Способ изготовления тонкостенных осесимметричных оболочек
METHOD OF MANUFACTURING THIN-WALLED AXISYMMETRIC SHELLS

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при изготовлении высокопрочных тонкостенных оболочек ракетных двигателей или элементов оболочек с толстостенным дном в ее средней части из высокопрочной легированной стали.
Известен способ изготовления неразъемной сборки из двух деталей тел вращения, включающий обработку резанием и упрочняющую термообработку первой детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности типа «вал», обработку резанием и упрочняющую термообработку второй детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности типа «отверстие» с номинальным диаметром, меньшим диаметра «вала» первой детали, нагревание второй детали до температуры несколько ниже температуры низкого отпуска материала, из которого она изготовлена, сборку первой и второй детали по посадочным поверхностям и охлаждение сборки до нормальной температуры, при этом максимальные значения сопротивления сдвигу осевой силой получают при выполнении горячей посадки с большим натягом. Способ эффективно используется для соединения толстостенных, жестких деталей (см. Решетов Д.Н. Детали машин. М., Машиностроение, 1964 г., стр. 91-93).
Недостатки данного способа:
1. Для соединения тонкостенных деталей большие натяги, обеспечивающие максимальное сопротивление сдвигу, неприемлемы, в том числе из-за быстрого охлаждения охватывающей детали в процессе сборки.
2. При соединении тонкостенных деталей по гладкой цилиндрической поверхности с малым натягом снижается давление в соединении и, как следствие, снижается сопротивление сдвигу. Для увеличения сопротивления сдвигу необходимо увеличивать длину посадочных поверхностей, что значительно увеличивает расход металла, а также (при большой длине посадочных поверхностей) делает соединение невозможным.
3. При нагревании детали с охватывающей поверхностью до температуры ниже температуры низкого отпуска посадочный диаметр увеличивается, при этом увеличение посадочного диаметра менее 80 мм у стальных деталей незначительно по величине и недостаточно для сборки тонкостенных деталей с наличием овальности по посадочным диаметрам.
Известен способ изготовления сосудов сложной формы (см. патент RU №2131787, B21D 51/10, B21D 22/16, 20.06.1999 г.), принятый за прототип. Способ включает раздельное изготовление цилиндрического элемента и донного элемента из листовых заготовок, изготовление неразъемного осесимметричного полуфабриката сложной формы путем сварки встык кольцевым швом цилиндрического и донного элементов, термообработку полуфабриката для снятия напряжений, полученных при сварке, контроль качества сварного шва, ротационную вытяжку цилиндрического элемента полуфабриката совместно со сварным швом с получением тонкостенной оболочки и окончательную обработку оболочки.
Недостаток прототипа в том, что при сварке встык неизбежны дефекты сварного шва из-за отклонения от круглости и разности действительных диаметров свариваемых тонкостенных элементов.
Предлагаемым изобретением решается задача - обеспечение заданной геометрической точности и минимальных материальных затрат при изготовлении.
Технический результат заключается в возможности изготовления из высокопрочных сталей сложнопрофильной осесимметричной оболочки с внутренним диаметром более 80 мм типа корпуса двигательной установки ракетного двигателя, состоящего из 2-3 элементов, при этом один из них является донным элементом, расположенным в средней части оболочки по ее длине.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенной сложнопрофильной осесимметричной оболочки с внутренним диаметром более 80 мм из высокопрочной легированной стали, включающем раздельное изготовление элементов оболочки, их последующее соединение в неразъемную оболочку, термообработку для снятия напряжений и окончательную обработку, новым является то, оболочку изготавливают раздельно из двух или трех элементов, первый из которых, являющийся дном оболочки, выполняют с наружной охватываемой посадочной поверхностью, а по меньшей мере второй элемент выполняют с ответной ему охватывающей поверхностью у торца, а соединение элементов в неразъемную оболочку осуществляют с натягом путем нагрева элементов с охватывающими поверхностями до температуры, обеспечивающей превышение минимального диаметра посадочной поверхности по меньшей мере второго элемента максимального диаметра первого элемента более чем на 0,2 мм.
Посадочные поверхности могут быть выполнены в виде кольцевых выступов и канавок, причем кольцевые выступы и канавки охватывающей поверхности выполняют соответствующими ответным им кольцевым канавкам и выступам охватываемой поверхности.
Для увеличения герметичности и прочности неразъемного полуфабриката элементы фиксируют друг с другом сварным швом по торцам.
При необходимости приваривают на наружную поверхность элементы конструкции типа бобышек и направляющих.
Изготовление элементов оболочки с посадочными поверхностями, полученными обработкой резанием, и последующее соединение элементов по посадочным поверхностям с натягом обеспечивает их соосное расположение относительно друг друга.
Изготовление тонкостенной оболочки сложной формы или элемента оболочки в виде неразъемной блочной конструкции соединением двух, трех элементов (в том числе состоящих из нескольких деталей) с натягом по предварительно обработанным резанием посадочным поверхностям и последующей сваркой позволяет упростить технологию изготовления тонкостенной оболочки сложной формы, значительно снизить расход металла и повысить ее геометрическую точность.
Изготовление у первого элемента охватываемых посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых выступов и канавок, а по меньшей мере у второго элемента охватывающих посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых канавок и выступов с последующим соединением элементов с помощью температурного деформирования с фиксацией сварным швом обеспечивает герметичность оболочки и увеличение противодействующего усилия осевой сдвигающей силе, действующей на соединение, в процессе эксплуатации до суммы усилия, необходимого для разрушения сварного шва и усилия сопротивления деформации кольцевых выступов (срез, смятие).
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан неразъемный полуфабрикат оболочки с дном, расположенным в средней части полуфабриката, выполненный соединением с натягом дна - элемента 1 с тонкостенной камерой - элемент 2 по полученным обработкой резанием посадочным поверхностям «D»/«d» посредством температурного деформирования и фиксацией торцов элемента 1 сварным швом;
1
1
- на фиг. 2 показан полуфабрикат неразъемной тонкостенной оболочки с дном в средней части по длине, выполненный соединением дна - элемента 1, тонкостенной маршевой камеры - элемента 3 и тонкостенной стартовой камеры - элемента 4 по полученным обработкой резанием посадочным поверхностям «D»/«d» и «D»/«d» посредством температурного деформирования и фиксации торцов элемента 3 и элемента 4 между собой и элементом 1 сварным швом, с приваренными к наружной поверхности бобышками 5 и направляющими 6;
1
- на фиг. 3 показано дно - элемент 1 с наружной охватываемой поверхностью, выполненной из сочетания кольцевых выступов 7 и канавок 8 с диаметрами «d» и «d», с номинальными размерами толщины «а» выступов и ширины «б» канавок;
1
- на фиг. 4 показана тонкостенная маршевая камера - элемент 3 с охватывающими посадочными поверхностями у торца из сочетания кольцевых канавок и выступов, ответных посадочным поверхностям элемента 1, с диаметрами «D» и «D», с номинальными размерами толщины выступов «б» и ширины канавок «а»;
1
- на фиг. 5 показана тонкостенная стартовая камера - элемент 4 с охватывающими посадочными поверхностями у торца из сочетания кольцевых канавок и выступов, ответных посадочным поверхностям элемента 1, с диаметрами «D» и «D», с номинальными размерами толщины выступов «б» и ширины канавок «а».
Пример использования 1
Требуется изготовить неразъемный полуфабрикат оболочки с толстостенным дном, расположенным в средней части полуфабриката как на фиг. 1, из высокопрочной стали СП2В(28Х3СНМВФА), состоящий из толстостенного дна - элемент 1 и тонкостенной камеры - элемент 2. Элементы изготавливают раздельно.
Последовательным выполнением операций холодной штамповки, термообработки и обработки резанием из листовой заготовки изготавливают тонкостенную камеру - элемент 2 с внутренним диаметром Ф=194 мм. В средней части элемента 2 резанием обрабатывают посадочную поверхность в виде кольцевой канавки диаметром D=194,6 мм и шириной канавки, соответствующей толщине ответного элемента.
Изготавливают толстостенное дно - элемент 1 с наружной посадочной поверхностью, ответной посадочной поверхности элемента 2 с геометрическими размерами, обеспечивающими гарантированный натяг более 0,2 мм в соединении. Нагревают камеру до температуры 500°С, при этом диаметральные размеры камеры увеличиваются более чем на 1,2 мм. Устанавливают элемент 1 в элемент 2 и охлаждают сборку. Фиксируют дно сваркой по торцам элемента 1. Подвергают полуфабрикат термообработке для снятия напряжений и окончательной обработке резанием.
Пример использования 2
1
Требуется изготовить тонкостенный полуфабрикат оболочки с дном в средней части по длине, как на фиг. 2, из стали СП2В(28Х3СНМВФА), состоящий из дна - элемент 1, тонкостенной маршевой камеры - элемент 3 и тонкостенной стартовой камеры - элемент 4. Последовательным выполнением операций холодной штамповки, ротационной вытяжки, промежуточной термообработки для снятия напряжений и обработки резанием из листовой заготовки изготавливают тонкостенную маршевую камеру - элемент 3 и тонкостенную стартовую камеру - элемент 4 с внутренними диаметрами Ф=194 мм и Ф=190 мм. У торцов деталей (со стороны диаметра Ф) обработкой резанием обрабатывают посадочную поверхность из сочетания кольцевых выступов и канавок с геометрическими размерами: - диаметр выступов D=195 мм; диаметр канавок D=195,5 мм; с толщиной выступов «б» = 5 мм; шириной канавок «а» = 5 мм.
Изготавливают дно - элемент 1 с наружной посадочной поверхностью из кольцевых канавок и выступов, ответных кольцевым выступам и канавкам камеры с диаметрами канавок и выступов, обеспечивающих гарантированный натяг в соединении более 0,3 мм.
Нагревают элементы 3 и 4 до температуры (400-500)°С, при этом диаметральные размеры камеры увеличиваются более чем на 1 мм. Последовательно устанавливают элементы 3 и 4 на элемент 1 и охлаждают сборку. Фиксируют элементы 1, 3 и 4 между собой сваркой. На наружную поверхность полуфабриката приваривают бобышки 5 и направляющие 6. Подвергают сборку термообработке для снятия напряжений. Производят предварительную обработку резанием, упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием.
Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при изготовлении высокопрочных тонкостенных оболочек ракетных двигателей или элементов оболочек с толстостенным дном в ее средней части из высокопрочной легированной стали.
Известен способ изготовления неразъемной сборки из двух деталей тел вращения, включающий обработку резанием и упрочняющую термообработку первой детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности типа «вал», обработку резанием и упрочняющую термообработку второй детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности типа «отверстие» с номинальным диаметром, меньшим диаметра «вала» первой детали, нагревание второй детали до температуры несколько ниже температуры низкого отпуска материала из которого она изготовлена, сборку первой и второй детали по посадочным поверхностям и охлаждение сборки до нормальной температуры, при этом максимальные значения сопротивления сдвигу осевой силой получают при выполнении горячей посадки с большим натягом. Способ эффективно используется для соединения толстостенных, жестких деталей (см. Решетов Д.Н. «Детали машин», Машиностроение, 1964 г., стр. 91-93).
Недостатки данного способа:
1. Для соединения тонкостенных деталей большие натяги, обеспечивающие максимальное сопротивление сдвигу, неприемлемы, в том числе из-за быстрого охлаждения охватывающей детали в процессе сборки;
2. При соединении тонкостенных деталей по гладкой цилиндрической поверхности с малым натягом снижается давление в соединении и, как следствие, снижается сопротивление сдвигу. Для увеличения сопротивления сдвигу необходимо увеличивать длину посадочных поверхностей, что значительно увеличивает расход металла, а также (при большой длине посадочных поверхностей) делает соединение невозможным;
3. При нагревании детали с охватывающей поверхностью до температуры ниже температуры низкого отпуска посадочный диаметр увеличивается, при этом увеличение посадочного диаметра менее 80 мм у стальных деталей незначительно по величине и недостаточно для сборки тонкостенных деталей с наличием овальности по посадочным диаметрам.
Известен способ изготовления сосудов сложной формы (см. патент RU №2131787, B21D 51/10, B21D 22/16, 20.06.1999 г.), принятый за прототип. Способ включает раздельное изготовление цилиндрического элемента и донного элемента из листовых заготовок, изготовление неразъемного осесимметричного полуфабриката сложной формы путем сварки встык кольцевым швом цилиндрического и донного элементов, термообработку полуфабриката для снятия напряжений полученных при сварке, контроль качества сварного шва, ротационную вытяжку цилиндрического элемента полуфабриката совместно со сварным швом с получением тонкостенной оболочки и окончательную обработку оболочки.
Недостаток прототип в том, что при сварке встык неизбежны дефекты сварного шва из-за отклонения от круглости и разности действительных диаметров свариваемых тонкостенных элементов.
Предлагаемым изобретением решается задача - обеспечение заданной геометрической точности и минимальных материальных затрат при изготовлении.
Технический результат заключается в возможности изготовления из высокопрочных сталей сложнопрофильной осесимметричной оболочки с внутренним диаметром более 80 мм. типа корпуса двигательной установки ракетного двигателя, состоящего из 2-3 элементов, при этом один из них является донным элементом, расположенным в средней части оболочки по ее длине.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенной осесимметричной оболочки со сложной внутренней поверхностью, включающем раздельное изготовление нескольких элементов оболочки, последующее их соединение в неразъемный полуфабрикат сложной формы, термообработку для снятия напряжений и окончательную обработку новым является то, что элементы оболочки изготавливают с охватываемыми посадочными поверхностями у первого элемента, а у второго (второго и третьего) с охватывающими, в неразъемный полуфабрикат элементы оболочки собирают по посадочным поверхностям с натягом, выполняют окончательную термообработку и обработку резанием.
Для большей герметичности и прочности соединение элементов может быть осуществлено методом температурного деформирования, при этом нагревание элементов с охватывающими поверхностями под температурное деформирование осуществляют до температуры, обеспечивающей превышение минимального диаметра посадочной поверхности второго элемента (второго и третьего) над максимальным диаметром первого элемента более, чем на 0,2 мм.
Посадочные поверхности могут быть выполнены из сочетания кольцевых выступов и канавок, когда кольцевые выступы и канавки охватывающей поверхности соответствуют ответным им кольцевым канавкам и выступам охватываемой поверхности.
Для увеличения герметичности и прочности неразъемного полуфабриката элементы фиксируют друг с другом сварным швом по торцам.
При необходимости приваривают на наружную поверхность элементы конструкции типа бобышек и направляющих.
Изготовление элементов оболочки с посадочными поверхностями полученными обработкой резанием и последующее соединение элементов по посадочным поверхностям с натягом обеспечивает их соосное расположение относительно друг друга.
Изготовление тонкостенной оболочки сложной формы или элемента оболочки в виде неразъемной блочной конструкции соединением двух, трех элементов (в том числе состоящих из нескольких деталей) с натягом по предварительно обработанным резанием посадочным поверхностям и последующей сваркой позволяет упростить технологию изготовления тонкостенной оболочки сложной формы, значительно снизить расход металла и повысить ее геометрическую точность.
Изготовление у первого элемента охватываемых посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых выступов и канавок, а у второго (второго и третьего) элементов, охватывающих посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых канавок и выступов с последующим соединением элементов с помощью температурного деформирования с фиксацией сварным швом обеспечивает герметичность оболочки, и увеличение противодействующего усилия осевой сдвигающей силе, действующей на соединение, в процессе эксплуатации до суммы усилия, необходимого для разрушения сварного шва и усилия сопротивления деформации кольцевых выступов (срез, смятие).
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан неразъемный полуфабрикат оболочки с дном, расположенным в средней части полуфабриката, выполненный соединением с натягом дна - элемента 1 с тонкостенной камерой - элемент 2 по полученным обработкой резанием посадочным поверхностям «D»/«d» посредством температурного деформирования и фиксацией торцов элемента 1 сварным швом;
1
1
- на фиг. 2 показан полуфабрикат неразъемной тонкостенной оболочки с дном в средней части по длине, выполненный соединением дна - элемента 1, тонкостенной маршевой камеры - элемента 3 и тонкостенной стартовой камеры - элемента 4 по полученным обработкой резанием посадочным поверхностям «D»/«d» и «D»/«d» посредством температурного деформирования и фиксации торцов элемента 3 и элемента 4 между собой и элементом 1 сварным швом, с приваренными к наружной поверхности бобышками 5 и направляющими 6;
1
- на фиг. 3 показано дно - элемент 1 с наружной охватываемой поверхностью, выполненной из сочетания кольцевых выступов 7 и канавок 8 с диаметрами «d» и «d», с номинальными размерами толщины «а» выступов и ширины «б» канавок;
1
- на фиг. 4 показана тонкостенная маршевая камера - элемент 3 с охватывающими посадочными поверхностями у торца из сочетания кольцевых канавок и выступов, ответных посадочным поверхностям элемента 1, с диаметрами «D» и «D», с номинальными размерами толщины выступов «б» и ширины канавок «а»;
1
- на фиг. 5 показана тонкостенная стартовая камера - элемент 4 с охватывающими посадочными поверхностями у торца из сочетания кольцевых канавок и выступов, ответных посадочным поверхностям элемента 1, с диаметрами «D» и «D», с номинальными размерами толщины выступов «б» и ширины канавок «а».
Пример использования 1.
Требуется изготовить неразъемный полуфабрикат оболочки с толстостенным дном, расположенным в средней части полуфабриката как на фиг. 1, из высокопрочной стали СП2В(28Х3СНМВФА) состоящий из толстостенного дна - элемент 1 и тонкостенной камеры - элемент 2. Элементы изготавливают раздельно.
Последовательным выполнением операций холодной штамповки, термообработки и обработки резанием из листовой заготовки изготавливают тонкостенную камеру - элемент 2 с внутренним диаметром Ф=194 мм. В средней части элемента 2 резанием обрабатывают посадочную поверхность в виде кольцевой канавки диаметром D=194,6 мм и шириной канавки, соответствующей толщине ответного элемента.
Изготавливают толстостенное дно - элемент 1 с наружной посадочной поверхностью, ответной посадочной поверхности элемента 2 с геометрическими размерами, обеспечивающими гарантированный натяг более 0,2 мм в соединении. Нагревают камеру до температуры 500°С, при этом диаметральные размеры камеры увеличиваются более, чем на 1,2 мм. Устанавливают элемент 1 в элемент 2 и охлаждают сборку. Фиксируют дно сваркой по торцам элемента 1. Подвергают полуфабрикат термообработке для снятия напряжений и окончательной обработке резанием.
Пример использования 2.
1
Требуется изготовить тонкостенный полуфабрикат оболочки с дном в средней части по длине, как на фиг. 2, из стали СП2В(28Х3СНМВФА) состоящий из дна - элемент 1, тонкостенной маршевой камеры - элемент 3 и тонкостенной стартовой камеры - элемент 4. Последовательным выполнением операций холодной штамповки, ротационной вытяжки, промежуточной термообработки для снятия напряжений и обработки резанием из листовой заготовки изготавливают тонкостенную маршевую камеру - элемент 3 и тонкостенную стартовую камеру - элемент 4 с внутренними диаметрами Ф=194 мм и Ф=190 мм. У торцов деталей (со стороны диаметра Ф) обработкой резанием обрабатывают посадочную поверхность из сочетания кольцевых выступов и канавок с геометрическими размерами: - диаметр выступов D=195 мм; диаметр канавок D=195,5 мм; с толщиной выступов «б»=5 мм; шириной канавок «а»=5 мм.
Изготавливают дно - элемент 1 с наружной посадочной поверхностью из кольцевых канавок и выступов, ответных кольцевым выступам и канавкам камеры с диаметрами канавок и выступов, обеспечивающих гарантированный натяг в соединении более 0,3 мм.
Нагревают элементы 3 и 4 до температуры (400-500)°С, при этом диаметральные размеры камеры увеличиваются более, чем на 1 мм. Последовательно устанавливают элементы 3 и 4 на элемент 1 и охлаждают сборку. Фиксируют элементы 1, 3 и 4 между собой сваркой. На наружную поверхность полуфабриката приваривают бобышки 5 и направляющие 6. Подвергают сборку термообработке для снятия напряжений. Производят предварительную обработку резанием, упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием.