способ клепки

Формула изобретения

Способ клепки преимущественно пакетов, содержащих детали из волокнистых композиционных материалов, заключающийся в получении в деталях пакета соосных отверстий разного диаметра, установке в отверстии одной из деталей пакета крепежного элемента с последующей его фиксацией, сборке пакета и образовании замыкающей головки путем осевого пластического деформирования выступающей из пакета части стержня крепежного элемента, отличающийся тем, что при клепке смешанных пакетов, одна из деталей которых выполнена из металла, отверстие в последней выполняют диаметром, меньшим диаметра отверстия в детали из волокнистого композиционного материала, перед получением отверстий детали собирают в пакет, который затем разбирают, после чего на части толщины металлической детали формируют упрочненный слой путем осевого пластического сжатия материала детали по периметру отверстия с образованием при этом соосного отверстию углубления на поверхности детали, затем в отверстии детали из металла выполняют резьбу, в качестве крепежного элемента используют стержень с глухой полостью на одном конце и резьбой на другом, который резьбовым концом ввинчивают в резьбовое отверстие детали, фиксацию крепежного элемента производят осевым перемещением упрочненного слоя, а перед сборкой пакета на стержне крепежного элемента размещают втулку с фланцем, длина которой превышает суммарную высоту углубления в детали из металла и отверстия в детали из волокнистого композиционного материала, а диаметры наружной поверхности и фланца равны соответственно диаметру отверстия в детали из волокнистого композиционного материала и диаметру углубления, в котором размещают фланец втулки, при этом последнюю выполняют с пазами, расположенными на фланце и противоположном ему торце и смещенными друг относительно друга в осевом направлении, а в процессе деформирования выступающей из пакета части стержня крепежного элемента производят деформирование выступающей части втулки с обеспечением затекания волокнистого композиционного материала в ее пазы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области клепально-сборочных работ и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства при производстве заклепочных соединений в условиях одностороннего подхода на смешанных пакетах, содержащих детали из волокнистых композиционных материалов.

Улучшение тактико-технических характеристик летательных аппаратов невозможно без применения новых материалов и прежде всего волокнистых композиционных материалов на металлической основе. При этом, как известно, наиболее эффективной областью их применения является местное упрочнение конструкций высокопрочными и высокомодульными накладками, что существенно увеличивает жесткость конструкции, обеспечивая последней требуемую размерную стабильность. Однако для элементов конструкций, например всевозможных балок сплошного сечения, усиление вышеназванными накладками проблематично из-за отсутствия надежных способов клепки и необходимости выполнения соединений в условиях одностороннего подхода.

Известен способ клепки смешанных пакетов, содержащих детали из волокнистых композиционных материалов, при котором в детали из металла выполняют сквозное отверстие, производят его раздачу путем запрессовки цилиндрического стержня диаметром, превышающим диаметр отверстия, собирают пакет и, используя в качестве крепежного элемента стержень, осуществляют его постановку в пакет в процессе пробивки отверстия в детали из волокнистого композиционного материала с одновременной выпрессовкой цилиндрического стержня из отверстия детали из металла, после чего производят клепку путем пластического деформирования выступающей из пакетов части стержня (1).

Известный способ клепки эффективен для конструкций с относительно малыми толщинами деталей. Вместе с тем известный способ клепки не позволяет управлять напряженно-деформированным состоянием по периметру отверстия в детали из волокнистого композиционного материала, что не приводит к значительному снижению концентрации напряжения в этой детали.

Известен способ клепки, преимущественно пакетов, содержащих детали из волокнистых композиционных материалов, заключающийся в получении в деталях пакета соосных отверстий разного диаметра, установке в отверстии одной из деталей пакета крепежного элемента с последующей его фиксацией, сборке пакета и образовании замыкающей головки путем осевого пластического деформирования выступающей из пакета части стержня крепежного элемента (2).

Известный способ позволяет образовывать высококачественные потайные силовые точки на тонколистовых пакетах при наличии двустороннего подхода к конструкции. Следует подчеркнуть, что данный способ клепки не предусматривает технологических мер, направленных на снижение концентрации напряжений по периметру отверстия в детали из волокнистого композиционного материала.

В основу настоящего изобретения положена задача образования высокопрочных силовых точек на смешанных пакетах, содержащих детали из волокнистого композиционного материала, при условии одностороннего подхода.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе клепки, преимущественно пакетов, содержащих детали из волокнистых композиционных материалов, заключающемся в получении в деталях пакета соосных отверстий разного диаметра, установке в отверстии одной из деталей пакета крепежного элемента с последующей его фиксацией, сборке пакета и образовании замыкающей головки путем осевого пластического деформирования выступающей из пакета части стержня крепежного элемента, при клепке смешанных пакетов, одна из деталей которого выполнена из металла, отверстие в последней выполняют диаметром, меньшим диаметра отверстия в детали из волокнистого композиционного материала, перед получением отверстий детали собирают в пакет, который затем разбирают, после чего на части толщины металлической детали формируют упрочненный слой путем осевого пластического сжатия материала детали по периметру отверстия с образованием при этом соосного отверстию углубления на поверхности детали, затем в отверстии детали из металла выполняют резьбу, в качестве крепежного элемента используют стержень с глухой полостью на одном конце и резьбой на другом, который резьбовым концом ввинчивают в резьбовое отверстие детали, фиксацию крепежного элемента производят осевым перемещением упрочненного слоя, а перед сборкой пакета на стержне крепежного элемента размещают втулку с фланцем, длина которой превышает суммарную высоту углубления в детали из металла и отверстия в детали из волокнистого композиционного материала, а диаметры наружной поверхности и фланца равны соответственно диаметру отверстия в детали из волокнистого композиционного материала и диаметру углубления, в котором размещают фланец втулки, при этом последнюю выполняют с пазами, расположенными на фланце и противоположном ему торце и смещенными друг относительно друга в осевом направлении, а в процессе деформирования выступающей из пакета части стержня крепежного элемента производят деформирование выступающей части втулки с обеспечением затекания волокнистого композиционного материала в ее пазы.

В данном техническом решении предусматривается возможность регулирования с учетом анизотропии свойств, напряженно-деформированного состояния по периметру отверстия в детали из волокнистого композиционного материала. Последнее позволяет уменьшить уровень концентрации напряжений.

Реализация высоких упругих и прочностных характеристик металлокомпозитов в конструкции возможна только при условии совместной деформации деталей, составляющих пакет, через крепежные элементы, другими словами, только при взаимной фиксации деталей пакета возможен ожидаемый прирост прочности и жесткости конструкции в целом.

Способ предусматривает взаимное фиксирование крепежного элемента и одной из деталей пакета через резьбовое соединение. А в процессе клепки в детали из волокнистого композиционного материала по периметру отверстия создают требуемое поле предварительных напряжений, что с учетом анизотропии свойств позволяет существенно снизить концентрацию напряжений. Последнее и обуславливает повышение прочностных характеристик силовых точек, полученных в условиях одностороннего подхода.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показано глухое ступенчатое отверстие в смешанном пакете, содержащем деталь из волокнистого композиционного материала, на фиг. 2 исходное положение штамповой оснастки перед формированием упрочненного слоя в детали из традиционного материала, на фиг. 3 стадия окончания процесса формирования упрочненного слоя, на фиг. 4 исходное положение штамповой оснастки перед образованием отверстия в упрочненном слое, на фиг. 5 ступенчатое отверстие в детали из традиционного материала после нарезания резьбы, на фиг. 6 - фиксирование крепежного элемента в детали из металла перемещением упрочненного слоя, на фиг. 7 собранный пакет с размещенной втулкой с фланцем на стержне и углубление детали из металла перед клепкой, на фиг. 8, 9, 10 втулка с фланцем (вид сверху и два сечения), на фиг. 11 заклепочное соединение, выполненное в условиях одностороннего подхода, на фиг. 12 фрагмент развертки деформированного волокнистого композиционного материала по периметру отверстия.

Способ осуществляют следующим образом.

В детали 1 пакета толщиной "h", например, из бороалюминия методом гидродинамической пробивки выполняют отверстие диаметром "d". Далее производят сборку детали 1 и детали 2, например, из сплава МА2-1, и через отверстие в детали 1 с использованием втулки, устанавливаемой в отверстие детали 1, выполняют отверстие диаметром "d₁" и глубиной "h₁" в детали 2. (фиг. 1). Затем пакет разбирают и в отверстие детали 2 устанавливают ступенчатый пуансон 3. Причем его рабочий торец отстоит от поверхности детали 2 на расстояние "h₂". На меньшую ступень пуансона 3 устанавливают втулочный пуансон 4 с внешним диаметром "d₂", превышающим диаметр "d", т.е. d₂> d.. Деталь 2 фиксируют прижимом 5 с усилием Р_приж., для чего в прижиме 5 выполнено сквозное отверстие по посадке движения по отношению к диаметру пуансона 4 (фиг. 2).

При воздействии импульсным усилием P на пуансон 4 имеет место сжатие материала детали 2. В силу замкнутости деформируемого объема вызывается течение материала детали 2 в направлении оси отверстия. При этом на заключительной стадии процесса выдавливания обрабатываемого материала формируется поверхность сдвига (показана пунктиром) (фиг. 3). Таким образом, в детали 2 формируют упрочненный слой диаметром "d₂". Для образования отверстия в упрочненном слое производят замену пуансона 4 на пуансон 5, имеющий отверстие, между поверхностью которого и с боковой поверхностью большей ступени пуансона 3 имеется зазор (фиг. 4). Фиксируя пуансон 6 сжимающим усилием. Р_приж. на детали 2, прикладывают усилие P к пуансону 3, что и обеспечивает процесс пробивки отверстия в упрочненном слое. После чего с помощью режущего инструмента осуществляют нарезку резьбы в детали 2 (фиг. 5).

Затем, используя крепежный элемент в виде стержня 7 с резьбой на одном конце и глухой полостью на противоположном, производят вворачивание последнего в резьбовое отверстие детали 2. Далее фиксируют крепежный элемент 7 в детали 2 посредством перемещения усилием P упрочненного слоя относительно крепежного элемента 7 (фиг. 6). Таким образом, обеспечивают жесткое фиксирование крепежного элемента 7 в резьбовом отверстии детали 2.

На последующей стадии процесса образования силовой точки на стержень 7 устанавливают втулку 8 с фланцем (фиг. 7). Причем толщина фланца несколько превышает глубину углубления в детали 2, что позволяет при сжатии втулки 8 по поверхности фланца достигать плотного контакта по его периметру с деталью 2. Диаметр стержня втулки 8 равен диаметру "d" в детали 1. Втулка 8 (фиг. 8, 9, 10) имеет вырезы на боковой поверхности стержня и во фланце. Причем оси указанных вырезов смещены относительно друг друга.

Затем осуществляют клепку пакета, для чего глухую полость крепежного элемента 7 заполняют вязкой средой и, прикладывая сжимающие усилия к выступающей над пакетом части стержня крепежного элемента 7, производят формирование замыкающей головки в условиях одностороннего подхода (фиг. 11). Следует отметить, что на втором переходе образования замыкающей головки крепежного элемента 7, в силу наличия смещенных относительно друг друга вырезов во втулке 8, имеет место деформация детали 1 пакета по периметру отверстия (фиг. 12). Последнее обеспечивает дополнительное фиксирование детали 1 втулкой 8, поскольку втулка 8, крепежный элемент 7 и деталь 2 взаимозафиксированы.

Местоположение вырезов и их количество определяется экспериментально, исходя из схемы армирования материала детали 1.

Технологическими параметрами, определяющими новый технологический процесс являются:

1. Физико-механические свойства материала детали 1;

2. Число и геометрические размеры вырезов во втулке 8;

3. Усилие, потребное на деформацию втулки 8 при образовании замыкающей головки крепежного элемента 7;

4. Усилие, потребное на формирование упрочненного слоя и пробивку в нем отверстия;

5. Усилие, необходимое для формирование крепежного элемента 7 в детали 2.

В отработке технологических режимов клепки использовались смешанные пакеты, содержащие деталь из сплава МА2-1 и усиливающие накладки из перекрестно армированного бороалюминия.

Усиливающие накладки выполнялись шириной 22 мм, длиной 850 мм и толщиной 1,1 мм. Объемная доля упрочняющих волокон составляла 50% Отверстия диаметром 6 мм в усиливающих накладках пробивались гидродинамическим способом.

В детали из сплава МА2-1 сверлились отверстия диаметром 3 мм через направляющие втулки, устанавливаемые в отверстия усиливающих накладок. В детали из металла формировали углубление диаметром 10 мм и глубиной 0,9 мм с упрочненным слоем толщиной 1,2 мм.

Нарезание резьбы М 4х1,2 в отверстии детали из традиционного материала производили метчиками (черновым и чистовым).

Крепежный элемент в виде стержня диаметром 4,0 мм выполнялся из алюминиевого сплава В65 и имел на одном конце резьбу М4х1,2 мм и глухую полость диаметром 2 мм и глубиной 6 мм на противоположном конце. Фиксирование крепежного элемента в резьбовом отверстии детали из традиционного материала производили перемещением упрочненного слоя на глубину 0,1 мм.

При сборке пакета на стержень крепежного элемента устанавливали втулку с фланцем из алюминиевого сплава АМг5П. Причем в углублении детали из сплава МА2-1 фланец фиксировали путем приложения сжимающего усилия к его кольцевой поверхности, что предопределяло появление радиальных напряжений. Втулка имела четыре выреза во фланце шириной 4 мм и четыре выреза в стержне шириной 1,2 мм, смещенные относительно друг друга на угол 45^o.

Для проведения опытно-промышленной проверки нового технического решения использовалась технологическая оснастка из стали У8А, изготовленной по 7-му квалитету точности.

В качестве энергопривода использовалась магнитно-импульсная установка МИУ-10, разгонявшая ударник массой 450 г до скоростей деформирования в диапазоне от 12 до 25 м/с (для указанных выше операций).

Проведенные испытания на трехточечный изгиб балок из сплава МА2-1, усиленных накладками из бороалюминия, показали повышение прочностных и жесткостных характеристик на 19 и 24% соответственно.

Изобретение применимо при изготовлении конструкции летательных аппаратов, отвечающих повышенным характеристикам прочности и жесткости.