SOME TOOLS AND WAYS OF CONNECTING THE MATING PARTS OF AEROSPACE PRODUCTS

Full Text

Введение. Практически все изделия различных отраслей промышленного производства состоят из комплектующих деталей, часть из которых соединяется в узлы и механизмы с помощью различных способов и средств. При этом такие соединения могут выполняться как в подвижном, так и в неподвижном вариантах, которые, в свою очередь, могут быть выполнены как разъемными, так и неразъемными, а применяемые для этого способы и технологии выбираются в зависимости от технических возможностей обеспечения безопасности собираемого изделия в эксплуатации, стоимости и целого ряда других показателей [1]. В то же время авторы работ [2; 3] показали, что в ряде случаев выгоднее собрать узел/ механизм или само изделие именно из соединяемых с помощью крепежа комплектующих деталей, чем изготовлять его из «цельного» материала (monolithic bulk material). При изготовлении сложных изделий, относящихся, например, к авиационной технике [4], для обеспечения точности и надежности сборки применяется широкий диапазон технологий соединения деталей, особенно из разнородных материалов, включая холодную сварку (cold welding [5]) - выполняется без нагрева соединяемых деталей, плотное соединение происходит в результате их сжатия до появления пластических деформаций; сварку трением с перемешиванием (friction stir welding [6]); окантовывание с помощью штампа (mechanical clinching [7]), клепальную технологию (self-pierce riveting [8]) и др. Сварное неразъемное соединение. Соединение металлических деталей сваркой широко применяется при изготовлении летательных аппаратов [9]. Физическая сущность сварки металлоизделий заключается в получении неразъемного соединения путем расплавления и совместной кристаллизации материала двух соединяемых деталей. Однако при этом их геометрия и структура в области сваривания нарушаются. В отличие от традиционных способов сварки, при применении которых структура в зоне сварочного шва, как правило, укрупняется (рис. 1), что приводит к уменьшению механических свойств изделия в области сварочного шва, разработана технология сварки, при применении которой структура шва, напротив, измельчается, а материал в этой области упрочняется. а б в Рис. 1. Типичная схема строения сварного шва при соединении сваркой компонентов металлоизделия (а) и зоны влияния (б) нагрева металла при сварке металла (в), структура основного металла (реконструкция рис. 1.2. Схема строения сварного шва из [10]) Это стало возможным в результате применения для сварки электродов, содержащих в своем объеме нанопорошки (НП) тугоплавких химических соединений (оксиды, бориды, нитриды, карбонитриды и др.), получаемые методом плазмохимического синтеза, взрывным и электровзрывным способами, механоактивацией и другими методами. Такие электроды изготовляли в виде проволоки диаметром от 5,0 до 9,5 мм путем прессования композиции, состоящей из частиц алюминия (гранулы, крупка, проволочная сечка), и частиц НП [11]. Вследствие малых размеров (до 10-9 м или 100 нм) [12] частицы НП могут служить гетерогенными (от греч. heterоs - другой и genos - происхождение; буквально - чужеродный; в данном аспекте - специально вводимыми добавками) центрами кристаллизации [13], которые и определяют высокую степень измельчения структуры шва [14], что и приводит к росту механических свойств изделий, при изготовлении которых они применяются [15; 16]. В работе [17] описано применение такого электрода при изготовлении сваркой конструкции из листов алюминиевого деформируемого сплава АМг6. Аналогичная технология используется, например, при сварке корпусов ракет [9; 18]. Следует отметить, что при сварке с использованием присадочной проволоки, изготовленной из этого же сплава (АМг6), не всегда обеспечивалась требуемая прочность сварного соединения. Как показало металлографическое исследование, причиной этого оказался тот факт, что металл сварного шва отличался от металла листа более крупным зерном a-твердого раствора и более крупными выделениями b-фазы (Al3Mg2) по их границам. При сварке объемной конструкции из листа сплава АМг6 толщиной 3 мм применяли электрод диаметром 8 мм, содержащий порядка 2,0 % НП нитрида бора BN или гексаборида лантана LaB6, или карбонитрида титана TiCN. Сварку производили с помощью автоматической установки в среде аргона по слою флюса АН-АЧ. Фрагмент сварки листов АМг6 приведен на рис. 2. а б Рис. 2. Фрагменты сварки листов из сплава АМг6 толщиной 5,0 мм (а), 8,0 мм (б) электродом, содержащим нанопорошок карбонитрида титана TiCN Качество шва по требованиям приемочной документации оценивали по величине временного сопротивления разрушению sв при испытании вырезанных из сваренной конструкции плоских образцов с размерами 15×50 мм. Результаты испытаний показали, что sв металла в области шва при сварке прутком, содержащим НП BN, составляет 333 МПа, НП LaB6 - 338 МПа и НП TiCN - 345 МПа. Эти значения оказались соответственно выше на 4,1, 5,6 и 7,8 %, чем имеют образцы из сплава АМг6 (320 МПа), сваренные по стандартной технологии электродом из этого же сплава. Выполненное в ЦЗЛ предприятия изучение микроструктуры сварного шва показало, что в его объеме никаких дефектов не обнаружено. При этом зерно в основном материале вытянутое вдоль прокатки листа, а его размеры лежат в интервале ~0,3…0,4 мм. Зерно в сварном шве - мелкое равноосное, его размеры составляют ~0,01…0,03 мм - в среднем меньше, чем в основном металле в 17,5 раза. Интерметаллидные фазы оказались в раздробленном состоянии. Можно полагать, что рост sв связан не только с измельчением структуры шва и с измельчением интерметаллидов, но и с дисперсионным упрочнением a-твердого раствора сплава тонкодисперсными частицами НП. Микротвердость основного металла и сварного шва одного уровня - 76,4…78,7 HВ (среднее - 77,55 HВ или 73,5 НВ), т. е. при сварке разупрочнение не происходит. Разработанный способ упрочнения сварочного шва можно считать более эффективным, чем разработанный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН [19], при котором сварку разнородных металлов (Al-Ti, Ti-сталь) проводили с помощью непрерывного СО2-лазерного излучения с применением модифицирующих инокуляторов в виде порошков нитрида титана TiN и оксида иттрия Y2O3 (размер частиц - до 20 мкм), частицы которых плакировали хромом. Предварительно приготовленная суспензия, содержащая эти порошки, наносилась на поверхность свариваемых пластин толщиной 1-2 мм. В результате применения этого способа структурные составляющие сварного шва измельчаются в 2-4 раза, а вместо игольчато-дендритной формируется дисперсная равноосная структура, выравниваются механические характеристики, уменьшаются размер шва и зона термического влияния, и, соответственно, повышаются механические свойства: временное сопротивление разрушению sв - в 1,23-1,35 раза, предел текучести s0,2 - в 1,8-2,0 раза и относительное удлинение d - в 2,0-4,9 раза. По-видимому, меньший эффект повышения механических свойств, чем в случае сварки электродом, содержащим нанопорошки (размер части - нанометры) [17], связан со значительно большими размерами частиц (микроны) применяемых порошков. Следует при этом отметить, что еще и технологическим недостатком этого способа сварки является необходимость применения суспензии вследствие того, что, во-первых, для ее закрепления на свариваемых участках необходимо производить подсушку, и, во-вторых, не представляется возможным ее закрепление на поверхностях, лежащих в трех измерениях. Эти недостатки отсутствуют при сварке электродами, содержащими НП. Сварка электродом, содержащим НП карбонитрида титана TiCN, была успешно применена для заварки трещины в ступице массивного винта станции газоочистки цеха технологических котлов целлюлозно-бумажного комбината. Заварку производили в среде аргона. Было установлено, что в металле шва и в околошовной зоне трещины отсутствовали, тогда как при наплавке принятой по технологии алюминиевой проволокой этот дефект зачастую присутствует. Паяное неразъемное соединение. Пайка - это процесс получения неразъемного соединения металлических материалов и деталей из них расплавленным припоем. В промышленности применяется достаточно большое количество способов соединения деталей пайкой, которая представляет собой процесс получения неразъемного соединения материалов без их расплавления. При этом сопрягаемые детали нагреваются ниже их температур плавления, а материал припоя расплавляется, заполняет зазор между деталями и кристаллизуется с образованием прочного соединения [20]. Пайка является практически единственным способом получения надежного соединения между деталями из таких материалов, которые не могут быть нагреты до высокой температуры либо обладают резко отличающимися температурами плавления (например, соединения алюминиевых сплавов со сталью, медных сплавов с титановыми) и коэффициентами термического расширения. Пайка имеет как общие черты со сваркой, так и отличия, и главное - это то, что во время процесса пайки сама деталь не плавится, а плавится только припой. При пайке не происходит деформация изделия, что характерно для сварных конструкций. Пайка при низких температурах позволяет уберечь структуру металла и сохранить его свойства. Паяные швы являются более надежными, например, в авиастроении и при создании космической техники [21]. Паяные стыки могут быть в 4-20 раз надежнее сварных. В настоящей работе описывается применение пайки для сборки узла изделия путем соединения заготовок, представляющих собой оболочки типа конусных тел вращения, между которыми после пайки сохранялась полость, и одна из которых была изготовлена из медного сплава, другая - из мартенситно-стареющей стали (МСС). Известны подобные конструкции, в которых внутренняя и наружная оболочки соединяются между собой пайкой по ребрам, выполненным на внутренней оболочке (рис. 3) [22]. Рис. 3. Фрагмент паяного узла изделия: 1 - наружная оболочка; 2 - внутренняя оболочка В описываемом в настоящей работе случае сложность соединения оболочек в изделие усложнялась существенным отличием их коэффициентов линейного термического расширения - величиной, характеризующей относительную величину изменения линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К (или 1 ºC) при постоянном давлении (КЛТР: aDТ = DL/Lo, где Lo - первоначальная длина тела; DL - прирост длины тела при нагреве; aDТ - коэффициент линейного температурного расширения), что могло привести к нарушению геометрии конструкции при пайке, а в условиях эксплуатации - к ее разрушению. В связи с этим была выполнена работа по согласованию КЛТР этих двух материалов. В качестве способа изменения КЛТР была выбрана термообработка одного из сопрягаемых материалов - листа из МСС [23; 24], в результате чего были установлены режимы температурной и термоциклической обработки МСС в области 550…800 ºC, позволившие получить минимальные изменения КЛТР при пайке и тем самым гарантировать соединение от возможности разрушения. В качестве припоя, по аналогии с описанным в работе [21], применяли ленточный припой ПМ-174. Неразъемное соединение с натягом. Среди сборочных технологий наибольшее распространение получили соединения сопрягаемых деталей способом горячей посадки, при которой перед выполнением этой операции одна из сопрягаемых деталей нагревается или охлаждается, при этом другая, напротив, охлаждается или нагревается. Возможен также вариант, когда только одна из этих деталей подвергается термическому воздействию [25]; в результате пластической деформации их размеры изменяются, что позволяет установить одну из деталей в другую или на другой, а при возвращении температур деталей к исходным температурам зазор устраняется, обеспечивая плотное соединение деталей (по ЕСКД - посадка с натягом). Соединения с натягом широко применяются в различных машинах и механизмах, когда требуется передача значительных осевых сил, крутящих моментов или нагрузок. Прочность и неподвижность этих соединений обеспечиваются силами трения, которые зависят от давления между сопрягаемыми деталями, определяемого величиной натяга. Физическая сущность соединения с натягом, собираемого термическим методом, заключается в том, что сборка осуществляется сопряжением деталей, между которыми за счет разницы температур составных частей обеспечивается монтажный зазор, исчезающий при выравнивании их температур [26]. Основываясь на изменении описанного выше КЛТР, при изменении температуры детали была применена «термическая» технология механического соединения с натягом при установке стальных кольцевых седел клапанов (рис. 4) в головки цилиндра авиационного поршневого двигателя (рис. 5), отливаемых из алюминиево-кремниевого сплава АКМ5. Термическая обработка седла заключалась в охлаждении в жидком азоте (температура минус 196 ºC или 77 К), где его размеры уменьшаются, после чего его устанавливают в посадочное место головки цилиндра, и в результате возврата температуры седла к исходной температуре его размеры восстанавливаются, в результате чего и формируется неразъемное соединение. Выпускной клапан 6CT-ShiyanHuapengDongfengIndustry&TradeCo., Ltd.Выпускной клапан 6CT-ShiyanHuapengDongfengIndustry&TradeCo., Ltd. а б Рис. 4. Седло клапана (а) и клапан впуска головки цилиндра (б) Базируясь на физике процессов, имеющих место при горячей посадке, в работе [28] представлена с определенными допущениями математическая модель этого процесса с учетом того, что при этом развитие пластического течения металла с накоплением необратимых деформаций и его последующее торможение при разгрузке и остывании существенно сказываются на формировании поля остаточных напряжений, которое задает величину конечного натяга. При этом были разработаны модели термоупругого деформирования, а также разгрузки и остывания соединения. а б Рис. 5. Головка цилиндра авиационного поршневого двигателя воздушного охлаждения (а); разрез головки цилиндра (б): 2 - головка цилиндра; 3 - клапан впуска; 4 - клапан выпуска. Головки клапанов впуска и выпуска находятся в положении плотного контакта с кольцевыми седлами клапанов [27] Соединение при помощи шпилек. Шпильки представляют собой цилиндрические резьбовые изделия, которые одним концом вворачиваются в корпус собираемой сборочной единицы, затем на них помещается крышка, которая закрепляется гайками (рис. 6) Соединение деталей болтами, винтами и шпильками Скачать чертежи, схемы, рисунки, модели, техдокументацию AllDrawings.ru Деталь - такая часть машины, которую изготавливают без сборочных операций, Банк Рефератов Деталь - такая часть машины, которую изготавливают без сборочных операций, Банк Рефератов а б Рис. 6. Резьбовое соединение (а) при помощи шпильки (б) Проиллюстрировать такое соединение можно на конструкции турбонасосного агрегата (рис. 7). Штифтовое соединение. Важнейшим условием применения космических аппаратов (КА), на которых используются ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [30], является обеспечение радиационной безопасности [31]. В общем случае, транспортировке с завода-изготовителя на космический полигон предшествует хранение КА ЯЭУ в заводских условиях, для чего применяется транспортировочный контейнер. В технической литературе представлено большое количество конструкций таких контейнеров, и работы в этом направлении продолжаются. Важное значение конструкции контейнера придается, например, в описании к патенту США № 5438597 [32], изложенному на 18 страницах, включая 10 рисунков, в котором в качестве прототипов рассмотрено 25 патентов США и 2 - Японии. Основываясь на анализе патентной и технической литературы, была разработана новая оригинальная конструкция контейнера [33], схема которой представлена на рис. 8. Упоминание этой конструкции в настоящей работе связано с тем, что ее сборка осуществлялась с применением штифтов, точнее - с помощью штифтов цилиндрических пружинных с прорезью (рис. 9), которые перед введением в отверстие корпуса сжимались, затем вставлялись в это отверстие, где они распрямлялись, жестко фиксируя крышку на корпусе контейнера. Рис. 7. Корпус ТНА: на фланце 1 корпуса насоса окислителя видны отверстия под вворачивание резьбовых шпилек, а на фланце 3 - ввернутые шпильки [29] Рис. 8. Транспортировочный контейнер: 1 - ядерная энергетическая установка; 2 - термосифон; 3 - вентилятор; 4 - металлорезиновый амортизатор; 5 - датчик температуры; 6 - система управления температурным режимом; 7 - система поддержания давления азота; 8 - датчик давления; 9 - газовод, 10 - электронагреватель; 11 - электроэнергетическая установка; 12 - холодильная установка Рис. 9. Штифт полый разрезной Следует отметить, что важнейшим элементом конструкции контейнера является металлорезиновый амортизатор 4, который представляет собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину. Его назначение заключается в уменьшении амплитуды вибраций в широком диапазоне частот за счет трения на поверхностях спирали, что предотвращает контейнер от повреждений при транспортировке. Фиксирование амортизатора в корпусе контейнера также осуществляли с помощью цилиндрических пружинных штифтов с прорезью. С целью повышения прочностных характеристик амортизатора в резину предварительно вводили НП углерода, который получали из природного скрытокристаллического графита по технологии [34], разработанной в Ноттингемском университете (Великобритания) [35]. Штифты применяются также для фиксирования «стенок» лопаток (рис. 10) спрямляющего аппарата вентилятора турбовентиляторного трёхвального авиационного газотурбинного двигателя Д-18Т производства АО «МОТОР СИЧ» (устанавливается на транспортные самолеты Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия»), пространство между которыми заполнено полимерным наполнителем [36]. 2 3 4 Рис. 10. Разрез по хвостовику лопатки спрямляющего аппарата вентилятора авиационного газотурбинного двигателя Д-18Т: 2 - углепластиковое перо лопатки; 3 - нижняя полка; 4 - полимерный заполнитель; 5 - штифт [36] 5 Соединение с помощью заклепок. Надежным и наиболее распространенным в настоящее время является способ неразъемного соединения листовых элементов конструкции самолета клепкой. Применение клепки обосновано ее преимуществом перед другими соединениями в технологическом, прочностном и экономическом отношениях и, главным образом, степенью освоения и оснащенностью технологических процессов. Очевидно, по этим причинам в современных конструкциях летательных аппаратов до 75-90 % соединений листовых деталей планера самолета и фюзеляжа вертолета выполняются с помощью заклепок [37]. Заклепка представляет собой круглый стержень, имеющий закладную головку на одном конце и формируемую в процессе клепки замыкающую головку на другом его конце (рис. 11). В результате применения клепки детали сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Заклепка работает на срез и смятие, иногда - на отрыв головки. В работе [38] описано применение заклепочных соединений при изготовлении узла ЛА из листов, изготовленных из сплава Д16 толщиной 6 мм, соединяемых встык накладками с применением заклепок из стали 30ХГСА. Соединение выполняли с нормированным гарантированным осевым натягом по штатной заводской технологии. Исследование проводили на образцах, вырезанных из конструкции узла. Испытания образцов на разрыв производили на гидроимпульсаторе. В результате изучения влияния длительности срока хранения (131500 часов при температуре лаборатории) с последующей термоэкспозицией (840 часов при +120 ºС) на остаточную усталостную долговечность соединения, было установлено, что нарушений целостности соединяемых листов и заклепок не обнаружено. Вопрос знатокам авиации (технологии изготовления самолетов) а б Рис. 11. Заклепочное соединение внахлестку: установка заклепки в отверстия соединяемых листов (а); выполненная операция соединения листов заклепкой (б) Заключение. В работе описан целый ряд соединений, которые применяются в аэрокосмической технике для соединения деталей, обеспечивающих надежность эксплуатации летательных аппаратов.

About the authors

G. G. Krushenko

Institute of Computational Modeling SB RAS

50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

I. V. Kukushkin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: ivan246890@yandex.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files