ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЗАМКОВОГО УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ СПЛАВА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
ACTUATING ELEMENT OF LOCK DEVICE  AND METHOD OF ITS MANUFACTURING OUT OF ALLOY WITH SHAPE MEMORY EFFECT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к ракетно-космической технике, и может быть использовано в системах разделения для соединения двух или нескольких изделий (объектов) с последующим их отделением.
Для целей сборки и разделения ступеней ракетоносителей, разгонных блоков космических аппаратов и др. систем применяются механические замковые системы и узлы на основе детонирующих пирозарядов.
Известны замковые устройства разделения и способы их изготовления по патентам США №3352189, 1967 г. и №4002120, 1977 г. В основу замковых устройств положены конструкции с использованием стяжных болтов разнообразного конструкционного исполнения. Разъединение болтовых соединений и их перемещение вдоль продольной оси разъединяемых объектов происходит мгновенно под воздействием пороховых газов при срабатывании пиропатронов.
Вышеописанные устройства и способы их изготовления имеют существенные недостатки. Недостатком этих устройств является наличие повышенных динамических и вибрационных нагрузок на элементы конструкции разъединяемых объектов от подрыва пиропатронов, что может вызывать сбой в работе оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство разделения по патенту РФ №2084811, кл. F42B 15/10, F42B 15/36, 1993 г. Данное устройство содержит в качестве исполнительного элемента привод с рабочей камерой. Привод выполнен в виде тонкостенного стакана из материала с эффектом памяти формы и предназначен для мягкого разъединения болтового соединения и последующего извлечения стяжного болта предварительно сжатой пружиной, тем самым обеспечивая разделение объектов. Разъединение болтового соединения происходит за счет нагрева термоэлементом в течение 0,5-0,6 с стенки привода до температуры 80-90°C, при которой происходит мартенситное превращение структуры материала привода, и он, восстанавливая свою первоначальную форму до деформации при растяжении, сокращается на заданную величину и выходит из контакта с поверхностью вкладышей, освобождая их, которые, в свою очередь, освобождают из зацепления головку стяжного болта, и болт под воздействием пружины и усилий от стяжки выталкивается из замкового устройства. Соединяемые детали, не скрепляемые стяжным болтом, расходятся. В этом случае происходит безударное разделение объектов. Недостатком известного устройства (привода) и способа его изготовления является его конструктивная сложность, повышенная металлоемкость, вызванные тем, что привод представляет собой глубокий стакан с двумя опорными фланцами, что увеличивает массу и габариты привода.
Известен способ изготовления заготовок из никелида титана в виде прутков из литых слитков методом прессования, используемых при изготовлении замковых устройств. Недостатком этого способа является неоднородность химического состава сплава при плавке и его неравномерность в объеме литой заготовки. Имеющаяся неоднородность слитков сохраняется и в прессованных прутках, которая значительно влияет на температурный интервал мартенситных превращений в сплавах на основе никелида титана. Изменение содержания никеля на 0,1 ат.% влечет изменение точки начала прямого мартенситного превращения на 10…20°C. Технология прессования также приводит к разбросу механических свойств по длине отпрессованного прутка. Таким образом, характеристические точки начала и окончания прямого и обратного мартенситного превращения по длине прессованного прутка могут существенно отличаться, что недопустимо при изготовлении деталей с регламентированными температурами мартенситных превращений (ж. Технология легких сплавов № 4, 1990 г.).
Изобретение направлено на упрощение конструкции исполнительного элемента и снижение массогабаритных характеристик устройства.
Технический результат - повышение надежности срабатывания замкового устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что исполнительный элемент замкового устройства с безударным разъединением конструкции, имеющий форму полого тела вращения и изготовленный из материала с эффектом памяти формы, выполнен в виде втулки с прорезями и сквозными отверстиями, внутренняя полость которой разделена на две части вкладышем, с левого торца которой образована камера с нагревателем с наружной резьбой: с правого торца установлена разрезная гайка. При этом разрезная гайка удерживается фиксаторами, вкладыш имеет форму цилиндрической вставки в виде шайбы или стакана, в качестве нагревателя используется химический источник тепла, при этом с наружной стороны от верхнего торца разрезной гайки до начала камеры нагревателя нанесен теплоизоляционный материал. Исполнительный элемент выполнен с четырьмя прорезями на всю глубину, расположенными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси втулки, а ширина прорезей определена из условия их равномерного смыкания при обжатии втулки в цилиндр на установочный размер; внутренняя поверхность лепестков имеет соответствующий радиус кривизны, который при смыкании прорезей образует цилиндрическую поверхность, при этом количество прорезей должно быть не менее трех. Исполнительный элемент выполнен со сквозными отверстиями, расположенными перпендикулярно оси втулки и в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси втулки и развернутых вокруг оси втулки на угол 45° относительно взаимно перпендикулярных плоскостей, по которым выполнены глубокие прорези, причем втулка выполнена в форме многогранника. Теплоизоляционным материалом служит материал на основе кремнеземных волокон, а вкладыш выполнен из материала с высокой теплопроводностью.
Способ изготовления исполнительного элемента, заключающийся в получении исходной заготовки в виде цилиндрического прутка из сплава с эффектом памяти формы, при этом заготовка выполнена из гранул сплава с эффектом памяти формы методом гранульной металлургии с использованием горячего изостатического прессования и последующей радиально-сдвиговой деформации. Причем используются гранулы фракционного состава от 40 до 250 мкм, а радиально-сдвиговая деформация осуществляется в трехвалковом стане винтовой прокатки в три перехода с суммарной вытяжкой не менее 2,1.
На фиг.1-6 представлены элементы замкового устройства с исполнительным элементом, где:
1 - втулка,
2 - прорези,
3 - сквозные отверстия,
4 - вкладыш,
5 - теплозащитный материал,
6 - разрезная гайка,
7 - соединяемая конструкция,
8 - основная конструкция,
9 - фиксаторы,
10 - крышка,
11 - стяжной болт.
На фиг.1 и фиг.2 представлен исполнительный элемент замкового устройства безударного разъединения конструкции. Устройство представляет собой втулку 1 из материала, обладающего эффектом памяти формы (далее по тексту - ЭПФ) с выполненными в ней продольными прорезями 2 и сквозными отверстиями 3. Предварительно деформированная втулка 1 из материала с ЭПФ при нагреве до определенной температуры в составе замкового устройства «вспоминает» и восстанавливает свою первоначальную (заданную) форму. На этом основана работа замкового устройства. С левого торца втулки 1 (камера нагревателя) выполнена наружная резьба. Она необходима для установки крышки 10 (фиг.4; 5; 6), замыкающей камеру нагревателя. С правого торца втулки 1, где реализована возможность изменения размеров втулки 1 с использованием материала с эффектом памяти формы (ЭПФ), выполнены параллельно ее продольной оси четыре глубокие прорези 2, которые расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и пересекающихся по оси втулки 1. С правого торца втулки 1 также выполнены перпендикулярно оси втулки 1 четыре сквозных отверстия 3. Отверстия 3 расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси втулки 1 и развернутых вокруг оси втулки 1 на угол 45° относительно взаимно перпендикулярных плоскостей, по которым выполнены глубокие прорези 2. Глубокие прорези 2 необходимы для формирования ровной замкнутой поверхности втулки 1 без зазоров со стороны правого торца в процессе ее обжатия после раздачи на первоначальный (заданный) размер, что обеспечивает надежный охват и фиксацию во втулке 1 разрезной гайки 6 по всей сопрягаемой поверхности и максимально возможное восстановление первоначальной цилиндрической формы втулки 1 при размыкании замкового соединения.
На фиг.3 представлен продольный разрез втулки 1 после ее обжатия. Во внутреннюю полость втулки 1 со стороны правого торца вставлен вкладыш 4 в виде укороченного стакана с толстым дном из материала с высокими теплопроводными свойствами с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру втулки 1. Вкладыш 4 разделяет внутреннюю полость втулки 1 на две полости: левую, камеру нагревателя, и правую. Высокие теплопроводные свойства вкладыша 4 должны обеспечить высокую скорость передачи тепла от нагревателя к деформированной части втулки 1 с эффектом памяти формы, которая «вспомнит» свою первоначальную цилиндрическую форму, а это, в свою очередь, должно обеспечить срабатывание замкового устройства. При этом левая полость (камера нагревателя) предназначена для размещения в ней химического источника тепла (ХИТ). Правая полость собственно и предназначена для фиксации и крепления разрезной гайки 6 и стяжки стяжным болтом 11 присоединяемой конструкции 7, подлежащей дальнейшему разъединению замковым устройством. Четыре сквозных отверстия 3 обеспечивают надежный и неподвижный контакт посредством фиксаторов 9 при соединении сегментов разрезной гайки 6 с втулкой 1.
На часть внешней поверхности исполнительного элемента в зоне установки вкладыша 4 нанесен теплозащитный материал 5 для формирования требуемого градиента теплового потока внутри втулки 1 от химического источника тепла, а также для исключения несанкционированного теплового облучения элементов конструкции и несанкционированного срабатывания замкового устройства.
На фиг.4 показана втулка 1 исполнительного механизма замкового устройства в сборе с соединяемыми конструкциями (узлами) 7 и 8.
В левой полости втулки 1 (камера нагревателя) размещен химический источник тепла. В правой полости показана зафиксированная во втулке 1 четырьмя фиксаторами 9 разрезная гайка 6 соединяемой конструкции 7, которая в дальнейшем должна быть разъединена от основной конструкции 8 с помощью предлагаемого исполнительного элемента замкового устройства. Фиксаторы установлены в четырех резьбовых отверстиях, выполненных в коронке разрезной гайки 6 и ввернутых до упора в отверстия 3 во втулке 1. Разрезная гайка 6 и ввернутый в нее стяжной болт 11 образуют неподвижное соединение разъединяемых конструкций 7 и 8 и служат для передачи нагрузок при эксплуатации замкового устройства. Свободная наружная поверхность втулки 1 покрыта теплозащитным материалом 5 для формирования требуемого градиента теплового потока внутри втулки 1 от химического источника тепла, а также во избежание ее несанкционированного теплового облучения и несанкционированного срабатывания замкового устройства.
Исполнительный элемент в составе замкового устройства работает следующим образом. На фиг.5 осевой стрелкой показан момент срабатывания замкового устройства с предлагаемой втулкой 1, т.е. безударного, плавного разъединения конструкций 7 и 8. После инициации химического источника тепла, размещенного в левой внутренней полости втулки 1, происходит быстрый разогрев втулки 1 из материала с ЭПФ. Тепло от химического источника тепла без существенных потерь проходит через вкладыш 4 вплоть до правого торца втулки 1 и, достигнув оптимальной температуры - температуры срабатывания эффекта памяти формы материала втулки 1, заставляет «вспоминать» втулку 1 первоначально заложенную цилиндрическую форму, при которой должно произойти раздвижение сегментов разрезной гайки 6 и освобождение резьбы стяжного болта 11, обеспечивая разделение соединяемых конструкций 7 и 8. Этот момент показан двумя вертикальными стрелками, направленными от оси втулки 1. Четыре глубокие прорези 2, заранее выполненные на втулке 1, при «вспоминании» втулкой 1 своей первоначальной (заданной) цилиндрической формы, позволяют ей с правого торца увеличиваться в диаметре (т.е. изменяться в размерах в плоскости, перпендикулярной оси втулки), разойдясь от оси втулки 1 четырьмя лепестками до размеров памяти формы. При этом теплозащитный материал 5 не должен препятствовать увеличению диаметра втулки 1 (изменению ее размеров) при инициации ЭПФ.
Предлагаемую втулку 1 (замковое устройство абсолютно той же конструкции), но без фиксаторов 9 (фиг.6), можно выполнить, если со стороны правого торца организовать внутреннюю резьбу, для чего внутреннюю поверхность лепестков втулки 1 разделать радиусом, который при обжатии их принимал правильную цилиндрическую поверхность с последующим вворачиванием стяжного болта 11. Таким образом, фиксация и крепление разделяемых частей осуществляется также резьбовым соединением, но без промежуточной разрезной гайки и фиксаторов. И в этом случае это техническое решение позволит беспрепятственно разъединить соединенные предлагаемым замковым устройством конструкции.
Способ получения исходной заготовки для изготовления исполнительного элемента (втулки) замкового устройства из сплава на основе никелида титана основан на технологиях металлургии гранул, горячего изостатического прессования и винтовой прокатки. Предлагаемый способ включает плавку и распыление слитка в сферические гранулы, компактирование гранул в монолитную заготовку, винтовую прокатку компактной заготовки в прутки.
Пример 1 изготовления исполнительного элемента замкового устройства безударного разъединения конструкции.
Втулка 1 изготовлена из прутка гранулированного сплава марки ТН-1 диаметром 31 мм механической обработкой (фиг.1, 2) и имеет следующие размеры: с правого торца наружный диаметр втулки 30 мм, толщина стенки 2 мм на глубине 30 мм; с левого торца наружный диаметр втулки 27 мм, толщина стенки 3,2 мм на глубине 20 мм. С левого торца по наружному диаметру втулки 1 выполняли метрическую резьбу М27×1,5 на длине 12 мм. С правого торца выполнены четыре сквозные отверстия 3 диаметром 4 мм. Оси этих четырех отверстий 3 перпендикулярны оси втулки 1, пересекаются в одной точке, находящейся на оси втулки 1 на расстоянии 6 мм от правого торца цилиндра. Оси этих отверстий 3 находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси втулки 1.
С правого торца втулки 1 выполнены четыре глубокие прорези 2 шириной 3,5 мм и длиной 27 мм, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по оси втулки 1, и развернутых вокруг оси втулки 1 на угол 45° относительно взаимно перпендикулярных плоскостей, по которым выполнены отверстия 3.
Со стороны правого торца проводили раздачу втулки 1 при комнатной температуре запрессовкой в нее оправки на заданный (первоначальный) размер (⌀ 32 мм). Затем втулку 1 с запрессованной оправкой отжигали в вакууме при температуре 500°C с выдержкой 1 ч для «запоминания» заданного размера втулки 1. После вакуумного отжига оправку извлекали, втулку 1 охлаждали до минусовых температур и проводили обжатие втулки 1 матрицей на ручном гидравлическом прессе при температуре не выше минус 5°C на установочный размер (наружный диаметр 26 мм). После этого нагревали втулку 1 на температуру на 50-70°C выше температуры конца обратного мартенситного превращения для восстановления заданного (первоначального) размера втулки 1 (⌀ 32 мм). Данный цикл операций проводился дважды. На третьем цикле для восстановления заданного размера втулки 1 нагрев не проводили. После этого с правого торца во внутреннюю полость втулки 1 вставлен по плотной посадке вкладыш 4 (фиг.3) из меди марки М3 наружным диаметром, равным внутреннему диаметру втулки 1 после обжатия.
В левую полость втулки 1 (камера нагревателя) запрессовывали вручную смесь экзотермического состава марки ТБ-2АЗФ на основе титана с бором и с добавлением 10% порошка никеля с сопутствующими компонентами и закрывали винтовой крышкой 10 (фиг.4) с вклеенным электровоспламенителем МБ-2Н. Навеска смеси составляла 8 г, что обеспечивает нагрев втулки 1 до 285°C. Экзотермическая смесь представляет собой химический источник тепла (ХИТ).
В правую полость втулки 1 устанавливают и закрепляют (фиксируют) при помощи четырех фиксаторов 9 диаметром 6 мм, высотой 6 мм, выполненных из нержавеющей стали, разрезную гайку 6, которая в дальнейшем подлежит разъединению с помощью предложенного исполнительного элемента (втулки 1) замкового устройства. В разрезную гайку вкручивают стяжной болт 11, соединяющий элементы разъединяемых элементов конструкций 7 и 8.
На свободную наружную поверхность втулки 1 нанесен теплозащитный материал 5 марки «SUPERSIL-M2» (ТУ 5952-156-176-44763-09), фиксируемый высокотемпературным клеем КМ-41М (ОСТ 92-0948-74).
При инициации ХИТ путем подачи импульса тока силой 1 А на электровоспламенитель втулка 1 замкового устройства восстанавливает («вспоминает») свою первоначально заданную форму в виде раскрытого четырехлепесткового цилиндра и в этот момент происходит безударное разъединение соединяемых конструкций (узлов) 7 и 8.
Пример 2 способа получения исходной гранульной заготовки для изготовления исполнительного элемента замкового устройства из сплава ТН-1.
Выполняли плазменную плавку и распыление литого обточенного слитка диаметром 55 мм, длиной 650 мм в гранулы на установке центробежного распыления, затем проводили рассев гранул на рабочую фракцию от 40 до 250 мкм, ее очистку от металлических и неметаллических включений. Засыпали гранулы в стальную капсулу с одновременным их виброуплотнением, дегазацией и вакуумированием и заваркой электронным лучом горловины капсулы в вакуумной установке. Компактирование гранул в капсуле в монолитную заготовку проводили в газостате по оптимальному режиму. Затем стачивали оболочку капсулы с компактной заготовки на токарно-винторезном станке в размер ⌀45 мм. Винтовую прокатку компактной заготовки проводили на трехвалковом стане «14-40» в размер ⌀31 мм в три перехода с суммарной вытяжкой не ниже 2,1 при температуре деформации 950°C.
Результаты механических испытаний гранулированного сплава ТН-1, полученного предлагаемым способом, при комнатной температуре на образцах из отожженных заготовок (прутков) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства прутков из сплава ТН-1
Состояние прутка
Предел прочности, σ<sub>В</sub>, МПа
Предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, МПа
Относительное удлинение, δ, %
Относительное сужение, ψ, %
Пруток получен методом металлургии гранул и последующей винтовой прокаткой.
790-810
680-700
16.9-17,1
17,2-18,3
Прототип - прессованный пруток (ОСТ 925137-90).
≥529
≥294
≥8
≥8
Полученные данные показывают, что прокатанные прутки из гранулированного сплава ТН-1 обладают существенно более высокими прочностными и пластическими свойствами, чем прессованные заготовки сплава ТН-1.
Результаты испытаний по определению начала и конца обратного мартенситного превращения гранулированного сплава ТН-1 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытания образцов для оценки температур обратного мартенситного превращения гранулированного сплаваТН-1
Температура, °C
Состояние прутка
Температура начала обратного мартенситного превращения, A<sub>s</sub>, °C
Температура окончания обратного мартенситного превращения, A<sub>f</sub>, °C
Пруток получен методом металлургии гранул и последующей винтовой прокаткой.
65-95
145-165
Прототип - прессованный пруток (ОСТ 925137-90).
62-68
84-88
s
f
Температурный интервал начала (A) и окончания обратного мартенситного превращения (A) прутка из гранулированного сплава ТН-1 по сравнению с прессованным прутком из сплава ТН-1 в два раза больше, что снижает вероятность несанкционированного срабатывания предлагаемого исполнительного элемента (втулки) замкового устройства безударного разъединения конструкции.
Оценка функциональных свойств замкового соединения безударного разделения с предлагаемой конструкцией втулки 1 проведена на шести сборках на специальном стенде в виде двух подвижных тележек с установкой на них попарно двух образцов замкового соединения.
По результатам испытаний установлено, что произошло полное разделение замковых соединений. Во всех трех случаях тележки разъехались под действием силы расталкивания, при этом срабатывание замковых соединений происходило одновременно: изменений траекторий движения тележек не было. Время подачи импульса на электровоспламенители до начала движения тележек составило: в первой серии - 0,61 с, во второй серии - 0,55 с, в третьей серии - 0,68 с, что соответствует аналогичным показателям аналога. Полученные данные показывают, что сборка замкового соединения безударного разделения с предлагаемой конструкцией втулки 1 из гранулированного сплава ТН-1 с ЭПФ имеет высокие функциональные свойства, обеспечивающие синхронность срабатывания.
Таким образом, заявленный исполнительный элемент замкового устройства безударного разделения в виде втулки с возможностью изменения ее размеров в плоскости, перпендикулярной ее продольной оси, показал, что по функциональным характеристикам, таким как синхронность и время срабатывания, он находится на уровне известных аналогов, а по показателям механической прочности и массогабаритным характеристикам превосходит их за счет повышенной прочности материала втулки и ее срабатывания в плоскости, перпендикулярной продольной оси соединения-разъединения конструкций при указанных в формуле изобретения конструктивных особенностях исполнительного элемента замкового устройства с безударным разъединением конструкции и применяемого материала с эффектом памяти формы на основе гранулированного сплава ТН-1.