СПОСОБ КЛЕПКИ Российский патент 1997 года по МПК B21J15/02 

Изобретение относится к области клепально-сборочных работ, а точнее к способу клепки смешанных пакетов, содержащих деталь из волокнистых композиционных материалов.

Эффективность работы силовой точки определяется на этапе ее образования степенью возможности влиять на напряженно-деформированное состояние материалов, образующих пакет, по периметру отверстия. Сказанное весьма актуально для смешанных пакетов, содержащих деталь из разномодульных материалов, в том числе волокнистых композиционных материалов. В последнем случае работа конструкции при эксплуатационных нагрузках будет определяться уровнем взаимосвязанностей деталей пакета и заклепки. Таким образом, одним из эффективных направлений при проектировании заклепочных соединений является направление, основанное на возможности управлять напряженно-деформированным состоянием в деталях пакета при обеспечении условий фиксирования заклепки в одной из деталей пакета.

Известен способ клепки взрывными заклепками, при котором в пакете образуют отверстие, в него устанавливают заклепку, имеющую глухую центральную полость, заполненную зарядром взрывчатого вещества, сжимают пакет и образуют замыкающую головку тюльпанной формы при взрыве заряда путем наложения электронагревательой оправки на закладную головку заклепки [1]
Известеный способ клепки производителен и универсален, но имеет ограничения по применимости из-за дорогостоящих заклепок и повышенных требований техники безопасности. Кроме того, такое образование замыкающей головки не направлено на снижение концентрации напряжений в деталях пакета.

Известен также способ клепки, заключающийся в образовании отверстия в пакете, установке в него заклепки, имеющей стержень с закладной головкой и глухой цилиндрической полостью на противоположном торце, опираемом на поддержку, сжатии пакета и последующем образовании замыкающей головки заклепки путем перемещения осевым усилием закладной головки относительно пакета [2]
Известный способ клепки, относящийся к классу обратных способов, позволяет образовывать соединения на закрытых конструкциях, в том числе содержащих детали из волокнистых композиционных материалов. Однако прочностные характеристики и жесткость силовой точки, определяющие размерную стабильность конструкции, относительно невысоки. Это объясняется тем, что возникает противоречивая ситуация, когда стремление обеспечить требуемые прочностные характеристики силовой точки на отрыв, наталкивается на проблему развальцовки торца стержня. Вместе с тем, при значительных степенях деформации по периметру развальцованного стержня для ряда материалов заклепок не исключено образование микротрещин с вытекающими отсюда последствиями.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа заклепки, который был бы применим для закрытия конструкций, обеспечивал бы требуемые прочностные характеристики силовой точки и, как следствие, требуемые характеристики размерной стабильности.

Эта задача решается тем, что в известном способе клепки, заключающемся в образовании отверстия в пакете, установке в него заклепки, имеющей стержень с закладной головкой и глухой цилиндрической полостью на торце, опираемом на поддержку, сжатии пакета и последующем образовании замыкающей головки заклепки путем перемещения осевым усилием закладной головки относительно пакета согласно изобретению применительно к смешанным пакетам, содержащим деталь из волокнистого композиционного материала, отверстие в пакете выполняют ступенчатым со ступенью большего диаметра, расположенной со стороны детали из волокнистого композиционного материала и имеющей высоту, превышающую толщину последней, используя заклепку со стержнем ступенчатой формы, ступень большего диаметра которого примыкает к закладной головке и выполнена высотой, превышающей высоту ступени большего диаметра отверстия в пакете, в процессе установки заклепки производят запрессовку ступени большего диаметра стержня в часть высоты отверстия, имеющую больший диаметр, а на завершающей стадии образования замыкающей головки осуществляют сжатие детали из металла по кольцевой поверхности, контактирующей с переходной поверхностью между ступенями стержня.

Данный способ клепки может быть использован для закрытия пустотелых конструкций, обеспечивает повышенные прочностные характеристики силовых точек и отличается высокой производительностью.

Это объясняется тем, что с одной стороны, замыкающую головку образуют формированием внешнего утолщения на стенках глухой полости в ее стержне, а с другой стороны, на завершающей стадии образования замыкающей головки производят сжатие детали пакета из металла заклепкой. В результате предотвращается самопроизвольное перемещение заклепки. Кроме того, сжимающие усилия, прикладываемые по периметру отверстия в детали из металла обеспечивают снижение уровня концентрации напряжений.

На фиг. 1 изображено исходное положение заклепки, смешанного пакета и технологической оснастки и перед образованием замыкающей головки; на фиг.2 - стадия формирования замыкающей головки заклепки путем пластического течения материала относительно стенок глухой полости; на фиг.3 начальная стадия пластического сжатия заклепкой кромки отверстия в детали из металла; на фиг.4 конечная стадия пластического сжатия заклепкой кромки отверстия в детали из металла.

Способ осуществляют следующим образом.

В смешанном пакете, содержащем деталь 1 из волокнистого композиционного материала, например, боралюминия, и деталь 2 из традиционного материала, например, магниевого сплава МА2-1, выполняют ступенчатое отверстие с глубиной ступени большего диаметра "h", диаметром этой ступени "D" и диаметром меньшей ступени "d", пакет размещают на поддержке 3, имеющей углубление диаметром "d_o" и глубиной "l_o", глубина "l_o" выбирается из условия ее минимального значения.

В углубление поддержки 3 предварительно вносят жидкую среду 4, например, масло или антикоррозионную грунтовку, в отверстие пакета устанавливают ступенчатую заклепку 5 с размещением ее торца в углублении поддержки 3. При этом кромка ступени большего диаметра стержня заклепки, превышающего диаметр большей ступени отверстия в пакете, запрессовывается в верхние слои детали 1 из волокнистого композиционного материала.

Следует подчеркнуть, что длина "h₁" ступени большего диаметра стержня заклепки 5 превышает глубину "h". В стержне заклепки 5 предварительно выполняют центральную глухую полость диаметром "d₁" и глубиной "h₂". На стадии установки заклепки 5 в отверстие пакета ее стержень плотно устанавливается в углубление поддержки 3 и жидкая среда 4 частично заполняет свободный объем глухой полости. При этом в последней фиксируется воздух с исходным атмосферным давлением "Р".

Необходимо отметить, что закладная головка заклепки 5 отстоит от "верхней" плоскости пакета на расстояние "h₃. На этом же расстоянии расположен торец глухой полости в заклепке 5 по отношению к "нижней" плоскости пакета. Пакет фиксируют усилием Рприж. с помощью прижима 6, в котором выполнено сквозное отверстие диаметром, равным диаметру закладной головки заклепки 5 (фиг.1).

При воздействии импульсным усилием P_τ на закладную головку заклепки 5 на торце ее стержня создают контактные давления, которые совместно с жидкой средой 4 обеспечивают герметизацию глухой полости. В это же время стержень большего диаметра стержня, заклепки 5 запрессовывается в пакет с обеспечением в его деталях по периметру ступени полей упругих или упруго-пластических деформаций (на фиг.2 показаны стрелками). В результате перемещения закладной головки заклепки 5 в направлении плоскости пакета имеет место уменьшение глубины глухой полости и, как следствие, повышение давления, находящегося там воздуха до величины р1 (фиг.2). Импульсный характер приложения усилия к закладной головке заклепки 5 обусловливает также и импульсное возрастание давления воздуха в вышеназванной полости. Последнее предотвращает заполнение полости материалом заклепки 5 и предопределяет пластическое течение материала во внешнюю сторону от ее оси. На завершающей стадии процесса клепки, в силу различия по величине глубины полости "h" и длины утолщения на стержне заклепки 5 "h₁", причем h₁ > h, осуществляется сжатие материала детали 2 по кольцевой поверхности с внешним диаметром "D" и внутренним диаметром "d".

Таким образом осуществляют взаимное фиксирование детали 2 и заклепки 5, предотвращая какое-либо ее "независимое" перемещение при восприятии эксплуатационной нагрузки.

Пластическое же сжатие материала детали 2 по кольцевой поверхности весьма существенно снижает концентрацию напряжений, повышая, тем самым, прочностные характеристики силовой точки.

Запрессовывание стержня заклепки 5 в пакет на этапе ее постановки также способствует повышению жесткости силовой точки.

Расчет техпроцесса заклепки состоит в следующем.

1. Из условий равной прочности замыкающей головки заклепки на отрыв и срез определяют диаметр глухой полости.

2. Исходя из геометрических размеров закладной головки заклепки 5, рассчитывают глубину "h₂" глухой полости.

3. В сочетании с требуемой степенью деформации определяют превышение длины ступени большего диаметра на стержне заклепки 5 по отношению к глубине ступени большего диаметрав пакете.

Данный способ клепки прошел опытно-промышленную проверку при изготовлении упрочненных накладками из боралюминия пустотелых профилей квадратного сечения из магниевого сплава МАВ-1 Профили имели геометрические размеры: длину 500 мм: поперечное сечение 22х22 мм, толщину стенки 2,5 мм.

Накладки из боралюминия имели толщину 1,1 мм, длину 550 мм и ширину - 22 мм.

В накладках методом гидродинамической пробивки выполнялись отверстия диаметром 5,0 мм с шагом, равным 25,0 мм.

В профилях штамповались ступенчатые отверстия с геометрическими размерами: диаметр большей ступени 5,0 мм, глубина большей ступени 0,9 мм, диаметр меньшей ступени отверстия 4,0 мм. В экспериментах использовались ступенчатые заклепки из алюминиевого сплава В65 со следующими геометрическими размерами: диаметр большей ступени (5,05 5,1) мм, длина большей ступени - 2,15 мм, общая длина стержня 7,0 мм, диаметр глухой полости 3,5 мм. Диаметр замыкающих головок заклепок составлял 5 мм.

Технологическая оснастка выполнялась из стали У8А по 7-му квалитету точности с твердостью после закалки HRCэ 56 58 ед.

В качестве нагружающего инструмента использовался ударник массой 450 г, разгоняемый для скоростей (21 25) м/с посредством магнитно-импульсной установки МИУ-10.

Проведенные сравнительные испытания на трехточечный изгиб профилей, подкрепленных боралюминиевыми накладками с двух противоположных сторон, позволили выявить, что при заданных усилиях величина прогиба подкрепленных профилей в (2 3,0) раза меньше прогиба исходных профилей.

Следует подчеркнуть, что разработанный технологический процесс клепки высокопроизводителен, т. к. время образования замыкающей головки составляет (300 350)•10^-6 с.

Изобретение применимо при выполнении высококачественных соедиений на пустотелых конструкциях как при производстве летательных аппаратов, так и при изготовлении конструкций и изделий в судостроении.

Использование: в отраслях народного хозяйства, где требуется клепка смешанных пакетов, содержащих деталь из волокнистых композиционных материалов. Сущность изобретения: отверстие в пакете соединяемых деталей выполняют ступенчатым со ступенью большого диаметра, расположенной со стороны детали из волокнистого композиционного материала. Заклепку со ступенчатым стержнем, большая ступень которого примыкает к закладной головке, устанавливают в отверстие пакета. При этом производят запрессовку ступени большего диаметра стержня в часть отверстия, имеющую больший диаметр. Торец стержня заклепки, имеющий глухую цилиндрическую полость, опирают на поддержку, производят сжатие пакета, после чего образуют замыкающую головку. На завершающей стадии образования замыкающей головки осуществляют сжатие детали из металла по кольцевой поверхности, контактирующей с переходной поверхностью между ступенями стержня. 4 ил.

Способ клепки, заключающийся в образовании отверстия в пакете соединяемых деталей, установке в него заклепки с закладочной головкой и стержнем, имеющим глухую цилиндрическую полость на противоположном головке торце, опираемом на поддержку, сжатии пакета и последующем образовании замыкающей головки путем перемещения закладной головки под действием осевого усилия относительно склепываемого пакета, отличающийся тем, что при клепке смешанных пакетов, содержащих деталь из волокнистого композиционного материала, отверстие в пакете выполняют ступенчатым со ступенью большего диаметра, расположенной со стороны детали из волокнистого композиционного материала и имеющей высоту, превышающую толщину последней, используют заклепку со стержнем ступенчатой формы, ступень большего диаметра которого примыкает к закладной головке и выполнена высотой, превышающей высоту ступени большего диаметра отверстия в пакете, в процессе установки заклепки производят запрессовку ступени большего диаметра стержня в часть высоты отверстия, имеющую больший диаметр, а на завершающей стадии образования замыкающей головки осуществляют сжатие детали из металла по кольцевой поверхности, контактирующей с переходной поверхностью между ступенями стержня.