УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR FABRICATING TUBES FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для изготовления армированных труб.
Известно устройство для изготовления труб из волокнистых композиционных материалов [А.с. №721306].
Устройство содержит коаксиально установленные наружную силовую обойму, внутренний стержень, выполненный с каналом, выходящим на наружную поверхность, размещенную между ними тонкостенную оболочку, а также конусные затворы, герметизирующие полость между тонкостенной оболочкой и внутренним стержнем. В полости между тонкостенной оболочкой и обоймой размещают заготовку трубы, заключенную в сегменты, выполненные в виде пары полуцилиндров и облегчающие сборку устройства.
Последней операцией сборки устройства является поджатие конусных затворов осевым усилием.
Собранное устройство помещают в вакуумную печь, нагревают до требуемой температуры. В полости между тонкостенной оболочкой и внутреннем стержнем создают давление с помощью рабочего тела (газ, вода), подаваемого по каналу внутреннего стержня. При этом за счет давления рабочего тела и высокой температуры заготовка трубы уплотняется в течение заданного времени выдержки.
Такая конструкция имеет следующие недостатки:
При окончательной сборке устройства остаются неконтролируемые зазоры между конусными затворами и заготовкой трубы, на величину которых влияет механический износ конусных затворов, выводящий их размеры за предельные отклонения, и степень поджатия конусных затворов при сборке устройства. Оставшиеся зазоры могут привести к смещению частей заготовки трубы при кантовании устройства, нарушению конструкции соединения частей заготовки трубы и изменению линейных размеров получаемых труб за счет пластического течения материала заготовки трубы в неконтролируемые зазоры.
Задача изобретения - повышение стабильности линейных размеров и конструкции получаемых труб.
Технический результат - повышение выхода годного изделия и исключение пластического течения материала заготовки трубы.
Это достигается тем, что устройство для изготовления труб из композиционных материалов, содержащее наружную обойму, внутренний стержень, размещенную между ними тонкостенную оболочку и конусные затворы, герметизирующие полость между тонкостенной оболочкой и внутренним стержнем, причем полость между тонкостенной оболочкой и обоймой служит для размещения заготовки, заключенной в обжимные вкладыши, при этом оно снабжено двумя фиксаторами в виде колец с внутренним цилиндрическим отверстием, с одной стороны переходящим в раскрытый конус, установленными с натягом на тонкостенную оболочку вплотную к торцам заготовки трубы так, чтобы коническая часть внутреннего отверстия располагалась с противоположной стороны..
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для изготовления трубчатых элементов, общий вид; на фиг.2 - то же, в разрезе, где
1 - внутренний стержень;
2 - тонкостенная оболочка;
3 - заготовка трубы, в том числе 3а - композитная часть, 3б - неармированные законцовки;
4 - сегмент;
5 - фиксатор;
6 - конусный затвор;
7 - наружная силовая обойма;
8 - полость между внутренним стержнем и тонкостенной оболочкой;
9 - поверхность герметизации конусными затворами;
10 - канал во внутреннем стержне для подачи рабочего тела.
Устройство в собранном виде содержит внутренний стержень 1, тонкостенную оболочку 2, заготовку трубы 3 (состоящую из композитной части 3а и торцевых неармированных законцовок 3б), сегменты 4, фиксаторы 5, конусные затворы 6, выполненные в виде колец с конической внутренней поверхностью, наружную силовую обойму 7.
Устройство работает следующим образом.
На внутренний стержень 1 надевают тонкостенную оболочку 2 с набранной на ней заготовкой трубы. Затем композитную часть заготовки заключают в сегменты 4 и с двух сторон вплотную к торцам заготовки устанавливают фиксаторы 5 так, чтобы коническая часть внутреннего отверстия была обращена от заготовки трубы 3. Фиксаторы устанавливаются с натягом для предотвращения сдвига заготовки при последующей сборке и кантовании устройства. За фиксаторами на тонкостенную оболочку устанавливают конусные затворы 6 с зазорами, учитывающими просадку конусных затворов при их последующем поджатии. Полученную сборку заключают в наружную силовую обойму 7, после чего осевым усилием поджимают конусные затворы (поджатие гайками), тем самым герметизируют полость 8 между тонкостенной оболочкой и внутренним стержнем по поверхности 9.
Устройство помещают в вакуумную печь, где производят его нагрев, одновременно по каналу 10 внутреннего стержня 1 в герметичную полость 8 подают в необходимом количестве рабочее тело, создающее изостатическое давление в полости 8. Через тонкостенную оболочку 2 посредством ее пластической деформации давление передается на заготовку трубы 3 и фиксаторы 5.
При этом тонкостенная оболочка 2 заходит в коническую часть фиксаторов 5, предотвращая их сдвиг и тем самым - течение материала заготовки трубы 3 в процессе прессования.
По окончании прессования отключают нагрев и систему вакуумной откачки, сбрасывают давление в полости 8. Устройство охлаждают, разбирают и извлекают готовую трубу.
Примером работы устройства является изготовление трубы ⌀40 мм с толщиной стенки 1,5 мм, длиной 800 мм из волокнистого композиционного материала боралюминия с алюминиевыми торцевыми законцовками для соединения труб в конструкции.
Исходным материалом для сборки композитной части заготовки трубы служит лента-полуфабрикат «алюминий-бор» в виде упорядоченного монослоя волокон бора, скрепленных слоем алюминия размером 500×1000 мм (ТУ 92-04.06.010-90).
Алюминиевые торцевые законцовки в количестве 2 шт. изготавливают в виде колец высотой 50 мм с наружным диаметром 60 мм. Внутренний диаметр законцовок - 35 мм, с одной стороны отверстие на глубину 25 мм расточено до диаметра 41 мм для сопряжения с композитной частью заготовки трубы.
Производят раскрой ленты-полуфабриката на мерные отрезки длиной 750 мм так, чтобы их суммарная ширина составляла 1256 мм.
На среднюю часть тонкостенной оболочки в виде отрезка трубы ⌀35 мм и длиной 1000 мм из нержавеющей стали ГОСТ 10498-82 последовательно наматывают мерные отрезки ленты-полуфабриката (10 слоев), получив, таким образом, композитную часть заготовки трубы.
С двух сторон на тонкостенную оболочку надевают алюминиевые законцовки и надвигают их на композитную часть заготовки трубы так, чтобы композитная часть вошла в расточенную часть внутреннего отверстия законцовки на всю глубину - 25 мм.
Тонкостенную оболочку с набранной на ней заготовкой трубы надевают на внутренний стержень, после чего заготовку композитной части заключают в стальные сегменты.
С двух сторон с натягом вплотную к торцам заготовки трубы устанавливают фиксаторы в виде стальных колец, внутреннее отверстие которых выполнено с цилиндрической заходной частью ⌀35Н7/м6 и конической выходной частью. Раскрытый конус с углом 3°30' обеспечивает увеличение выходного диаметра на 2 мм (37 мм). Фиксаторы устанавливают так, чтобы коническая часть внутреннего отверстия была обращена от заготовки трубы.
За фиксаторами с двух сторон на тонкостенную оболочку с зазорами 2-3 мм устанавливают конусные затворы. Полученную сборку заключают в силовую обойму, после чего осевым усилием (поджатие гайками конусных затворов) герметизируют полость между тонкостенной оболочкой и внутренним стержнем.
Устройство помещают в шахтную вакуумную печь, где при непрерывном вакуумировании заготовки трубы, по каналу внутреннего стержня в полость между внутренним стержнем и тонкостенной оболочкой подают аргон до начального давления Р=15-20 МПа и производят нагрев устройства до Т=550-600°С.
В процессе нагрева давление в полости между внутренним стержнем и тонкостенной оболочкой растет до Р=30-40 МПа и через тонкостенную оболочку посредством ее пластической деформации передается на заготовку трубы и фиксаторы.
По окончании прессования отключают нагрев и систему вакуумной откачки, сбрасывают давление. Устройство извлекают из печи, охлаждают на воздухе, разбирают, извлекают трубу вместе с тонкостенной оболочкой и удаляют тонкостенную оболочку механическим путем.
Длина законцовок - 50 мм, длина композитной части между законцовками - 700 мм, длина нахлеста композитной части трубы и законцовки - 25 мм и общая длина полученной трубы - 800 мм точно соответствуют заданным размерам.
Предлагаемое устройство для изготовления трубчатых элементов по сравнению с известной конструкцией имеет преимущества:
1. Визуально неконтролируемые зазоры, между заготовкой трубы и конусными затворами, возникающие после стягивания конусных затворов при полной сборке устройства, заменяются визуально контролируемыми зазорами между заготовкой трубы и фиксаторами.
Это позволяет исключить смещение частей заготовки, течение материала трубы в зазоры, нарушение конструкции и габаритов получаемых трубчатых элементов, т.е. повысить выход годного.
Полученное устройство применяется в изготовлении цилиндрических трубчатых элементов из композиционных материалов.