При участии ЛЭТИ разработан метод проектирования ультразвуковых ножей для резки сотовых материалов, применяющихся в авиационной и космической отрасли

В рамках работы создано математическое описание, ускоряющее процесс разработки отечественных ультразвуковых ножей для раскроя сотовых панелей.

Сотовые панели – это легкий и прочный конструкционный материал, который представляет собой два жестких внешних слоя, соединенные ячеистой структурой. Такие панели характеризуются высокой удельной прочностью (соотношением прочности и массы), отличными тепло- и звукоизоляционными свойствами, вследствие чего находят широкое применение в различных областях, в частности, в космической отрасли. Для создания и заполнения различных элементов конструкций в спутниках, космических кораблях и других космических аппаратах используются сотовые панели из алюминия или композиционных материалов на основе арамида (кевлара). Легкость данного материала помогает уменьшить общий вес системы, что критично для запусков.

Важным этапом в процессе создания конструкций, содержащих сотовые панели, является раскрой этого материала для выполнения конкретных требований по размерам и толщине. Однако механическая обработка представляет собой непростую задачу из-за сложного строения сот. Применение традиционных технологий может приводить к смятию структуры, формированию рваных краев у изделий.

Одной из перспективных технологий, эффективно решающих проблемы раскроя сотовых панелей, является ультразвуковая (УЗ) резка. Ультразвук в зоне контакта с материалом значительно снижает трение, что способствует формированию качественного реза. При этом проектирование инструментов для УЗ резки является достаточно сложной задачей. Это связано с геометрическими особенностями инструментов – они должны иметь сложную треугольную или дисковую форму, особую заточку и т.д., при этом сохранять свойства ультразвукового резонатора. Поэтому необходимо создавать методы, позволяющие определять оптимальные параметры при проектировании эффективных инструментов для УЗ резки.

«Задачей данного исследования являлась разработка математического описания для проектирования ультразвуковых режущих инструментов. Для ее решения было изучено, как вариации элементов геометрии ножей влияют на их резонансные свойства. Были рассмотрены ультразвуковые инструменты с рабочей частотой около 20 кГц различной конструкции, позволяющие осуществлять раскрой сотовых панелей из алюминия и арамида в перпендикулярном и параллельном направлении. В результате была получена информация о влиянии особенностей геометрии специализированных ультразвуковых инструментов треугольной и дисковой формы на волновые размеры», – рассказала доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники (ЭУТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алена Александровна Вьюгинова.

Особенности геометрии ультразвукового инструмента играют критически важную роль для его рабочей частоты и моды колебаний. Поэтому исследователи сначала рассмотрели различные варианты геометрии ультразвуковых ножей с помощью численного метода, который позволяет учитывать сложные элементы конструкций. Расчеты были проведены в том числе для изучения влияния относительной длины режущего края и относительного диаметра режущего края на собственную частоту инструмента.

В результате был получен обширный набор данных, на основе которого были построены графики соответствующих зависимостей волновых размеров. Для экспериментального подтверждения корректности полученных результатов было изготовлено несколько образцов ультразвуковых ножей: три треугольных и два дисковых. Полученные данные полностью подтвердили результаты моделирования.

«Разработанное нами математическое описание позволяет значительно сократить время проектирования ультразвуковых режущих инструментов данного типа. В результате проведенных работ по заказу коммерческого предприятия, использующего сотовые панели в технологическом процессе, был создан набор ультразвуковых ножей различной геометрии, который в данный момент находится в эксплуатации. Одним из результатов данного подхода к разработке стал уникальный дисковый ультразвуковой нож, не требующий вращения при работе. В дальнейшем мы готовы поставлять такие ультразвуковые системы всем заинтересованным организациям, например, российским компаниям, занимающимся производством деталей для авиационной, космической, автомобильной отрасли, и любым другим предприятиям, которым необходимо осуществлять раскрой сотовых материалов», – подчеркнула Алена Александровна Вьюгинова.

Результаты исследования представлены в научном журнале Acoustical Physics.