ЗАКЛЁПОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к изготовлению и ремонту оборудования широкого спектра назначения, в частности, автотранспортной техники, дорожно-строительных машин и может быть использована для получения разборных соединений деталей, обладающих повышенными прочностными характеристиками и герметичным клепанным швом.
В настоящее время при изготовлении и ремонте изделий довольно часто используют алюминиевые сплавы либо углепластики. В частности, это касается автотранспортной техники, например, автомобильных кузовов. При изготовлении и ремонте кузовов, соединение их деталей из алюминиевых сплавов и углепластиков со стальными, образующими силовой каркас, в единую связку с использованием традиционной сварки весьма затруднительно, а в ряде случаев - невозможно, поэтому в последние годы при их изготовлении и ремонте используют заклепочные соединения. Данные соединения также нашли применение при сборке разнородных или плохосвариваемых материалов, термообработанных или окончательно обработанных точных деталей, для которых недопустим нагрев и поэтому нельзя применять сварку. В некоторых случаях клепка является единственно возможной операцией для получения соединений изделий.
Однако заклепочные соединения обладают рядом недостатков, ограничивающих их область применения. Конструкции, в которых имеются соединения, полученные клепкой, как правило, недолговечны и обладают низкой стойкостью к вибрационным нагрузкам. При ремонте изделий, детали которых соединены клепкой, трудно восстановить герметичность соединения и требуемую жесткость клепанных швов.
Приведенные выше факторы приводят к значительному сокращению сроков эксплуатации оборудования с заклепочными соединениями, необходимости периодического проведения их ремонта.
Известно заклепочное соединение, содержащее установленные в соосные отверстия пакета соединяемых листов заклепки. Каждая заклепка выполнена в виде стержня с конической закладной головкой с одного торца и глухим центральным цилиндрическим отверстием с другого. Со стороны отверстия на стержень установлена втулка с кольцевыми зубьями на ее внутренней поверхности. Наружная поверхность втулки выполнена конической. Втулка расположена на стержне меньшим основанием конуса внутрь соединения, а большим основанием конуса - заподлицо с поверхностью пакета. В соединяемом листе выполнено раззенкованное на конус гнездо для размещения в нем втулки. Глубина центрального отверстия не превышает высоту втулки.
При сборке заклепочного соединения заклепка вставляется в отверстие пакета соединяемых листов. На ее стержень надевается втулка и размещается в гнезде листа. В цилиндрическое отверстие стержня вводится инструмент типа дорна или раскатки, который деформирует полую часть стержня до сцепления его наружной поверхности с зубьями втулки (см. патент РФ №2047795, кл. F16B 19/08, 1995 г.).
В результате анализа известного заклепочного соединения необходимо отметить, что выполнение рельефа на внутренней поверхности втулки в виде кольцевых зубьев обеспечивает высокую прочность сцепления стержня с втулкой, что повышает прочность соединения.
Коническая форма торца заклепки и втулки обеспечивает достаточную стяжку пакета, благодаря чему также обеспечивается высокая прочность заклепочного соединения, что позволяет использовать его как в металлических конструкциях, так и в конструкциях из композитных материалов.
Однако данное соединение не обеспечивает герметичность стыка деталей и эффективную его работу в условиях сдвиговых нагрузок, когда заклепки соединения работают на срез, что обуславливает невысокий срок эксплуатации данного соединения.
Известно заклепочное соединение, принятое в качестве прототипа, которое содержит соединяемые листовые детали, в которых выполнены сквозные отверстия. Причем при сборке соединения листовые детали устанавливают так, что каждое отверстие одной детали соосно с одним из отверстий другой детали, после чего в соосные отверстия вводят заклепки, и обжимают их в обжимном приспособлении, а перед введением в отверстия заклепок между листовыми деталями размещают промежуточный элемент - лист фольгированного припоя, который после нагрева стянутых деталей расплавляется и дополнительно скрепляет их (см. патент РФ №2340424, кл. B21J 15/08, 2008 г.).
Недостатком известного соединения является то, что оно обладает невысокой стойкостью к вибрационным нагрузкам, что снижает срок его эксплуатации. Кроме того, оно обладает ограниченной областью применения, так как не может быть использовано для соединения деталей из разнородных, в том числе волокнистых композиционных материалов, которые в настоящее время широко применяются в машиностроении. Еще одним недостатком является высокая трудоемкость изготовления и работ по демонтажу соединения при его ремонте, обусловленная необходимостью удаления с поверхностей деталей остатков припоя. Кроме того, использование припоя не всегда позволяет получать герметичный стык деталей. Это приводит к необходимости приведения дополнительной операции герметизации, что существенно увеличивает трудоемкость и стоимость работ.
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение ресурса эксплуатации заклепочного соединения за счет повышения его прочности, герметичности, жесткостных характеристик, стойкости к вибрациям, а также за счет высокой ремонтопригодности.
Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в заклепочном соединении, содержащем детали, соединенные посредством заклепок, причем между соединяемыми поверхностями деталей предусмотрен промежуточный слой из материала, предназначенного для скрепления деталей, согласно полезной модели, в качестве материала промежуточного слоя использован термопластичный клей-расплав, с возможностью его размягчения при нагреве и затвердевания при охлаждении.
На решение указанной технической задачи так же направленно, то что в качестве заклепок в соединении использованы вытяжные заклепки, размещенные в отверстиях деталей и обжатые в них, причем в отверстиях деталей, со стороны обращенных друг к другу поверхностей, выполнены карманы, образующие при соединении деталей полость, предназначенную для заполнения ее термопластичным клеем-расплавом при обжимании заклепок.
Так же в качестве заклепок в соединении могут быть использованы самопробивные заклепки.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что заклепочное соединение выполнено с использованием в качестве материала промежуточного слоя термопластичного клея-расплава, чем обеспечивается повышение герметичности, прочностных и жесткостных характеристик клепанных конструкций, работающих в условиях статических, динамических и вибрационных нагрузок. Способность клея-расплава размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении обеспечивает возможность демонтажа соединения без повреждения поверхностей и повышение его ремонтнопригодности. Использование вытяжных заклепок позволяет соединять разнородные материалы, в том числе волокнистые композиционные материалы, а также материалы, характеризующиеся невысокой пластичностью. Использование самопробивных заклепок позволяет увеличить прочность клепанного шва при воздействии сдвиговых нагрузок.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими и табличными материалами, где:
- на чертеже представлено заклепочное соединение в разрезе;
- в табл. 1 приведен сравнительный анализ термореактивных (эпоксидных) клеев и термопластичных клеев-расплавов, используемых при создании заклепочных соединений;
- в табл. 2 представлены прочностные свойства заклепочных соединений деталей без клеевого слоя между ними и заклепочных соединений с клеевым слоем между деталями.
Заклепочное соединение представляет собой соединяемые детали 1 и 2, преимущественно плоской формы, и соединительные элементы - заклепки 3. Для получения соединения детали 1 и 2 скрепляют заклепками на приспособлении 4 с тарированным усилием F. Для получения соединения в соединяемых деталях 1 и 2 могут быть выполнены отверстия (на чертеже не обозначены) под заклепки 3. Для получения соединения могут быть использованы как вытяжные, так и самопробивные заклепки.
Самопробивные (прессовые) заклепки, обладают наибольшей прочностью на сдвиг. Для установки прессовых заклепок не требуется предварительно сверлить отверстия в деталях. Поэтому самопробивные заклепки традиционно используют в высоконагруженных соединениях, для получения которых необходимо большое количество заклепок.
Вытяжные заклепки традиционно используют для получения соединений из материалов, характеризующихся невысокой пластичностью, у которых при использовании самопробивных заклепок могут возникнуть трещины в зоне отверстий, пробиваемых заклепками.
Материал, из которого изготавливаются заклепки, должен иметь достаточную пластичность для обеспечения формирования головки, одинаковый диапазон температурного расширения с материалом основной детали, а так же должен быть однородным с соединяемыми деталями во избежание возникновения электрохимической коррозии. В качестве материала для заклепок наиболее целесообразно использовать легированные стали ферритного класса.
Необходимо отметить, что выбор заклепок для получения заклепочного соединения, как правило, не представляет сложностей для специалистов.
В отверстиях деталей 1 и 2, выполненных под установку заклепок со сторон, обращенных друг к другу при сборке соединения, выполнены карманы - зенковки (на чертеже не обозначены), которые при соединении деталей 1 и 2 образуют полость 5.
Между контактирующими поверхностями соединяемых деталей 1 и 2 предусмотрен промежуточный слой 6 толщиной h из материала, предназначенного для скрепления деталей 1 и 2. В качестве материала промежуточного слоя использован термопластичный клей-расплав, с возможностью его размягчения при нагреве и затвердевания при охлаждении.
В качестве клеевого материала при получении соединения наиболее целесообразно использовать клеи-расплавы, которые относятся к классу термопластичных клеев. Отличительной особенностью термопластичных клеев-расплавов является то, что в исходном состоянии они являются твердыми веществами, при нагревании расплавляются и переходят в вязко-текучее состояние и далее при охлаждении они вновь возвращаются в твердое состояние (этот процесс является обратимым). В отличие от традиционных полимерных материалов, которые относятся к группе термореактивных материалов, при использовании термопластичных клеев-расплавов процесс склеивания происходит не в результате отверждения, а является следствием затвердевания. При затвердевании полимера не образуется сетчатой структуры, которая характерна для термореактивных клеев. Термопластичные клеи-расплавы в твердом состоянии представляют собой аморфно-кристаллические тела, в которых соотношение аморфной и кристаллической фаз может быть самым разным.
Выбор рецептуры термопластичного клея-расплава зависит от природы материалов соединения и условий эксплуатации соединения. В состав термопластичных клеев входят два основных компонента: высокомолекулярный полимер и синтетический эластомер. Высокомолекулярный полимер определяет адгезионную и когезионную прочность клеевого соединения (его содержание составляет около 40-50%). В качестве высокомолекулярного полимера широкое применение нашли: сополимеры этилена и винил ацетата, сополимеры поливинилацетата с акриловой кислотой, сополимеры полистирола, полиамиды, полиэфиры, полиуретаны и др. В качестве синтетического эластомера, повышающего липкость, его также называют агентом липкости, в клеях-расплавах используется большинство производных канифоли и воски. Общее количество агентов липкости в составе клея-расплава может доходить до 30-40%. Наряду с вышеперечисленными компонентами в состав клеев-расплавов также могут входить антиоксиданты, пластификаторы, ингибиторы и различные наполнители.
При создании заклепочных соединений при ремонте автомобилей и дорожных машин могут быть использованы термопластичные клеи расплавы на основе высокомолекулярных полиамидов, а также смешанных полиамидов, которые представляют собой продукты конденсации двух и более диаминов с несколькими дикарбоновыми кислотами. При этом по таким материалам могут быть установлены самопробивные заклепки. Материалы на основе низкомолекулярных полиамидов не рекомендуется применять при создании заклепочных соединений в машиностроении, так как по сравнению с высокомолекулярными полиамидами они плавятся при более низких температурах.
Свойства термопластичных клеев-расплавов, пригодных для получения соединения, и их сравнительный анализ с термореактивными клеями-расплавами, приведены в табл. 1.
Для создания и демонтажа соединений могут быть использованы клеи-расплавы марок «Летек», «Теплакс-2П», «МС-1», «Justant-РАК 1250» и др.
Использование термопластичного полимерного материала - клея-расплава, наносимого до постановки заклепок, обеспечивает герметичность стыка деталей, стойкость к воздействию вибрационных нагрузок, а также возможность демонтажа соединения путем нагрева клея-расплава после среза головок заклепок.
Основным требованием к клею-расплаву, используемому для создания и демонтажа заклепочных соединений, является наличие высокой адгезионной прочности к соединяемым поверхностям и стойкости к длительному воздействию различных климатических факторов. Это необходимо для того, чтобы полученное соединение не изменяло своих свойств в процессе эксплуатации изделия, в состав которого вошли детали, собранные с использованием заклепочного соединения.
Как показали исследования, из приведенных в табл. 1 типов клеев-расплавов, наиболее предпочтителен наполненный клей-расплав марки «МС-1», обладающий большей прочностью на сдвиг.
Таким образом, использование в качестве клеевого материала термопластичных клеев-расплавов обеспечивает возможность демонтажа заклепочного соединения, повышение его прочностных и жесткостных характеристик конструкций, работающих в условиях статических, динамических, а также вибрационных нагрузок. Это объясняется тем, что при эксплуатационной нагрузке, например, статическом трехточечном изгибе, деформирование конструкции не сопровождается поворотом силовых точек относительно друг друга. Все это повышает срок эксплуатации заклепочного соединений.
Демонтаж соединения, полученного с использованием клеев-расплавов, обеспечивается за счет того, что при нагревании термопластичные клеи-расплавы переходят в жидкое состояние и теряют липкость.
Заклепочное соединение получают следующим образом.
Соединяемые поверхности деталей 1 и 2, если это необходимо, очищают от ржавчины и грязи до металлического блеска. Затем соединяемые поверхности обезжиривают растворителем или ацетоном.
Далее на одну из соединяемых поверхностей деталей 1 или 2 наносят клей-расплав. Клеи-расплавы не требуют приготовления. В зависимости от технологии нанесения, клеи-расплавы могут выпускаться в виде пленок, порошка, гранул или брусков. Для механизации процесса нанесения клея-расплава используют ванны или аппликаторы с поступательной подачей (ручные пистолеты). Ванны обеспечивают плавление твердого клея в резервуаре и последующую его подачу с помощью дозирующего насоса к нагретому соплу аппликатора. При использовании ручных пистолетов обеспечивается непрерывная подача твердого клея через нагретое сопло (профиль выходного отверстия сопла должен соответствовать требуемой ширине полосы).
После нанесения клея-расплава поверхности соединяют и выдерживают до предварительного затвердевания клея-расплава. Предварительное затвердевание клея-расплава происходит при его охлаждении до комнатной температуры и занимает 10-15 минут в зависимости от марки клея-расплава.
После предварительного затвердевания клея выполняют операцию клепки с использованием самопробивных или вытяжных заклепок 3. Собственно, технология клепки широко известна и нет необходимости приведения ее в настоящей заявке. В процессе клепки детали 1 и 2 стягиваются друг с другом, что приводит к деформированию и уплотнению промежуточного слоя 6 из клея-расплава и заполнению им полости 5 (при использовании вытяжных заклепок) или зазора между заклепкой и пробитым ею стенкой отверстий деталей 1 и 2 (при использовании самопробивных заклепок). Далее выдерживают соединение до полного застывания клея-расплава. Наличие промежуточного слоя 6 из клея-расплава между деталями 1 и 2 не только дополнительно скрепляет их, повышая прочность соединения, не только герметизирует стык, но и дополнительно фиксирует заклепки в деталях 1 и 2, что значительно повышает вибрационную стойкость соединения.
Демонтаж заклепочного соединения осуществляют в обратной последовательности. Первоначально удаляют путем срезания заклепки, а затем путем нагрева демонтируют клеевое соединение. Весьма важно, что используемые клеи-расплавы позволяют многократно использовать их.
Сравнительные характеристики заклепочных соединений с использованием клеевого слоя и без его использования приведены в таблице 2.
Сущность заявленной полезной модели способа будет более понятна из приведенных ниже примеров.
Пример 1.
С использованием описанного выше соединения была проведена замена крыши легкового автомобиля марки BMW 5-ой серии, которая была ранее смонтирована посредством заклепочного соединения без использования клеевого слоя. Вследствие аварийных повреждений и проведенного кузовного ремонта традиционное клепанное соединение не позволяло обеспечить заданные требования по герметичности стыка, жесткости и, соответственно, пассивной безопасности автомобиля.
Для проведения ремонта дефектный элемент (крыша) после аварийного повреждения был удален путем высверливания заклепок и отправлен в утиль.
Новый элемент был зачищен от грунта в предполагаемых местах состыковки с кузовом.
Участки обоих поверхностей, подлежащих клепке (крыши и кузова), были очищены от грязи и пыли путем протирки ацетоном (ГОСТ 2768).
На очищенный участок шва кузова равномерным слоем толщиной 2 мм наносили слой клея-расплава. В качестве связующего был выбран клей-расплав «МС-1».
После состыковки крыши и остального кузова выжидали 15 минут до затвердевания клея. Далее по длине шва сопрягаемых деталей с определенным шагом устанавливали заклепки. В качестве заклепок были выбраны самопробивные заклепки, которые не требуют предварительного сверления отверстий. Шаг установки заклепок выбирали, исходя из рекомендаций автопроизводителя - в данном случае шаг установки заклепок составлял 120 мм.
Прошедший ремонт автомобиль эксплуатируется более 1 года. В процессе эксплуатации автомобиля примененное для его ремонта заклепочное соединение обеспечило надежную герметизацию восстановленного участка, стойкость к воздействию агрессивных сред (воды, остатков несгоревшего топлива, антигололедным реагентам), а также вибрационным и ударным нагрузкам.
Пример 2.
Описанным выше заклепочным соединением было произведено соединение и последующий демонтаж соединения металлического воздухозаборника с капотом автомобиля ВАЗ 1111 (Ока).
Первоначально, как и в описанном выше примере, было проведено соединение деталей с использованием клея-расплава и самопробивных заклепок.
Спустя три месяца эксплуатации в связи с аварийными повреждениями возникла необходимость демонтажа соединения. Для этого шов был зачищен от лакокрасочного покрытия. Заклепки были высверлены. Для разъединения элементов по клеевому шву был проведен их нагрев с использованием строительного фена до температуры плавления клея-расплава (+220°C). При нагреве клей из твердого состояния перешел в вязкотекучее, и склеенные поверхности были разъединены без приложения нагрузки. Остатки расплавленного при нагреве клея удалили с поверхностей деталей ветошью, смоченной в ацетоне.
Примеры показали, что соединение просто, технологично, не требует привлечения дополнительных средств и специального оборудования и позволяет резко расширить границы применения клепанных соединений.
Соединение применимо при клепке конструкций в судостроении, автомобилестроении и других отраслях машиностроения, где предъявляются повышенные требования к прочностным и жесткостным характеристикам изделий.
Таким образом, использование полезной модели обеспечивает повышение ресурса эксплуатации заклепочного соединения за счет повышения его прочности, герметичности, жесткостных характеристик, стойкости к вибрациям, а также за счет высокой ремонтопригодности.