Abstract and keywords
Abstract (English):
A technological system and proportions for the technology computation of shell pressure joint are offered. A method of work balance is used. The equations of material state under conditions of the plasticity and short-term creep are adopted. The results of computation and technological works are given.

Keywords:
plasticity, creep, work of internal external forces, press pressure, time of delay and relaxation
Text
Publication text (PDF): Read Download

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.

 

References

1. Chudin, V.N. Science intensive technology of sheet steel connection by pressure // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. - 2017. - No. 3(69). - pp. 45-47.

2. Isothermal Deformation of High Strength Anisotropic Materials / Yakovlev, S.P., Chudin, V.N. et al. - M.: mechani-cal Engineering, 2003. - pp. 427.

3. Theory of Metal Pressure Forming: college textbook / V.A. Golenkov, S.P. Yakovlev, S.A. Golovin, S.S. Yakovlev, V.D. Kukhar; under the editorship of V.A. Golenkov, S.P. Yakovlev. - M.: Mechanical Engineering, 2009. - pp. 442.

4. Rabotnov, Yu.N. Mechanics of Deformable Solid. - M.: Science, 1979. - pp. 744.

Login or Create
* Forgot password?