СОЕДИНЕНИЕ КОРПУСНЫХ ОБЕЧАЕК ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Предложены технологическая схема и соотношения для расчета технологии соединения давлением обечаек. Использован метод баланса работ. Приняты уравнения состояний материала в условиях пластичности и кратковременной ползучести. Даны результаты расчетных и технологических работ.

Ключевые слова:
пластичность, ползучесть, работа внешних и внутренних сил, прессовое давление, время выдержки и релаксации
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Ряд корпусных узлов летательных аппаратов (обтекатели, топливные емкости, клапаны и др.) изготавливают из обечаек и входящих элементов, которые соединяют неразъемно сваркой плавлением. Сварка плавлением понижает прочность конструкций и не всегда обеспечивает требуемую герметичность соединения. В этой связи перспективны процессы соединения давлением [1]. Процессы реализуют на гидропрессовом оборудовании с нагревом зоны соединения до 0,4…0,6 температуры плавления материалов.

Соединение происходит на диффузионном уровне без плавления зерен материалов, т.е. в твердой фазе. Режимы технологии зависят от температурно-скоростных условий процесса. Этот фактор связан с проявлением вязких свойств (ползучести) нагретого материала, находящегося под внешним давлением [2]. Технология сварки давлением состоит из сборки входящих деталей, осадки, выдержки во времени под давлением, разгрузки. Расчетно-технологическая схема соединения  по торцам двух оболочек показана на рис. 1.

Рис. 1

Рассмотрим процесс поэтапно.

Локальная осадка. Осадка сборки в зоне сварки производится давлением гидропресса на величину рабочего хода . Рассчитаем деформационные и силовые параметры осадки. Используем метод работ в соответствии с энергетическим уравнением равновесия [3]:

.                                       (1)

Здесь ,  ‒ работа внешних и внутренних сил соответственно;  ‒ давление осадки;  ‒ интенсивности напряжений и деформаций;  ‒ величина осадки;  ‒ площадь приложения давления;  ‒ объем зоны деформаций.                                                                                                                  Состояние деформируемого материала при кратковременной осадке является жестко- пластическим, что определяется уравнением                                                                                                                                

,                                                         (2)

где  ‒ константы упрочнения материала.

Схему деформаций считаем плоской, т.е.

,

,                                                 (3)

где ,  ‒ радиальная деформация и деформация по высоте;  ‒ текущий радиус точки в зоне осадки; ,  ‒ внутренний и внешний радиусы заготовки.

В соответствии с уравнением (2) и выражением (3) имеем

.                                                 (4)

Работа внешних сил определяется как

,                                                 (5)

где  ‒ внешний радиус зоны  деформаций после осадки; ;  ‒ высота зоны деформаций до и после осадки.

Работу внутренних сил представим в соответствии с уравнением (3) с учетом выражения (4) соотношением

.   (6)

Здесь

.

Давление осадки получим в соответствии с уравнением (1) при подстановке выражений (5), (6) в следующем виде:

.                                 (7)

Выдержка под давлением. На следующем этапе технология предусматривает выдержку заготовок под давлением. Давление осадки может быть уменьшено при  увеличении длительности выдержки. На данном этапе интенсивность напряжений постоянна и  определяется выражением (4).  Развиваются деформации ползучести. Состояние материала при этом определяется как кратковременная ползучесть при полученной пластической деформации осадки (3):

.                                   (8)

Здесь  ‒ интенсивности накопленных конечных деформаций и их скоростей;  ‒ интенсивность пластических деформаций (3);  ‒ интенсивность скоростей деформаций ползучести;  ‒ время.

Так как на данном этапе

; , то

то из уравнения (8) следует, что

,                                   (9)

где

 -                               (10)

 

‒ интенсивность деформаций ползучести;  ‒ конечная высота зоны деформации после выдержки; ,  ‒ константы ползучести материала.

Ползучесть материала происходит при ходе    и накладывается на пластическую деформацию в зоне осадки. Длительность этапа ползучести определяется по уравнению (9) при подстановке выражения (10), т.е.

.                                       (11)

Релаксация напряжений. После окончания времени выдержки (11) давление на заготовки снимают. При этом, следовательно,

;

и уравнение (8) получает вид

.                                          (12)

Происходит релаксация напряжений. В уравнение (12) внесем производную по времени уравнения (2). С учетом уравнения (9) после интегрирования получим время релаксации напряжений:

 .                            (13)

 

Таким образом, процесс заканчивается при конечной осадке:

и полностью снятом напряжении.

Готовое изделие охлаждается и извлекается из оснастки.

Технологические данные. Расчеты выполнены применительно к соединению давлением двух обечаек из алюминиевого сплава АМг6 при температуре 500 °С и полусфер из титанового сплава ВТ14 при 900 °С. Размеры заготовок:  мм;  мм; высоты зоны деформаций:  мм;  мм;  мм. Рабочий ход при осадке = 2,0 мм; при ползучести =1,0 мм. Константы уравнений приняты по данным работы [2].

Процесс состоит из следующих операций:

‒ подготовка заготовок (травление, меднение и др.) и сборка составных элементов изделия;

‒ вакуумирование и нагрев сборки в оснастке;

‒ локальная осадка;

‒ выдержка под давлением;

‒ разгрузка в закрытой оснастке;

‒ охлаждение и съем изделия;

‒ контроль качества.

Технологические работы проводили на гидропрессе мод. ДБ2432. Зону сварки нагревали кольцевым индуктором ТВЧ. Параметры технологии по этапам процесса приведены в табл. 1.

Табл. 1

Качество сварки по прочности и герметичности соответствовало требованиям эксплуатации. Образцы корпусных изделий представлены на рис. 2.

Рис. 2

                         

Вывод

Соединение обечаек давлением в твердой фазе эффективно для изготовления корпусов изделий ответственного назначения. Технология процесса проводится поэтапно: осадка, выдержка под давлением, разгрузка. При этом должны быть обеспечены режимы процесса по деформации, давлению, времени.

 

Список литературы

1. Чудин, В.Н. Наукоемкая технология соединения давлением листовых деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. ‒ 2017. ‒ №3(69). ‒ С. 45-47.

2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / Яковлев, С.П., Чудин, В.Н. и др. ‒ М.: Машиностроение, 2003. ‒ 427с.

3. Теория обработки металлов давлением: Учебник для вузов / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. ‒ М.: Машиностроение, 2009. ‒ 442 с.

4. Работнов, Ю.Н. Механика деформируемого твердо-го тела. ‒ М.: Наука, 1979. ‒ 744 с.