1. METODY ODWZOROWANIA GEOMETRII PŁATOWCA

1. Samolot jako obiekt produkcyjny

Technologia jest to wiedza o przetwarzaniu dóbr naturalnych w dobra użytkowe (produkty), ewentualnie produktów o mniejszym stopniu przetworzenia w produkty bardziej skomplikowane. Technologia produkcji samolotów jest jedną z dziedzin technologii budowy maszyn. Dwoma głównymi zespołami statku powietrznego są: płatowiec i silnik (zespół napędowy). Ze względu na istotne różnice konstrukcyjne tych zespołów, rozróżnia się technologię produkcji silników lotniczych i technologię produkcji płatowców, często nazywaną technologią produkcji samolotów.

Płatowce współczesnych samolotów charakteryzuje duża różnorodność materiałów stosowanych w ich budowie, duży udział masowy materiałów kompozytowych, szerokie stosowanie części integralnych oraz konstrukcji przekładkowych z wypełniaczami komórkowymi. Wprowadzenie materiałów kompozytowych i konstrukcji przekładkowych wymagało wprowadzenia nowych technologii wytwarzania części i montażu. Wprowadzenie numerycznych metod odwzorowania geometrii płatowca spowodowało radykalną zmianę techniki przygotowania produkcji, a zwłaszcza wymusiło szerokie zastosowanie obrabiarek sterowanych numerycznie. Technologia współczesnych samolotów wykorzystuje szeroki wachlarz procesów technologicznych, zarówno tradycyjnych mechanicznych, jak i najnowszych: elektrycznych, elektrochemicznych, chemicznych, akustycznych, itp. Ze względu na wymagania jakościowe rośnie znaczenie prac kontrolno-badawczych i montażowych występujących w procesach produkcyjnych płatowców.

Płatowiec współczesnego samolotu jest złożonym obiektem produkcyjnym. Jego pracochłonność jest mierzona dziesiątkami (setkami) tysięcy roboczogodzin. Płatowiec jako produkt ma szereg specyficznych właściwości, do których można zaliczyć:

• dużą liczbę i różnorodność części. (Nie licząc części znormalizowanych, liczba części samolotu w zależności od jego wielkości wynosi od kilku do kilkudziesięciu tysięcy);

• duży asortyment stosowanych materiałów (stopy aluminium, stopy tytanu, stale konstrukcyjne, stale specjalne, kompozyty syntetyczne i metaliczne, tworzywa sztuczne);

• złożoność kształtów przestrzennych większości elementów konstrukcyjnych, zróżnicowanie wymiarowe części (od kilku mm do kilkunastu m) oraz mała sztywność większości części, co wymaga stosowania specjalnych przyrządów montażowych przy ich łączeniu;

• duża, dochodząca do 60% pracochłonności ogólnej, pracochłonność prac montażowych i kontrolnych (śruby i wkręty stosowane są w dziesiątkach tysięcy sztuk, a nity w liczbie milionów sztuk);

• wysokie wymagania jakościowe dotyczące całego płatowca, jak i jego elementów, zmuszające do wysokiej dyscypliny technologicznej oraz do prowadzenia badań i kontroli na różnych etapach procesu produkcyjnego;

• częsta zmiana produkcji ze względu na to, że nawet najbardziej udane typy samolotów są produkowane w niewielkich seriach, jak również liczne modyfikacje produkowanych samolotów powodują nieopłacalność szerokiej automatyzacji i potokowania produkcji;

• szeroka kooperacja z innymi zakładami w zakresie dostarczania napędów, elementów i agregatów instalacji oraz wyposażenia, jak również surówek (półfabrykatów);

• duży zakres prac przygotowania produkcji ze względu na konieczność zaprojektowania i wykonania skomplikowanego oprzyrządowania produkcyjnego.

Cykl przygotowania seryjnej produkcji nowego typu współczesnego SP jest czasochłonny i drogi.

Rys. 1.1. Etapy przygotowania produkcji nowego typu SP

Poczynając od fazy rozrysowania geometrii płatowca, poprzez wykonanie i próby prototypów, występuje wiele sprzężeń zwrotnych w procesie przygotowania produkcji płatowca (rys. 1.1.), w wyniku których modyfikowana jest dokumentacja konstrukcyjna i przeprowadzane są zmiany prototypów. W efekcie tego powstaje poprawiona dokumentacja konstrukcyjna prototypu samolotu, umożliwiająca opracowanie konstrukcji seryjnej wersji.

Cykl przygotowania produkcji wydłuża się, jeżeli w trakcie jego realizacji popełniane są błędy. Im później błąd zostanie wykryty tym większe są jego negatywne skutki powodujące wzrost kosztów i wydłużenie cyklu przygotowania produkcji. Etap konstrukcyjno-badawczy powinien być tak zaplanowany i zrealizowany, aby w jego trakcie wykryte zostały wszystkie błędy, gdyż ich przeniesienie na produkcję seryjną jest wyjątkowo kosztowne.

Obniżenie kosztów produkcji samolotu można osiągnąć poprzez zapewnienie technologiczności jego konstrukcji. Technologiczność konstrukcji to jej podatność do łatwego, a więc i taniego wykonania przy spełnieniu wszystkich wymagań konstrukcyjno-wytrzymałościowych. Technologiczność konstrukcji można zwiększać poprzez:

• możliwie duże wykorzystanie elementów z poprzednich wyrobów, co umożliwia wykorzystanie istniejącego oprzyrządowania oraz opracowanych i sprawdzonych procesów technologicznych;

• możliwie szerokie zastosowanie części znormalizowanych o sprawdzonej konstrukcji i technologii, produkowanych w większych seriach;

• możliwie szeroką powtarzalność (typizację) elementów konstrukcji lub jej fragmentów (np. otworów, promieni), która umożliwia produkcję większej liczby identycznych części i stosowanie mniejszej liczby narzędzi w procesie produkcyjnym;

• racjonalny podział na zespoły i podzespoły, to znaczy taki, aby przy wykonywaniu i montażu można było wykorzystywać posiadany park maszynowy, przyrządy i dostępne w handlu półfabrykaty (surówki);

• proste, tam gdzie to jest możliwe, kształty części płatowca (płaskie, cylindryczne lub stożkowe, a więc łatwiejsze do wykonania niż powierzchnie skomplikowane, np. o podwójnej krzywiźnie);

• maksymalne zastosowanie w konstrukcji materiałów łatwoobrabialnych;

• przyjęcie racjonalnych wymagań w stosunku do dokładności: wymiarów, kształtu oraz chropowatości powierzchni.

1. Dokładność odwzorowania geometrii płatowca (OGP)

Kształt i wymiary płatowca muszą być odwzorowane z dużą dokładnością, gdyż mają istotny wpływ na charakterystyki aerodynamiczne samolotu. Rozróżnia się dwie klasy dokładności odwzorowania geometrii płatowca:

• klasa I - dotyczy SP, których V_max>600 km/h

• klasa II - dotyczy SP, których V_max<600 km/h

Zespół płatowca	Dokładność odwzorowania geometrii Δt = ± .............[mm]
		klasa I	klasa II
skrzydło i usterzenie	0,5...1,0	1,0...2,0
kadłub	1,0...2,0	1,5...3,0

Proces odwzorowania geometrii powinien zapewniać wykonanie płatowców z określoną dokładnością, w sposób powtarzalny, zapewniający pełną wymienialność zespołów. Jest on utrudniony ze względu na:

• skomplikowany kształt płatowca;

• duże wymiary;

• specyficzną konstrukcję wyrobu - złożoną z wielu cienkościennych elementów o stosunkowo małej sztywności.

Rozróżnia się następujące metody odwzorowania geometrii płatowca:

proste metody stosowane w przeszłości	metody stosowane współcześnie
bezpośredniego wykonawstwa; płyt kontrolnych; płytowo-strunowa;	płytowo-wzornikowa; makietowo-wzornikowa; numeryczna;

1. Metoda bezpośredniego wykonawstwa.

• prosta metoda zapożyczona z budowy maszyn

• stosowana dla wykonywanych w przeszłości prostych konstrukcji dźwigarowych

• sztywne dźwigary stanowiły bazę montażową

• opierała się na klasycznej dokumentacji technicznej (szczegółowy rysunek zestawieniowy)

• nieskomplikowane przyrządy wykonawcze i montażowe

• dokładność geometrii sprawdzano w trakcie wykonywania, głównie techniką niwelacji

• brak wymienności zespołów

• płatowiec był indywidualnym, niepowtarzalnym wyrobem

1. Metoda płyt kontrolnych.

• wprowadzona w związku z potrzebą dokładniejszego odwzorowania krzywoliniowych obrysów płatowców

• płyta kontrolna to wytrasowany (wykonany za pomocą rysika) rysunek w skali 1:1 na płaskiej, metalowej płycie z dokładnością ± 0,1 mm

• wykonywano je dla głównych przekrojów skrzydła, usterzenia i kadłuba

• oprócz obrysów przekrojów zawierały inne szczegóły konstrukcyjne

• zastosowanie tej metody upraszczało proces produkcyjny płatowców:

• możliwość uzgadniania geometrii obrysów zewnętrznych przekrojów poprzecznych

• możliwość sprawdzania wymiarów wykonanych detali

• łatwość wykonania prostych przyrządów produkcyjnych i montażowych

• uproszczenie dokumentacji technicznej

1. Metoda płytowo-strunowa.

• wprowadzona w okresie międzywojennym do produkcji płatowców półskorupowych

• mała sztywność szkieletów powodowała konieczność stosowania przestrzennych przyrządów montażowych

• wprowadzono, oprócz płyt kontrolnych, dodatkową grupę przyrządów kontrolno-pomiarowych - płaskie wzorniki (szablony)

• płaskie wzorniki wykorzystywano do kontroli wykonania obejm przestrzennych przyrządów montażowych oraz do ustawienia tych obejm przy zestawianiu przyrządów

• dokonywano tego za pomocą dwóch stalowych strun wg baz, którymi były otwory przewiercone przez komplet wzorników

1. Metoda płytowo-wzornikowa.

• metoda płytowo-wzornikowa (PW) zwana jest również płazowo-szablonową;

• dokładniej odwzorowuje geometrię płatowca;

• charakteryzuje się dużą ilością i różnorodnością stosowanego oprzyrządowania kontrolno-pomiarowego: wzorców i wzorników;

• wzorce określają kształt płatowca w sposób jednoznaczny i ostateczny, stanowią podstawę do wykonania innych elementów pochodnych (wzorników), nie są bezpośrednio używane w produkcji części, narzędzi czy przyrządów, stanowią ogniwo pierwotne w procesie odwzorowania geometrii płatowca;

• wzorniki są to płaskie lub przestrzenne elementy służące do przenoszenia kształtów i wymiarów z wzorców na produkt, względnie oprzyrządowanie produkcyjne;

• w metodzie tej mogą być stosowane również modele, tj. przestrzenne elementy, których powierzchnie, najczęściej nierozwijalne, odtwarzają całość lub część pokrycia; mogą to być:

• modele wzorcowe (wzorce);

• modele kontrolne (wzorniki);

• modele robocze, zwane też modelami bezpośredniego odtwarzania (foremniki):

• foremniki są to narzędzia służące do kształtowania części metodami obróbki plastycznej:

• matryce,

• stemple

• oprawki

• inne

1. Wzorce stosowane w metodzie PW

1. Rysunek płytowy teoretyczny WW.
   Wykonywany jest w skali 1:1 na specjalnej płaskiej płycie utworzonej z szeregu warstw blach stalowych lub folii z tworzyw sztucznych. Zawiera zasadniczą geometrię płatowca (główne osie, obrysy kadłuba, skrzydła, usterzenia, gondoli silnikowej, osie obrotu części ruchomych wraz z obwiedniami tych części). Przy ręcznym trasowaniu możliwa jest dokładność ± 0,1 mm. Inne nazwy: płaz, plan warstwicowy, płyta wzorcowa, wzorzec wzorców.

2. Rysunki płytowe konstrukcyjne WKK.
   Wykonuje się je dla wszystkich zespołów i części w skali 1:1 na arkuszach blachy stalowej lub folii na podstawie rysunku płytowego teoretycznego. Różnią się od niego tym, że przedstawiają całe zespoły (podzespoły) ze wszystkimi detalami składowymi:

• linie konturowe wg obrysu teoretycznego;

• otwory konstrukcyjne;

• osie śrub, nitów i sworzni;

• osie obrotu części;

• osie połączeń;

• linie wycięć;

• obrysy części wchodzących w skład danego zespołu;

• linie bazowe pionowe i poziome;

• otwory technologiczne, narzędziowe, ustawieniowe;

Po wykonaniu i przyjęciu przez kontrolę techniczną stają się jedynym źródłem informacji o wymiarach i kształtach wzorników pochodnych. Od tej chwili przestają obowiązywać w produkcji rysunki konstrukcyjne i technologiczne.

3. Odbitki kontrolne OK.
   Są kopiami WKK wykonanymi na folii. Umożliwiają kontrolę stabilności ich wymiarów oraz wykonanie podstawowego kompletu wzorników.

4. Płyty ustawieniowe WU.
   Są to płaskie, sztywne elementy, najczęściej żeliwne, dokładnie wypoziomowane. Służą do ustawiania i kontrolowania wzorców przyrządowych i przyrządów montażowych. Wykreślane są na nich rysunki tych elementów geometrii płatowca, które są niezbędne do wykonania wzorców i przyrządów.

5. Wzorce przyrządowe WP.
   Są to sztywne konstrukcje przestrzenne składające się ze szkieletu oraz elementów wyznaczających geometrię zespołu jaki dany wzorzec przedstawia. Mogą mieć okucia, żebra, wręgi i inne elementy w zależności od tego jaki przedstawiają zespół. Przeznaczone są do ustawiania i kontroli przyrządów montażowych, zapewniają zachowanie baz montażowych i wymiarów.

1. Wzorniki stosowane w metodzie PW.

1. Wzorniki kontrolne.
   Przeznaczone są do kontroli kształtów i wymiarów wytwarzanych części w różnych fazach procesu produkcyjnego oraz oprzyrządowania: modeli, narzędzi i przyrządów montażowych. Należą do nich min.: sprawdziany, przymiary, szablony.

2. Wzorniki robocze.
   Służą do bezpośredniego posługiwania się przy wykonywaniu części. Należą do nich min. wzorniki: trasowania, wycinania, wiercenia, frezowania.

1. Metoda makietowo-wzornikowa.

• źródłowym elementem umożliwiającym wykonanie oprzyrządowania części i zespołów jest powierzchnia makiety zespołu, w pełni odzwierciedlająca jego kształty i wymiary;

• makietę wykonuje się na podstawie rysunku płytowego przy wykorzystaniu wzorników;

• w metodzie tej wykonuje się makiety: kadłuba, skrzydła, usterzenia, gondoli silnikowych;

• makiety mają zazwyczaj szkielet odlewany ze stopu aluminium lub spawany z kształtowników, a ich warstwę wierzchnią stanowi wykładzina z twardego drewna lub kompozycje na bazie specjalnego cementu, ewentualnie żywic syntetycznych;

• bazując na wymiarach makiety wykonuje się jej przeciwsprawdzian, który podobny jest do przyrządu montażowego, ma w charakterystycznych przekrojach obejmy oraz ustalacze dla węzłów stykowych;

• przeciwsprawdzian służy do wykonania makiety montażowej zespołu oraz makiet głównych podzespołów, takich jak: dźwigary, żebra, wręgi;

• makieta montażowa nie odtwarza kształtu całej powierzchni zespołu, lecz tylko te powierzchnie, pod którymi znajdują się wręgi lub żebra;

• makieta montażowa przeznaczona jest do budowy przyrządu montażowego i jego obejm, a makiety głównych podzespołów - do wykonania przyrządów montażowych tych podzespołów, przyrządów kontroli kształtów i wymiarów części, z których składają się te podzespoły;

• stosowanie tej metody jest zalecane przy wykonywaniu pokryć i elementów siłowych z kompozytów syntetycznych, np. pokryć szybowców, gdyż bezpośrednio z makiety powierzchni można wykonać dzieloną formę (np. z laminatu), która może służyć zarówno do wykonywania pokryć jak i wklejania usztywnień oraz montażu zespołu.

1. Metoda numeryczna

Podstawą tej metody jest pakiet programów przeznaczonych do graficznego przedstawienia geometrii bryły płatowca oraz do kierowania procesem obróbki części na obrabiarkach numerycznych. Wprowadzenie tej metody umożliwia min. wykonywanie integralnych części płatowca metodą frezowania, przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej dokładności i powtarzalności wymiarów. Na obrabiarkach numerycznych wykonuje się także wzorniki, foremniki i inne oprzyrządowanie przeznaczone do obróbki plastycznej blach i kształtowników.

Geometrię numeryczną płatowca tworzy się wykorzystując dwa systemy: sterujący i kreślarski. System sterujący odczytuje i przetwarza wprowadzone dane. Podstawą systemu kreślarskiego jest specjalny stół kreślarski (plotter) przeznaczony do graficznego przedstawienia geometrii płatowca na papierze, kalce lub specjalnej folii. Wykorzystywane w przemyśle lotniczym plottery charakteryzują duże wymiary oraz dokładność (± 0,05 mm) i powtarzalność odwzorowania przy prędkości kreślenia ok. 0,5 m/s.

Komputer i sprzężony z nim plotter są wykorzystywane także na etapie określania geometrii części płatowca.

Uzupełnieniem numerycznego systemu tworzenia geometrii płatowca jest specjalne przestrzenne urządzenie pomiarowe pozwalające na pomiary elementów w dowolnych płaszczyznach. Wyniki pomiarów mogą być przedstawiane w postaci wydruków współrzędnych(x, y, z) punktów powierzchni zewnętrznej w określonych przekrojach lub rysunków tych przekrojów w dowolnej skali. Urządzenie takie pozwala nie tylko na kontrolę wymiarów wykonanych już części, ale również na numeryczne określenie geometrii przestrzennej modeli lub wzorców wykonanych z dowolnego materiału w dowolnej skali.

Zaletami tej metody są:

• uproszczenie etapów projektowania płatowca i przygotowania jego produkcji

• zmniejszenie liczby stosowanego oprzyrządowania kontrolno-pomiarowego

• mniejsza pracochłonność wykonywania niezbędnych wzorców i wzorników, których kreślenie odbywa się na plotterze a wykonanie na obrabiarkach sterowanych przez komputer.

4

Poprawiona dokumentacja prototypu samolotu

Próby i badania prototypów

Wykonanie prototypów

Przygotowanie wykonania prototypów

Dopracowanie geometrii płatowca

(rys. płytowy, makieta, optymalizacja numeryczna)

Projekt techniczny

(dokumentacja konstrukcyjna)

Makieta konstrukcji

Projekt wstępny

Założenia

techniczno-eksploatacyjne

---