16. Шалин С.К., Тексин И.В. Разработка способа упрочнения отводов полых деталей

>> К списку публикаций >> К содержанию сборника

УДК 6.21.981.12.011

Шалин С.К., Тексин И.В.

Научный руководитель – профессор Комаров А.Д.

Большую номенклатуру деталей трубопроводных систем самолета составляют тройники и другие разнообразные детали с отводами. Например, только топливная система самолета Ан-140 насчитывает 17 наименований тройников. На рисунке 1 приведен чертеж типового тройника, а в таблице 1 приведены основные параметры некоторых тройников, идущих на сборку топливной системы самолета Ан-140.

Рисунок 1. Тройник

Таблица 1. Основные параметры тройников

Традиционным способом изготовления таких деталей является штамповка двух симметричных половинок тройников из листовых заготовок с последующей их подгонкой и сваркой. Однако, такой способ не обеспечивает стабильного уровня качества деталей и обладает значительной трудоемкостью. В середине 80 – х годов был разработан и внедрен в производство способ изготовления тройников из тонкостенных трубчатых заготовок путем вытяжки отвода эластичной средой /1/. Полученные таким образом детали имеют стабильный уровень качества при меньшей трудоемкости их изготовления. Повышение уровня качества тройников обусловлено тем, что детали не имеют концентратора напряжений в виде продольного сварного шва. Однако, при вытяжке отвода тройника в полость матрицы происходит значительное утонение стенок отвода. Это является существенным недостатком данного способа, так как по торцу отвода осуществляется сварка тройника с другими элементами трубопровода. А, как известно, разнотолщинность материалов в зоне сварного шва снижает прочность сварного соединения.

С целью устранения данного недостатка, и, следовательно, повышения качества тройников были разработаны различные способы компенсации утонения /2,3/. Все они основаны либо на торцевой осадке стенок отвода /2/, либо на радиальном обжиме отвода /3/. Однако, все эти способы требуют применения сложных устройств и значительного числа дополнительной технологической оснастки, что повышает производственные затраты на изготовление таких деталей.

Авторами разработан способ, который позволяет компенсировать утонение на стенках отвода при относительно небольших производственных затратах. Компенсация утонения происходит за счет торцевой осадки стенки отвода при упрощенной схеме силового воздействия. В процессе осадки толщина стенки увеличивается до толщины стенки исходной трубчатой заготовки или несколько более.

На рисунке 2 показана схема способа на начальной стадии (слева) и на конечной стадии (справа). Способ реализуется следующим образом. В заготовку 1, которая представляет собой тройник с утонением отвода, вставляют жесткий вкладыш 5. Затем в полость отвода вводят втулку из эластичной среды 3 и помещают заготовку в две жестко скрепляемые между собой полуматрицы 2. После чего в отверстие полуматриц вставляют ступенчатый пуансон 4. Эластичная среда имеет полость, а между торцем отвода и уступом пуансона имеется зазор. Когда к пуансону прикладывается усилие, он начинает перемещаться, воздействуя на эластичную среду 3, которая начинает деформироваться за счет имеющейся в ней полости. Жесткий вкладыш 5 препятствует проникновению эластичной среды в полость заготовки 1. При дальнейшем продвижении уступ пуансона воздействует на торец отвода, осуществляя его торцевую осадку, вследствие чего происходит набор толщины материала на стенке отвода (рисунок 1, справа). Величина первоначального зазора между торцем отвода и уступом пуансона должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить предварительное сжатие эластичной среды, необходимое для предотвращения потери устойчивости стенки отвода в процессе ее осадки. Так как эластичная среда практически несжимаема, то ход пуансона и, следовательно, степень осадки отвода будут определяться первоначальным объемом полости в эластичной среде.

Рисунок 2. Схема упрочнения отводов полых деталей

Очевидно, что максимальное потребное усилие пресса будет в конце хода пуансона. Его можно рассчитать с помощью формулы:

Р_пуанс=Р_пл + Р_э.с.,

где Р_пл – усилие пластического деформирования стенки отвода;

Р_э.с. – усилие упругого сжатия эластичной среды.

Величина силы трения к концу хода пуансона будет относительно невелика, так как коэффициент трения эластичной среды о материал заготовки при увеличении давления существенно уменьшается /4/, и поэтому ей можно пренебречь.

Сила пластического деформирования стенки определяется по формуле:

Р_пл=к π d S₀ σ_в,

где d – диаметр отвода;

S₀ – толщина стенки исходной трубчатой заготовки;

σ_в – предел прочности материала заготовки;

к – коэффициент, учитывающий утолщение стенки в процессе осадки и принимаемый равным 1,2.

Усилие упругого сжатия эластичной среды определяется по формуле:

,

где q – давление эластичной среды к концу хода пуансона.

Для резины q определяется по диаграммам, приведенным в справочнике /5/. Для полиуретана q можно определить по формуле, полученной Комаровым А. Д.:

, (1)

где Т – твердость полиуретана по Шору;

К – коэффициент формы полиуретановой втулки;

ε – δеформация полиуретановой втулки.

На рисунке 3 приведено сечение полиуретановой втулки по плоскости разъема полуматриц до (слева) и после (справа) деформации.

Рисунок 3. Полиуретановая втулка.

Оптимальной будет параболическая или близкая к ней форма полости во втулке. Но с целью упрощения расчета предполагаем, что полость имеет цилиндрическую форму.

Примем допущение, что деформироваться будет только та часть полиуретана, которая находится в кольцевом объеме вокруг полости. Тогда коэффициент формы для нее будет равен:

, (2)

где d_вт – диаметр полиуретановой втулки;

h_п – глубина полости;

d_п – диаметр полости.

Деформация полиуретановой втулки будет равна:

, (3)

где h_0, h_к – начальная и конечная высота полиуретановой втулки, соответственно.

Подставив выражения (2-3) в формулу (1) и проведя несложные преобразования, получим окончательное выражение для давления эластичной среды к концу хода пуансона:

.

Таким образом, разработанная методика позволяет определить максимальное потребное усилие пресса, зная которое можно спроектировать конкретное устройство для реализации этого способа и рассчитать его основные размеры. Наиболее сложным, и, следовательно, дорогостоящим элементом устройства будут полуматрицы 2. Однако, если способ осуществлять в тех же полуматрицах, в которых происходит вытяжка тройника, то перечень дополнительно изготавливаемых элементов оснастки и, следовательно, прирост производственных затрат будет минимальным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Эрбейгель С. А. Разработка и внедрение процесса формообразования унифицированных элементов трубопроводных систем ЛА эластичной средой на универсальных гидропрессах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук – Харьков, 1986. – 154 с.

2. А. С. 1803228 СССР, МКИ⁵ В21Д 22/00. Способ изготовления полых деталей с отводами/ В. Г. Кондратенко, В. А. Гранкин, В. Н. Гончаров (СССР). -№4341403/27; Заявлено 23.10.87; Опубл. 23.03.93., Бюл. №11//Изобретения.-1993.-№12. – с.37.

3. А. С. 1724405 СССР, МКИ⁵ В21С 37/29. Способ изготовления полых деталей с отводами/ С. А. Эбейгель, Э. И. Письменный, А. Г. Калиниченко, Ю. А. Канишов (СССР). -№4403142/27; Заявлено 04.04.88; Опубл. 07.04.92., Бюл. №13//Изобретения.-1992.-№13. – с.56.

4. Комаров А. Д. Штамповка листовых и трубчатых деталей полиуретаном. –Л.:ЛДНТП, 1975.-36с.

5. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. -Л.: Машиностроение, 1971.-782с.