ПОЛОЕ ИЗДЕЛИЕ С ГОФРИРОВАННЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к полым изделиям, состоящим из обшивок и расположенного между ними гофрированного заполнителя, образующего ребра жесткости. Полые изделия с гофрированным заполнителем имеют широкую область применения - от многочисленных конструкций в авиации, типа полой лопатки вентилятора [1], подкрыльевой панели быстрого доступа [2], двери экстренного выхода [2], до спортивного инвентаря, например лицевой пластины головки клюшки типа «wood» для игры в гольф [3]. Такие изделия, как правило, изготавливаются методом обработки давлением, совмещающим сверхпластическую формовку и диффузионную сварку.
Основным достоинством, благодаря которому рассматриваемые изделия используются в авиации, является их небольшой вес при достаточной жесткости и прочности [1,2]. Кроме того, такие изделия за счет наличия гофрированного заполнителя, обладают демпфирующими свойствами при воздействии ударных нагрузок.
При использовании изделия в качестве лицевой пластины головки клюшки типа «wood» для игры в гольф, демпфирующие свойства изделия приобретают первостепенное значение, поскольку они позволяют снизить отдачу при воздействии ударной волны в руку игрока и повысить эффективность удара [3].
Складки гофрированного заполнителя - ребра жесткости, в изделии могут быть расположены самым разнообразным образом. Так, в изделии типа полой лопатки вентилятора [1] складки расположены в продольном направлении. В изделии [3] складки образуют квадратные ячейки.
Для лопатки вентилятора [1], не работающей под воздействием ударных нагрузок, расположение ребер диктуется в основном технологичностью изделия. Для изделий типа подкрыльевой панели быстрого доступа [2], или лицевой пластины клюшки для игры в гольф [3], работающих в условиях случайных или целенаправленных ударных нагрузок, расположение ребер должно обеспечивать высокую эффективность гашения ударной волны. В противном случае при ударах будет происходить накопление внутренних напряжений, что приведет к накоплению остаточной деформации в местах, где конструкцией заложены концентраторы напряжений и, в конечном счете, к разрушению изделия в опасных сечениях. Было установлено, что при наличии ребер жесткости, образующих квадратные ячейки концентраторами напряжений могут стать места их пересечения, особенно если эти места находятся близко к опоре [2] или месту жесткой заделки [3] и попадают под дополнительное воздействие сил реакции со стороны опоры или жесткой заделки. В частности, при испытании клюшки для игры в гольф на лицевой пластине, в которой ребра жесткости образуют квадратные ячейки, образовалась вмятина. Причем вмятина образовалась не в центральной области, на которую пришелся удар, а ближе к месту заделки пластины в корпус головки. Такая вмятина, сама по себе уже являясь необратимым дефектом, привела также к нарушению сварного шва между лицевой пластиной и корпусом головки. Возвращаясь к изделиям типа полой лопатки вентилятора, необходимо отметить, что в них, благодаря продольному расположению ребер, отсутствуют отмеченные концентраторы напряжении. Однако если в изделии типа подкрыльевой панели быстрого доступа [2] или лицевой пластины головки клюшки [3] выполнить продольные ребра жесткости, ударная волна будет гаситься неравномерно. Последнее обстоятельство, в конечном счете, приведет к накоплению в изделии остаточных напряжений, стремящихся как бы свернуть его края, что может со временем привести в лицевой пластине к разрыву сварного шва между пластиной и корпусом головки, а в подкрыльевой панели быстрого доступа к образованию щели между панелью и корпусом летательного аппарата.
Таким образом, для полых изделий, состоящих из обшивок и расположенных между ними гофрированного заполнителя, образующего ребра жесткости, работающих под воздействием ударных нагрузок, первостепенной задачей является повышение эффективности гашения ударной волны.
Такая задача решается в случае, когда полое изделие с гофрированным заполнителем, содержащее обшивки, соединенные с расположенным между обшивками гофрированным заполнителем, образующим ребра жесткости, отличается тем, что складки гофрированного заполнителя расположены вдоль окружностей и/или вдоль дуг окружностей.
Поставленная задача решается также в том случае, когда:
- центр окружностей и/или дуг окружностей, совпадает с геометрическим центром симметрии поверхности изделия;
- в изделии, воспринимающем при эксплуатации ударную нагрузку определенной частью поверхности, центр окружностей и/или дуг окружностей, совпадает с геометрическим центром симметрии этой части поверхности изделия;
- угол наклона ребер жесткости к горизонтальной плоскости находится в интервале 45°…75°.
Сущность полезной модели заключается в следующем: когда складки гофрированного заполнителя расположены вдоль окружностей или вдоль дуг окружностей, ударная волна воспринимается вогнутой в направлении ее перемещения боковой поверхностью складки.
При этом центр окружностей и/или дуг окружностей, может быть совмещен с геометрическим центром симметрии поверхности изделия. Если же изделие воспринимает ударные нагрузки не всей поверхностью, как например, лицевая пластина головки клюшки, то рекомендуется центр окружностей и/или дуг окружностей, совмещать с геометрическим центром части поверхности изделия, воспринимающей ударные нагрузки.
Рассмотренное выше расположение складок является наиболее эффективным для гашения ударной волны. При этом так же, как при продольном расположении ребер, исключается возможность пересечения ребер жесткости, что в свою очередь исключает возможность возникновения из-за пересечения ребер концентраторов напряжений. Но в отличие от продольно расположенных ребер жесткости [1], ребра расположенные предлагаемым образом обеспечивают равномерное гашение ударной волны и имеют большую площадь, воспринимающую воздействие ударной волны.
Повышение эффективности гашения ударной волны за счет ее восприятия большей площадью ребер позволяет расширить по сравнению с известным решением [3] диапазон величин угла наклона ребер жесткости к горизонтальной плоскости в сторону больших углов, то есть сделать при необходимости конструкцию более жесткой при сохранении достигнутой степени сопротивления ударным нагрузкам.
Полезная модель поясняется графическими материалами:
Фиг.1 Поперечное сечение изделия;
Фиг.2 Горизонтальный разрез изделия - крышки люка;
Фиг.3 Горизонтальный разрез изделия - двери экстренного выхода;
Фиг.4 Горизонтальный разрез изделия - лицевой пластины головки клюшки для игры в гольф;
Фиг.5 Поперечное сечение изделия - лицевой пластины головки клюшки для игры в гольф (фото).
Пример конкретного выполнения.
Для изготовления изделия использовали титановый сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V), что не исключает использования для изготовления изделия других сплавов [4].
Кроме того, обшивки и наполнитель соединяли диффузионной сваркой, что не исключает использование других видов соединения.
На фиг.1 показано поперечное сечение полого изделия, состоящего из обшивок 1, 2 и расположенного между ними гофрированного заполнителя 3, образующего ребра жесткости, соединенных между собой по вершинам 4 складок диффузионной сваркой. Поз. 5 показан угол наклона ребер к горизонтальной плоскости. Поперечное сечение, показанное на фиг.1, для всех изделий, показанных на последующих фиг. одинаково.
На горизонтальном разрезе (фигуры 2, 3, 4) показаны случаи, соответственно, когда складки гофрированного заполнителя расположены вдоль окружностей, когда часть складок расположена вдоль окружностей, а другая часть складок расположена вдоль дуг окружностей, когда складки гофрированного наполнителя расположены вдоль дуг окружностей. На всех фигурах позицией 2 обозначена обшивка, позицией 3 - гофрированный заполнитель
Способы изготовления полых изделий с ребрами жесткости широко известны, поэтому ниже приводится пример способа изготовления только одного изделия типа крышки люка.
Для изготовления изделия использовали три листовые заготовки: две толщиной 1,5 мм в качестве заготовок обшивок 1, 2 и одну толщиной 0,8 мм в качестве заготовки заполнителя 3. Диаметр заготовок 300 мм.
На кольцевые участки внутренней поверхности заготовок обшивок, не подвергаемые соединению, нанесли материал, препятствующий соединению заготовок. В заготовке заполнителя выполнили отверстие для прохода газа и поместили ее между заготовками обшивок. Полость между заготовками обшивок и заполнителя снабдили штуцером.
Полученный пакет, состоящий из заготовок обшивок и заполнителя, поместили в приспособление для диффузионной сварки между матрицами, имеющих рабочие полости с обеих сторон пакета.
Далее приспособление с пакетом поместили в установку для диффузионной сварки, в рабочей камере которой создали вакуум, с остаточным давлением не более 0,13 Па. Нагрели приспособление с пакетом до температуры диффузионной сварки, 900°С. Затем сжали пакет по периметру между матрицами с усилием 3,2 МПа. Путем сжатия обеспечили герметизацию полостей между заготовками обшивок и заполнителя и между пакетом и матрицами. Произвели диффузионную сварку заготовок обшивок и заполнителя по периметру и на участках, не покрытых материалом, препятствующим соединению заготовок, давлением рабочей среды (аргона), созданным в полостях между пакетом и матрицами, равным 3 МПа. Пакет выдержали при указанной температуре под указанным давлением в течение 2 часов. При этом в течение времени нагрева под диффузионную сварку и в процессе диффузионной сварки производили откачку газа из полости между заготовками обшивок и заполнителя вакуумным насосом, поддерживая остаточное давление не более 0,13 Па. После завершения процесса диффузионной сварки давление в полостях между пакетом и матрицами сняли.
Для получения полого изделия с ребрами жесткости осуществили сверхпластическую формовку, путем создания давления рабочей среды (аргона) в полости между заготовками обшивок и заполнителя.
После завершения процесса сверхпластической формовки давление во внутренней полости снизили до 0,1 МПа. Сборку охладили и выполнили окончательную обработку резанием изделия.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Европейский патент №0568201, МПК B21D 53/78, 1993
2. Quick take-off for SPFDB titanium fabrication / Welding and Metal Fabrication. March 1985. p.48-49.
3. Патент РФ №2233683, МПК А63В 53/04, 2004
4. Голенков В.А., Дмитриев А.М. и др. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. М.: Машиностроение, 2004. 464 с.