СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ С РАДИАЛЬНЫМ НАТЯГОМ ДЛЯ НЕРАЗЪЕМНЫХ ПАКЕТОВ
PROCEDURE FOR BOLT CONNECTION WITH RADIAL TENSION FOR ONE-PIECE PACKAGES

Изобретение относится к самолетостроению и может быть использовано в судостроении и других отраслях машиностроения.
Известен способ сборки деталей типа вал-втулка с натягом, осуществляемый методом горячей запрессовки охватывающей детали (патент РФ №2122122, МПК B23P 11/02, B23P 19/02, опубликованный 27.08.2007 г.) Метод характеризуется тем, что перед установкой охватывающую деталь нагревают, создавая тем самым посадочный зазор.
Этот способ невозможно применить в условиях агрегатной или стапельной сборки, а также при формировании пакета из разнородных материалов потому, что недопустимо производить нагревание охватывающих деталей в указанных условиях.
Известен способ размещения втулок в болтовом соединении, осуществляемый запрессовкой пары концентрических втулок в отверстия двух соединяемых деталей перед установкой в них болта (авторское свидетельство СССР №1201567, МПК F16B 4/02, B64F 5/00, опубликованное 30.12.1985 г.).
Недостатком этого способа является то, что он имеет ограниченное применение. Может быть использован для соединения не более двух деталей, а устанавливаемые втулки не позволяют выравнивать напряженное состояние в соединении. Метод их установки запрессовкой приводит к нарушению структуры поверхностного слоя стенок отверстия, что понижает ресурс соединения.
Известен способ выполнения болтового соединения с радиальным натягом для неразъемных пакетов, близкий по технической сущности и достигаемому результату к изобретению и принятый за прототип (Технология выполнения высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений в конструкциях самолетов / А.И.Ярковец, О.С.Сироткин, В.А.Фирсов, Н.М.Киселев. - М.: Изд-во Машиностроение, 1987. - 192 с). Способ включает сжатие пакета, сверление отверстия, подготовку поверхности под головку болта, протягивание, упрочнение стенок отверстия раскатыванием, снятие фасок по внешним кромкам отверстия, вставку болта в отверстие механическим способом (запрессовкой или втягиванием), надевание шайбы, наживление и завинчивание гайки.
Недостатками этого способа являются:
- применение указанного соединения только для пакетов из алюминиевых сплавов, что ограничивает его использование;
- создаваемое напряженное поле в соединении неоднородно по высоте пакета, в результате чего снижается надежность соединения;
- вследствие механического способа установки болтов происходит раскрытие пакета, приводящее к возникновению фреттинг-коррозии, и изменение величины радиального натяга в соединении из-за нарушения структуры поверхностного слоя стенок отверстия, что приводит к значительному снижению ресурса болтового соединения;
- применение сложного и нестабильного метода упрочнения стенок отверстия раскатыванием влечет за собой снижение производительности процесса стапельной и агрегатной сборки.
Изобретение направлено на повышение надежности и ресурса авиационной техники, на расширение области применения болтовых соединений с радиальным натягом.
Поставленная задача достигается тем, что в способе выполнения болтового соединения с радиальным натягом для неразъемных пакетов, включающем сжатие пакета, образование и упрочнение отверстия, установку болта, шайбы и гайки, в отверстие пакета устанавливают промежуточную тонкостенную втулку по высоте пакета, при этом втулку предварительно охлаждают в криогенной среде, выдерживают пакет с втулкой до достижения ею комнатной температуры, затем охлаждают болт в криогенной среде и устанавливают его в отверстие втулки, выдерживают пакет с втулкой и болтом до достижения им комнатной температуры, при этом втулку и болт охлаждают в атмосфере жидкого азота до температуры
-196°C, упрочнение отверстия производят по внутренней поверхности втулки дорнованием.
Отличием от прототипа является то, что в отверстие пакета устанавливают с радиальным натягом промежуточную тонкостенную втулку по высоте пакета, при этом втулку предварительно охлаждают в криогенной среде, выдерживают пакет с втулкой до достижения ею комнатной температуры, затем охлаждают болт в криогенной среде и устанавливают его в отверстие втулки, выдерживают пакет с втулкой и болтом до достижения им комнатной температуры, при этом втулку и болт охлаждают в атмосфере жидкого азота до температуры -196°C, а упрочнение отверстия производят по внутренней поверхности втулки дорнованием.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа выполнения болтового соединения с радиальным натягом для неразъемных пакетов критерию «новизна».
Установка промежуточной втулки позволяет применить болтовые соединения с радиальным натягом для пакетов, состоящих из необходимого числа деталей любого материала, что может значительно расширить область применения заявляемого способа.
Охлаждение втулки и болта перед установкой в криогенной среде позволяет создавать радиальный натяг в соединении, не нарушая целостности стенок отверстия, благодаря чему возникает возможность избежать раскрытия пакета, приводящее к возникновению фреттинг-коррозии, что приводит к повышению надежности и ресурса болтового соединения с радиальным натягом.
В качестве криогенной среды используется жидкий азот (-196°), что позволяет максимально охладить втулку и болт и обеспечить тем самым максимальный посадочный зазор. Это приводит к установке втулки и болта без повреждения контактных поверхностей, обеспечивая тем самым высокий ресурс болтового соединения с радиальным натягом.
Анализ научно-технической и патентной информации позволил выявить источник информации, в котором обнаружен признак, сходный с признаком в заявляемом техническом решении.
Известно проведение предварительной температурной обработки охватывающей детали перед сборкой и выдерживание ее до достижения комнатной температуры (патент РФ №2122122, МПК B23P 11/02, B23P 19/02, опубликованный 27.08.2007 г.). В известном решении охватывающую деталь нагревают перед сборкой и выдерживают ее до достижения ею комнатной температуры, тогда как в заявляемом решении температурную обработку втулки и болта осуществляют в криогенной среде при температуре -196°C.
Проведение противоположных по сути операций температурных обработок для достижения нужного результата позволяет сделать вывод о соответствие заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Способ выполнения болтового соединения с радиальным натягом для неразъемных пакетов осуществляется следующим образом:
Формируем пакет из трех деталей общей высотой 80 мм из материалов различных марок В95Т2, 30ХГСН2А и ВТ20 и производим его сжатие в стапеле. Образуем отверстие в пакете диаметром 14 мм с помощью спирального сверла, закрепленного в сверлильном пневматическом агрегате СПА-20 по кондуктору со стороны детали материала ВТ20. Чистовую обработку отверстия производим последовательно зенкером и протяжкой, закрепленными соответственно в сверлильном пневматическом агрегате СПА-20 и в ручной пневматической реверсивной машине РПРМ-12. Обработку краев отверстия с целью удаления заусенцев производим зенковкой, установленной в сверлильном пневматическом агрегате СПА-20. Доводим таким образом размер обрабатываемого отверстия до диаметра 17Н7. Контроль полученного диаметра осуществляем микрометром модели 120 (0-25) ГОСТ 6507-90. Затем промежуточную втулку с толщиной стенки 0,5 мм из высокопрочной стали марки 12Х15Н4АМ3 помещаем в сосуд с жидким азотом (сосуд Дьюара) и охлаждаем до температуры -196°C в течение 5 минут (время выдержки определяют экспериментально по моменту прекращения кипения жидкого азота). В результате охлаждения диаметр втулки уменьшается на 32 мкм. Охлажденную втулку вынимаем из сосуда с жидким азотом и устанавливаем в отверстие пакета по высоте, равной высоте пакета (80 мм) без дополнительных усилий. После сборки выдерживаем пакет с втулкой в течение 20 минут до достижения ею комнатной температуры (время выдержки определяют экспериментально по моменту исчезновения изморози на поверхности втулки). Ее геометрические размеры восстанавливаются, в результате чего формируется посадка втулки с радиальным натягом по наружному диаметру втулки () в отверстии пакета. Затем производим упрочнение отверстия по внутренней поверхности втулки дорном, закрепленным в наконечнике пневмомолотка. После этого болт диаметром  помещаем в сосуд с жидким азотом (сосуд Дьюара) и охлаждаем в нем до температуры -196° в течение 10 минут (время выдержки определяют экспериментально по моменту прекращения кипения жидкого азота). В результате охлаждения диаметр болта уменьшается до диаметра . Охлажденный болт вынимаем из сосуда с жидким азотом и устанавливаем в отверстие пакета без дополнительных усилий. После сборки выдерживаем пакет с втулкой и болтом в течение 40 минут до достижения им комнатной температуры. В результате геометрические размеры болта восстанавливаются и формируется посадка болта с радиальным натягом в отверстии втулки  без снятия исходного микрорельефа. Далее осуществляют надевание шайбы, наживление и завинчивание гайки.
Технический результат достигается за счет того, что установка охлажденных в криогенной среде болта и промежуточной втулки позволяет применять болтовое соединение для пакетов, состоящих из необходимого числа деталей любого материала, исключить раскрытие пакета, влекущее возникновение фрретинг-коррозии, исключить срезание микронеровностей со стенок отверстия, изменяющее значение радиального натяга, а также дает возможность заменить малопроизводительный и нестабильный процесс раскатывания на дорнование.