научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКЛЕПОК С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКЛЕПОК С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 2, 2010

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА ИСПЫТАНИЯ

УДК 624.078.44

© 2010 г. Шишкин С.В., Шишкин С.С.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКЛЕПОК С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ

Предложена методика расчета контактной нагрузки в заклепочном соединении с эффектом памяти формы. Для описания напряженно-деформированного состояния соединяемых деталей используется теория малых упругопластических деформаций. Термическое формовосстановление заклепки при сопротивлении тел моделируется термомеханической диаграммой, исходя из постулата одновариантности обратного мартенситного превращения.

Заклепочные соединения конструктивных элементов широко используются при сборке самолетов, причем надежность и ресурс планера во многом зависят от их эксплуатационных свойств. Развитие самолетов и вертолетов показывает, что в ближайшие 20 лет заклепки останутся основным видом соединений конструкций из легких сплавов. В последние годы их количество на изделиях авиационной техники непрерывно возрастает и на тяжелых самолетах может достигать 1,5 млн. штук. Массовое применение клепки объясняется высокими прочностными характеристиками соединений, технологичностью, механизацией и автоматизацией производственного процесса при сравнительно низкой стоимости.

Применение обычных заклепок при прессовом и ударном способах клепки не отвечает требованиям, которые предъявляются к надежности и эксплуатационной безопасности узлов и агрегатов. Основной причиной является отсутствие прочноплотно-го контакта на части длины соединения из-за несовершенства технологического процесса. Как правило, радиальный натяг создается только возле замыкающей головки и, резко спадая, не доходит до плоскости стыка деталей. Увеличение же натяга в условиях существенной неравномерности контактной нагрузки может привести к образованию трещин возле отверстия, а также к деформации соединяемых элементов. Поэтому для обеспечения сплошного контакта по толщине пакета при сборке авиационной техники в настоящее время широко используется высокоресурсная стержневая заклепка при ее постановке с натягом 2—4% при клепке повышенным давлением [1].

После снятия усилия клепки происходит разгрузка заклепочного соединения, сопровождающаяся заметным ослаблением напряженной посадки. При определенной величине натяга отмечается выдавливание стержня заклепки суживающимся контуром отверстия, т.е. разгрузка становится упругопластической. Например при соединении листов из алюминиевого сплава Д16Т заклепкой из В65 величина натяга состав-

ляет порядка 3%. Кроме того, в результате разгрузки для непотайных заклепок характерен отход головок от плоскости листов с образованием соответствующих просветов, что снижает вибропрочность соединения и увеличивает подвижность его элементов.

Таким образом, привлекательность использования заклепок с эффектом термомеханической памяти определяется такими причинами как: высокой производительностью труда; исключением специального оборудования для клепки, простотой сборки и возможностью ее проведения в труднодоступных местах; односторонним подходом; низким процентом брака и высоким качеством соединений за счет отсутствия разгрузки и равномерности распределения эпюры натяга по толщине пакета.

Память формы или термомеханический возврат — это эффект частичного или полного возврата материала, деформированного при температуре ниже интервала прямого мартенситного превращения, к исходному состоянию при нагреве в интервале температур обратного мартенситного превращения. Причем сплав в деформированном состоянии может находиться неограниченно долго. Если создать препятствие процессу формовосстановления, то при нагреве в силовом элементе возникают реактивные напряжения [2, 3].

При реализации памяти термическое формовосстановление заклепки реализуется в стесненных условиях, где мощность термомеханического возврата идет как на перемещение — компенсацию технологического зазора и деформацию соединяемых тел, так и на генерирование реактивной нагрузки.

Однако применение заклепок с памятью формы требует, как правило, нового конструкционного решения, так как механическая замена материала в известных конструкциях либо не позволяет достичь требуемого эффекта восстановления размеров, либо использует свойство "памяти" не оптимальным образом. Например простая замена материала стандартной заклепки на сплав с памятью формы не позволяет реализовать самоформирование законцовок, поскольку необходимое изменение размеров превышает возможности даже лучших сплавов на основе никелида титана.

Принципиальная схема получения соединения с использованием саморазворачивающейся заклепки состоит из обычных стадий: изготовление заклепки конечной формы; термообработки на "память"; задания предварительной деформации для придания формы, удобной для сборки, установки в соединение и нагрева (рис. 1). Конструкция заклепки на рис. 1, а (T §> ^к) предполагает использование материала с криогенным восстановлением для обеспечения сохранности напряжения возврата в рабочем интервале температур. Задание деформации осуществляется в жидком азоте. Для этой цели фирма "Standart pressed steel" [4] рекомендует косую прокатку или экс-трудирование.

Обычно заклепка выполняется из сплава ТН1К с областью фазовых переходов в интервале температур —90°+—135°С. Для сплавов на основе никелида титана объем памяти формы при сжатии составляет би = 0,04 [2], поэтому в исходном состоянии при нормальной температуре диаметр стержня заклепки больше диаметра отверстия d2 > d (рис. 1, а), а с учетом технологического зазора он равен d2 = 1,04d — Z.

Предварительную деформацию сжатием проводят в жидком азоте с применением специальной оснастки на величину 4% при температуре не выше точки начала прямого мартенситного превращения Тд < Мн (рис. 1, б). В результате деформации диаметр заклепки уменьшается и становится меньше диаметра отверстия d2fl < d на величину сборочного зазора, т.е. d2fl = d — Z, где d2fl = 0,96d2. В таком состоянии заклепка свободно вставляется в отверстия соединяемых деталей (рис. 1, в), сборка ведется при температуре не выше точки начала обратного мартенситного превращения T <

При естественном нагреве до температуры выше конца обратного мартенситного превращения T > (рис. 1, г) сплав переходит из мартенсита в аустенит и, "вспоминая" свою первоначальную до деформации форму, стремится ее восстановить. В соответствии с кинематической схемой образования напряженного соединения (рис. 1) в

4 ПМ и НМ, № 2

97

Рис. 1. Кинематическая схема формирования напряженного заклепочного соединения из сплава ТН1К с эффектом памяти формы: а — форма, заданная на "память"; б — деформация в мартенситном состоянии; в — сборка; г — нагрев и образование соединения

процессе термомеханического возврата диаметр стержня заклепки увеличивается и становится равным d2s = d2л + (г), где W2J(r) — радиальное смещение стержня заклепки в результате термически обратимой деформации. Это смещение определяется значением технологического зазора, величиной упругопластической деформации панели при раздаче отверстия, а также деформацией шероховатости уплотняемого стыка.

Очевидно, что из-за противодействия материала соединяемых листов диаметр стержня заклепки восстанавливается не полностью d2s < d2, т.е. d2s = d2 — 2Ж,5(г), где 2Ж2!(г) — величина восстановления первоначального размера. Поэтому в результате термомеханического возврата в стержне заклепки генерируются реактивные напряжения, за счет которых и создается контактная нагрузка q в уплотняемом стыке.

Отметим, что мартенсит сплава ТН1К полностью переходит в аустенит из-за противодействия при температуре конца формовосстановления Аф > Ак, при этом головки заклепки формируются свободно.

Таким образом, интервал эксплуатационных температур для такого соединения составляет от —90° до +250°.

Для обеспечения наибольшей силоотдачи заданная деформация обычно равна объему памяти формы б и = 0,04, т.е. предельной деформации, при которой еще возможно полное формовосстановление силового элемента в свободном состоянии (рис. 1). Основные конструкции термомеханических заклепок: 1 — стандартная, 2 — с полной высадной головкой, 3 — "Хайшир", 4 — "Хай-лок", 5 — с конической высадной головкой, 6 — с ребристой высадной головкой приведены на рис. 2.

Инженерный расчет силовых конструкций при реализации эффекта памяти формы при наличии противодействия основан на моделировании термодеформационного нагружения термомеханической диаграммой, исходя из постулата одновариантности обратного превращения [2, 3]. Обычно связь между реактивными напряжениями возврата и величиной деформации недовосстановления (термомеханическая диаграмма)

задается в нелинейной или квазилинейной форме <зя = <зЯ0 + Е*, где <зЯ0, Е* — экспериментальные коэффициенты, учитывающие особенности структуры, химического состава сплава, его термообработки и вид заданной деформации.

7 ^

—1— \ —1— \

1 п

7 ^

Ш й

5

Рис. 2

8Д, МПа

600

200

1

2

Е*

1 8 Д0

0 0,01 0,03

Рис. 3

Рис. 3. Термомеханическая диаграмма сплава ТН1К (1) и ее линейная аппроксимация (2)

3

4

Так как головки заклепки формируются свободно, то величиной осевой составляющей реактивного напряжения можно пренебречь. Будем считать, что при формировании напряженного соединения трение отсутствует. Для сплошного стержня заклепки окружная а, и радиальная аг компоненты напряжения возврата постоянны вдоль радиуса и равны а, = —д, аг = —д. Отсюда, в соответствии с критерием Мизеса [5] для деформации недовосстановления е5 можно записать ал = а1 = д. Величина деформации

недовосстановления е5 определяется разностью между объемом памяти формы и деформацией термического формовосстановления б^: е5 = ец — е^.

Исходя из кинематического условия совместности деформаций стержня заклепки при реализации эффекта памяти формы и поверхности отверстия плиты при образовании напряженного соединения, имеем е= ю + Z/(2r) = Ю , где ю — окружная деформация плиты на контуре отверстия или натяг в термомеханическом заклепочном соединении.

В результате подстановки нетрудно ус

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком