СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, РАБОТАЮЩЕЙ В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ УСЛОВИЯХ
METHOD TO PRODUCE REINFORCED STRUCTURE FROM DISSIMILAR MATERIALS OPERATED IN HEAT-STRESSED CONDITIONS

Изобретение относится к области изготовления изделий ответственного назначения, работающих в теплонапряженных условиях, в конструкциях которых используют узлы, состоящие из металлического корпуса и внутреннего неметаллического вкладыша и может быть использовано в объектах техники с воздействием внутренней агрессивной среды, характеризующейся импульсным возрастанием давления и температуры.
Корпус является армирующим (упрочняющим) элементом таких конструкций, который изготавливают, как правило, из сталей марок 30 или 35.
Корпус в таких конструкциях служит также для расположения наружных элементов узлов крепления, со стороны которых испытывает значительные нагрузки, вызывающие упруго-пластические деформации.
Среди известных способов такие узлы крепят при помощи обечаек, которые изготавливают с использованием сварки: либо в среде защитных газов (например, активного углекислого) методом электрозаклепки точечными швами (см. например, патент РФ №2409457), либо сварки давлением методом контактной рельефной сварки (см. например, патент РФ №2443528).
Защитным элементом таких конструкций является вкладыш, находящийся во взаимодействии с агрессивной средой и подвергающийся активной эрозии в процессе эксплуатации. Для его изготовления используют, как правило, термореактивные композиции (реактопласты), такие как фено- и аминопласты, пресс-материалы на полиэфирных и эпоксидных связующих и др. в виде порошкообразных (сыпучих), гранулированных или волокнистых веществ.
Среди способов изготовления вкладных деталей распространение получило прессование: прямое (компрессионное) или литьевое (трансферное).
Прессование считается рациональным способом в изготовлении такого рода армированных конструкций.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ изготовления армированных конструкций (см. например, Переработка пластмасс. Справочник. Под ред. Брагинского В.А., Ленинград: Химия, 1985 г., стр.59), принятый авторами за прототип, при котором металлический корпус получают одним из известных способов раздельно от неметаллического вкладыша, а вкладыш получают прессованием, затем заготовки корпуса и вкладыша подвергают сборке в специальной оснастке с нанесением клеевого состава (там же, стр.259-261) заданной рецептуры, например компаунда на основе эпоксидной смолы, двуокиси циркония и полиэтиленполиаминов, и последующему длительному процессу склеивания (вследствие продолжительного времени полимеризации адгезива - клея) под нагрузкой с образованием неразъемного клеевого соединения из разнородных материалов по месту контакта склеиваемых поверхностей (субстратов) деталей через клеевой шов.
Такой способ позволяет получать армированные конструкции (там же, стр.58, 3-я строка снизу) из разнородных материалов с клеевым соединением корпуса с вкладышем.
Однако при таком способе корпус изготавливают без наружных элементов узлов крепления, что требует в конструкции дополнительной сборочной единицы в виде обечайки с вваренными в нее элементами крепления (как например, согласно указанным выше патентам РФ №№2409457, 2443528), изготовление которой весьма трудоемко.
Кроме того, в таком способе требуется дополнительная сборочная операция вклейки, которая является продолжительной по времени, что удлиняет технологический цикл изготовления, а также довольно сложной и трудоемкой операцией.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, принятого авторами за прототип, относится сложность контроля качества клеевого шва по месту контакта склеиваемых деталей неразрушающими методами, недостаточный уровень надежности клеевого соединения и связанные с этим отклонения в функционировании изделия.
Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось обеспечение неразъемного соединения двух деталей из разнородных материалов посредством склеивания.
Общими признаками с предлагаемым авторами способом изготовления армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, содержащей упрочняющий металлический корпус и внутренний защитный неметаллический вкладыш из термостойкого пресс-материала, является изготовление заготовок корпуса и вкладыша, их соединение в единую конструкцию, механическую обработку конструкции в сборе.
В отличие от прототипа в предлагаемом авторами способе изготовления армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, корпус выполняют из высокопрочного алюминиевого сплава в виде массивного силового узла с наружными элементами узлов крепления, с оформлением задней части с использованием тонкостенной штампованной сложнопрофильной обечайки, которую соединяют с корпусом при помощи вкладыша, при этом вкладыш получают прессованием с винтообразными утолщениями в задней части из композиционного пресс-материала в виде термореактивной композиции на фенольном связующем, причем процесс изготовления вкладыша совмещают с операциями его сборки и скрепления с корпусом и обечайкой, для этого корпус и обечайку размещают в полуматрицах, которые устанавливают в пресс-форму с электронагревом, позиционируют в ней, помещают навеску таблетированного пресс-материала и осуществляют прессование пуансоном на шарикоподшипниковой опоре при температуре (160±5)°С и давлении (20±1) МПа с выдержкой при этих параметрах в течение (15±1) мин, при этом скрепление и взаимную фиксацию корпуса и обечайки осуществляют в процессе прессования материала и заполнения им внутренних поднутрений в корпусе.
В частном случае, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:
- винтообразные утолщения в задней части вкладыша выполняют равномерно с заданным шагом, при этом геометрические параметры утолщений выбирают исходя из физико-механических свойств материала;
- корпус с наружными элементами узлов крепления получают жидкой штамповкой методом литья с кристаллизацией под давлением.
Именно это позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение неразъемного соединения конструктивных элементов из разнородных материалов в процессе изготовления одного из них, без использования операции склеивания, а также повышение технологичности изготовления с обеспечением требуемой прочности и надежности конструкции в условиях воздействия внутренней агрессивной среды.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что при известном способе изготовления армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, содержащей упрочняющий металлический корпус и внутренний защитный неметаллический вкладыш из термостойкого пресс-материала, включающим изготовление заготовок корпуса и вкладыша, их соединение в единую конструкцию, механическую обработку конструкции в сборе, особенность заключается в том, что корпус выполняют из высокопрочного алюминиевого сплава в виде массивного силового узла с наружными элементами узлов крепления, с оформлением задней части с использованием тонкостенной штампованной сложнопрофильной обечайки, которую соединяют с корпусом при помощи вкладыша, при этом вкладыш получают прессованием с винтообразными утолщениями в задней части из композиционного пресс-материала в виде термореактивной композиции на фенольном связующем, причем процесс изготовления вкладыша совмещают с операциями его сборки и скрепления с корпусом и обечайкой, для этого корпус и обечайку размещают в полуматрицах, которые устанавливают в пресс-форму с электронагревом, позиционируют в ней, помещают навеску таблетированного пресс-материала и осуществляют прессование пуансоном на шарикоподшипниковой опоре при температуре (160±5)°С и давлении (20±1) МПа с выдержкой при этих параметрах в течение (15±1) мин, при этом скрепление и взаимную фиксацию корпуса и обечайки осуществляют в процессе прессования материала и заполнения им внутренних поднутрений в корпусе.
Новая совокупность конструктивных элементов и технологических приемов, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:
- выполнения корпуса из высокопрочного алюминиевого сплава облегчить конструкцию с обеспечением требуемой прочности;
- выполнения корпуса в виде массивного силового узла с наружными элементами узлов крепления исключить дополнительную сборочную единицу с элементами узлов крепления и технологическую операцию по ее изготовлению, снизить трудоемкость, повысить технологичность изготовления;
- оформления задней части корпуса с использованием тонкостенной штампованной сложнопрофильной обечайки облегчить конструкцию, увеличить коэффициент использования металла, повысить технологичность изготовления;
- соединения обечайки с корпусом при помощи вкладыша исключить дополнительную сборочную операцию посредством сварки, снизить трудоемкость, повысить технологичность изготовления;
- получения вкладыша с винтообразными утолщениями в задней части обеспечить требуемые характеристики готовой конструкции, повысить технологичность изготовления ее концевого участка;
- получения вкладыша из композиционного пресс-материала в виде термореактивной композиции на фенольном связующем повысить прочность с обеспечением требуемой надежности;
- совмещения изготовления вкладыша с операциями его сборки и скрепления с корпусом и обечайкой посредством размещения корпуса и обечайки в полуматрицах, которые устанавливают в пресс-форму с электронагревом и позиционируют в ней, исключить дополнительную энерго- и трудоемкую сборочную операцию вклеивания, снизить трудоемкость, повысить технологичность изготовления;
- осуществления прессования навески таблетированного пресс-материала пуансоном на шарикоподшипниковой опоре создать условия для извлечения пуансона из пресс-формы и сформировать винтообразные утолщения в задней части вкладыша, повысить технологичность изготовления;
- прессования при температуре (160±5)°С и давлении (20±1) МПа с выдержкой при этих параметрах в течение (15±1) мин гарантировать качество изготовления выверенными при отработке технологии режимами, обеспечить надежность функционирования;
- осуществления скрепления и взаимной фиксации корпуса и обечайки в процессе прессования материала посредством заполнения им внутренних поднутрений в корпусе гарантировать надежность неразъемного соединения, исключить сдвиг элементов конструкции друг относительно друга, повысить технологичность изготовления.
Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах исполнения, позволяют в частности за счет:
- выполнения винтообразных утолщений в задней части вкладыша равномерно с заданным шагом, с выбором геометрических параметров утолщений исходя из физико-механических свойств материала, обеспечить требуемые характеристики готовой продукции, повысить технологичность изготовления ее концевого участка;
- получения корпуса с наружными элементами узлов крепления жидкой штамповкой методом литья с кристаллизацией под давлением повысить коэффициент использования металла, снизить трудоемкость, повысить технологичность изготовления.
Сущность изобретения заключается в том, что при осуществлении способа изготовления армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, содержащей упрочняющий металлический корпус и внутренний защитный неметаллический вкладыш из термостойкого пресс-материала, включающего изготовление заготовок корпуса и вкладыша, их соединение в единую конструкцию, механическую обработку конструкции в сборе, в отличие от прототипа согласно изобретению, корпус выполняют из высокопрочного алюминиевого сплава в виде массивного силового узла с наружными элементами узлов крепления, с оформлением задней части с использованием тонкостенной штампованной сложнопрофильной обечайки, которую соединяют с корпусом при помощи вкладыша, при этом вкладыш получают прессованием с винтообразными утолщениями в задней части из композиционного пресс-материала в виде термореактивной композиции на фенольном связующем, причем процесс изготовления вкладыша совмещают с операциями его сборки и скрепления с корпусом и обечайкой, для этого корпус и обечайку размещают в полуматрицах, которые устанавливают в пресс-форму с электронагревом, позиционируют в ней, помещают навеску таблетированного пресс-материала и осуществляют прессование пуансоном на шарикоподшипниковой опоре при температуре (160±5)°С и давлении (20±1) МПа с выдержкой при этих параметрах в течение (15±1) мин, при этом скрепление и взаимную фиксацию корпуса и обечайки осуществляют в процессе прессования материала и заполнения им внутренних поднутрений в корпусе.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид армированной конструкции из разнородных материалов; на фиг.2 - вид справа армированной конструкции; на фиг.3 - схема изготовления армированной конструкции из разнородных материалов.
Изготовление армированной конструкции из разнородных материалов, работающей в теплонапряженных условиях, осуществляют следующим образом.
Механической обработкой резанием (например, на обрабатывающих центрах с несколькими осями вращения) из высокопрочного алюминиевого сплава, например типа АД16 или АМг5, получают заготовку упрочняющего металлического корпуса 1 в виде массивного силового узла с наружными элементами узлов крепления 2. Заготовку тонкостенной сложнопрофильной обечайки 3 получают штамповкой на прессовом оборудовании из указанных алюминиевых сплавов или сплавов-аналогов. Для изготовления внутреннего защитного неметаллического вкладыша 4 используют термостойкий пресс-материал в виде термореактивной композиции на фенольном связующем (например, углеволокнит типа ЭПАН-2Б). Пресс-материал предварительно таблетируют на прессовом оборудовании до заданных весовых параметров. Заготовки корпуса 1 и обечайки 3 размещают в полуматрицах 5, которые позиционируют в матрице 6 пресс-формы (штампа) с электронагревателями 7 и закрепляют прижимным устройством 8. В пресс-форму помещают навеску таблетированного пресс-материала и осуществляют прессование пуансоном 9 с закрепленной в нем оформляющей частью, вращающейся на шарикоподшипниковой (радиальной и упорной) опоре 10. Прессование осуществляют при температуре (160±5)°С и давлении (20±1) МПа с выдержкой при этих параметрах в течение (15±1) мин. В процессе прессования получают вкладыш 4, а также осуществляют операции скрепления и взаимной фиксации с ним корпуса 1 и обечайки 3, в том числе посредством заполнения пресс-материалом внутренних поднутрений 11 в корпусе 1. Вкладыш 4 получают с винтообразными утолщениями 12 в задней части, которые формируют с использованием пуансона 9 с осевым вращением. Винтообразные утолщения 12 выполняют равномерно с заданным шагом, при этом геометрические параметры (конфигурацию) утолщений 12 выбирают исходя из физико-механических свойств пресс-материала. Объединенный с обечайкой 3 корпус 1 и запрессованный вкладыш 4 подвергают в сборе совместной механической обработке резанием с выполнением окончательных размеров.
В частных случаях корпус 1 с наружными элементами узлов крепления 2 получают жидкой штамповкой методом литья с кристаллизацией под давлением на прессовом оборудовании посредством заливки расплавленного алюминиевого сплава в штамповую оснастку и последующего прессования.
Способ позволяет обеспечить неразъемное соединение конструктивных элементов из разнородных материалов в процессе изготовления одного из них, без использования операции склеивания, повысить технологичность изготовления с обеспечением требуемой прочности и надежности конструкции.