Moskva, Moscow, Russian Federation
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.
plasticity, creep, work of internal external forces, press pressure, time of delay and relaxation
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. 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.
