного подхода.
Избегайте маленьких карманов
Когда конструкция включает формы с острыми углами, например, треугольники или квадраты, внутренние карманы часто настолько малы, что на обработку одной формы уходит до 25 минут. Только подумайте, сколько нужно фрезеровать! Если маленькие карманы абсолютно необходимы для вашего дизайна, сверление отверстий — это гораздо более быстрый вариант, который часто достигает той же цели.
Использование легких материалов
Применение современных легких материалов помогает значительно уменьшить массу конструкций.
Примеры легких материалов:
- Титановые сплавы: высокая прочность при относительно низкой плотности делает титан идеальным для изготовления ключевых деталей.
- Алюминиевые сплавы: часто используются в конструкциях летательных аппаратов благодаря их легкости и коррозионной стойкости.
- Композитные материалы: углепластики и кевлар обладают высокой жесткостью при минимальной массе.
Придерживайтесь обтекаемых круглых форм
Если вам не нужна особая форма, не используйте ее. Круглые формы почти всегда легче и быстрее сверлить, чем что-либо с острыми углами.
Топология оптимизированного проектирования
Топологическая оптимизация — это метод проектирования, который позволяет снизить вес изделия путем удаления лишнего материала, не влияя на его прочностные характеристики.
Преимущества топологической оптимизации:
- Уменьшение объема материала.
- Сохранение необходимых механических свойств.
- Возможность интеграции методов аддитивного производства.
Используйте стандартную толщину стенок
Уменьшение толщины стенки может показаться простым способом снижения веса заготовок, но вы заплатите больше за этот нестандартный размер.
Уменьшение толщины стенок
Тонкостенные конструкции могут существенно снизить вес изделия, сохраняя его функциональность.
Методы достижения:
- Применение высокоточных технологий обработки на станках с ЧПУ.
- Использование материалов с высокой прочностью на растяжение.
- Учет расчетов на устойчивость к деформациям.
Применение аддитивных технологий
3D-печать открывает новые возможности для создания сложных геометрий, которые невозможно реализовать традиционными методами.
Особенности аддитивного производства:
- Изготовление деталей с внутренними полостями для снижения веса.
- Использование высокопрочных порошковых материалов.
- Уменьшение количества стыков и соединений, что способствует снижению массы.
Увеличьте радиус
Маленький радиус может оказать большое влияние на количество времени, необходимое для создания кармана. Если вы проектируете квадратный карман для снижения веса обрабатываемого изделия, предусмотрите радиус не менее ⅛ дюйма. Любая возможность использовать ¼-дюймовый инструмент значительно сокращает стоимость и время обработки.
Применение монолитных конструкций
Монолитные конструкции — это подход, при котором изделие изготавливается из одного куска материала, исключая необходимость соединений и крепежа.
Преимущества монолитных конструкций:
- Снижение массы за счет исключения дополнительных элементов.
- Увеличение прочности и надежности за счет отсутствия сварных швов.
- Уменьшение времени сборки.
Интеграция многозадачных компонентов
Объединение нескольких функций в одной детали — это ещё один способ уменьшения веса.
Примеры:
- Комбинация несущей функции и хранения топлива.
- Встроенные кабели или каналы для жидкости внутри структурных элементов.
- Совмещение функций защиты и теплоизоляции.
Используйте программное моделирование
Передовые программные средства позволяют на стадии проектирования предсказать влияние различных изменений на вес изделия.
Инструменты моделирования:
- Анализ методом конечных элементов (FEA).
- Моделирование потоков и тепловых нагрузок.
- Создание цифровых двойников для оптимизации конструкции.
Пример из нашей работы
Недавно мы получили проект, в котором были карманы с острыми углами и малым радиусом. Мы знали, что обработка этих карманов займет много времени и сил. Нам пришлось бы вырезать большую часть большим инструментом, а затем использовать режущий инструмент с малым радиусом, чтобы удовлетворить спецификации заказчика.
Как мы решили эту проблему
Во-первых, мы связались с заказчиком и обсудили его проект. Когда мы определили, что карманы нужны только для снижения веса, мы увеличили размер радиуса и сократили трудозатраты почти на 10 минут на каждый карман. И да, мы все равно достигли нужного заказчику веса!
Всегда будут существовать детали — аэрокосмические или иные — для которых требуются остроугольные карманы, толщина стенок 0,03 дюйма или крошечные радиусы. Если эти характеристики являются ключевыми для вашей детали, мы обязательно потратим время на обработку нужных вам точных карманов. Но если ваша цель — снижение веса, давайте подумаем, как максимально сократить затраты и время многосерийной металлообработки.
Заключение
Снижение веса изделий для аэрокосмической отрасли — это сложный процесс, который требует использования современных материалов, технологий и методов проектирования. Применение вышеперечисленных подходов позволяет создавать легкие и одновременно надежные конструкции, что способствует улучшению эффективности работы летательных аппаратов и снижению их эксплуатационных затрат.
