Москва, г. Москва и Московская область, Россия
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.
пластичность, ползучесть, работа внешних и внутренних сил, прессовое давление, время выдержки и релаксации
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.
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.
