CC BY
101
Оригинальная статья / Original article УДК 621.77.07
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-49-57
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ БОЛТ-ЗАКЛЕПОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ © Е.В. Черных1, С.А. Зайдес2
Иркутский авиационный завод - филиал ПАО «Корпорация «Иркут», Российская Федерация, 664020, г. Иркутск, улица Новаторов, 3. Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ работы является рассмотрение и анализ технологии сборки металлических пакетов с использованием болт-заклепочных соединений. МЕТОДЫ. Анализ сборки листовых пакетов выполнен на основе рассмотрения поэтапной технологии выполнения болт-заклепочных соединений. РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрены типы болт-заклепочных соединений и области их применения. Приведены принципы формирования технологического процесса выполнения болт-заклепочных соединений. Описаны методы выполнения отверстий под стержни болт-заклепочных соединений и применяемое оборудование, а также методы установки стержней и обжатия колец болт-заклепочных соединений с использованием современного оборудования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведенные исследования позволили выявить как сильные, так и слабые стороны технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом, а также обозначить направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: болт-заклепочное соединение, пакет, сборка с натягом, отверстие, инструмент, технология сборки.
Формат цитирования: Черных: Е.В., Зайдес С.А. Анализ технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 8. С. 49-57. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-49-57
ANALYSIS OF TENSION ASSEMBLY TECHNOLOGY OF BOLTED AND RIVETED JOINTS Е.У. Chernykh, SA Zaides
Irkutsk Aviation Plant - branch of JSC «Corporation «Irkut», 3, Novatorov St., Irkutsk, 664020, Russian Federation. Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to review and analyze the assembly technique of metal packs using bolted and riveted joints. METHODS. Analysis of sheet pack assembly is based on the consideration of a phased technology of bolted and riveted joints. RESULTS. The types of bolted and riveted joints and their application fields have been investigated. The formation principles of the technological process of bolted and riveted joints are given. The methods of making holes for the shanks of bolted-riveted joints and used equipment are described. The methods of shank installation and bolted-riveted joint ring compression using modern equipment are presented. CONCLUSION. The conducted researches allowed to identify both the strengths and weaknesses of the tension assembly technology of bolted and riveted joints as well as to indicate the directions of further researches.
Keywords: bolted and riveted joint, pack, tension assembly, hole, tool, assembly technology
For citation: Chernykh E.V., Zaides S.A. Analysis of tension assembly technology of bolted and riveted joints. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 8, pp. 49-57. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-20178-49-57
Введение
Разрушение конструкции, как прави- заклепочных соединений необходимо ло, начинается в местах соединений. По- обеспечить соответствующую обработку этому при выполнении болтовых и болт- отверстий и радиальный натяг при поста-
1
Черных Екатерина Владимировна, инженер-технолог ИАЗ - филиала ПАО «Корпорации «Иркут» Ekaterina V. Chernykh, Engineer-technologist IAP - branch of JSC «Corporation «Irkut»
2Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu
Semen A. Zaides, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu
©
©
новке болта или стержня (соответственно), а также осевой натяг при свинчивании гайки или обжатии кольца (соответственно).
Применение болт-заклепочных соединений при сборке агрегатов обусловлено отсутствием подхода для обеспечения безударных методов установки крепежа (заклепок по продольным и орбитальным стыкам). В случае применения болтовых соединений значительно увеличивается масса конструкции (за счет применения гаек).
Основные принципы выполнения соединений с натягом рассмотрены и изучены при сборке изделий заклепочными и болтовыми соединениями. В монографии [1] широко описаны принципы технологического проектирования высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений. В РТМ
о
1.2.024-82° даны рекомендации по применению болтовых соединений с упруго-пластическим радиальным натягом в пакетах из алюминиевых сплавов с учетом вли-
Типы болт-заклепочных сое
Ресурс узла машины определяется конструкцией самого узла, конструкцией соединения и конструкцией соединительного элемента - болта или заклепки. В агре-гатно-сборочном производстве узлов и агрегатов авиационной промышленности широко используют заклепочные, болт-заклепочные и болтовые соединения. Болт-заклепочные соединения с натягом широко применяют в герметичных и негерметичных неразъемных конструкциях в местах соединения стенок с поясами лонжеронов, панелей по продольным и поперечным стыкам, силовых шпангоутов и нервюр с панелями, фитингов со стойками, продольных стыков панелей и др.
яния радиального натяга на долговечность поперечных стыков. В ТР 1.4.1639-864 установлено влияние диаметра болта, толщины и материала пакета на усилие втягивания. Общие описания болт-заклепочных соединений приведены в [2]. Типовые технологические процессы выполнения болт-заклепочных соединений изложены в ОСТ 1 42392-885.
Формирование технологического процесса выполнения болт-заклепочного соединения в конкретной конструкции узла зависит от таких конструктивно-технологических факторов, как ресурс каркаса самолета, геометрические параметры узла или агрегата и трудоемкость выполнения соединений.
Целью данной работы является рассмотрение технологии болт-заклепочных соединений с натягом, выявление технологических проблем, требующих проведения научных исследований.
ий и области их применения
По конструктивным особенностям болт-заклепочные соединения различаются в зависимости
- от типа головки стержня (плоско-скругленная, потайная <90°, уменьшенная полупотайная <100°, потайная <120°, уменьшенная плоско-скругленная, уменьшенная потайная <90°);
- от поля допуска гладкой части стержня (М0, рб, f9, специальное для переходной посадки, специальное типа для посадки с натягом);
- от метода установки стержня (с технологическим хвостовиком, без технологического хвостовика).
Следует отметить, что 80% заклепок
3
РТМ 1.2.024-82. Применение крепежа с упруго-пластическим радиальным натягом в соединениях из алюминиевых сплавов, ВИАМ, 1982. 14 с. / RTM 1.2.024-82. Application of fasteners with elastic-plastic radial interference in joints made of aluminum alloys. A-RIAM, 1982, 14 p.
4ТР 1.4.1639-86. Постановка болтов с натягом в смешанные пакеты, НИАТ, 1986. 11 / TR 1.4.1639-86. Installation of tight fit bolts in mixed packs, NIAT, 1986, 11 p.
5ОСТ 1 42392-88. Соединение деталей и узлов болт-заклепками с технологическим хвостовиком. Типовой технологический процесс, НИАТ, 1988. 57 с. / OST 1 42392-88. Joining parts and components by bolts-rivets with technical shanks. Typical technological process, NIAT, 1988, 57 p.
и болтов выполняются с потайными головками, поэтому характер напряжений и деформаций в зоне отверстий под потайные болты и заклепки в значительной мере определяет ресурс всей конструкции [3].
Болт-заклепка с технологическим хвостовиком (рис. 1, 2) состоит из двух деталей: стержня и кольца. Стержень имеет закладную головку, гладкую часть, равную толщине пакета, цилиндрическую часть с кольцевой накаткой в месте соединения с кольцом, шейку и хвостовик с кольцевой накаткой
Для повышения работоспособности соединений необходимо наличие осевого натяга. В болт-заклепочном соединении осевой натяг может быть обеспечен в сочетании с радиальным. Сжатие пакета в этом случае достигается в пределах 60-70% от разрушающей нагрузки стержня. При применении болт-заклепочного соединения с упруго-пластическим радиальным натягом существенно повышается выносливость и герметичность сборочных единиц.
Рис. 1. Конструкция болт-заклепки с технологическим хвостовиком до выполнения соединения: 1 - закладная головка; 2 - гладкая часть; 3 - цилиндрическая часть c кольцевой накаткой; 4 - шейка;
5 - хвостовик с кольцевой накаткой, 6 - кольцо Fig. 1. Design of a high lock with technological shank before making a joint: 1 - primary head; 2 - smooth part; 3 - cylindrical part with a ring rolling; 4 - neck; 5 - shank with a ring rolling; 6 - ring
Рис. 2. Болт-заклепочное соединение до и после сборки Fig. 2. Bolted and riveted joint before and after assembly
Для обеспечения вышеуказанных параметров сборки сочетание стержней и колец в болт-заклепочных соединениях выбирается из таблиц ОСТ6. Заклепочные соединения, в отличие от болт-заклепочных и болтовых, имеют больший радиальный натяг. Более простыми являются и способы
его получения. Создание радиального натяга в заклепочных соединениях происходит за счет пластического деформирования стержня при клепке. При выполнении болтовых соединений радиальный натяг обеспечивается за счет применения конусных болтов, болтов с распором изнутри и др.
Основные этапы технологического процесса сборки
Технология предварительной сборки конструкции. При предварительной сборке конструкции должно обеспечиваться плотное прилегание деталей для предотвращения смещения отверстий в пакете относительно друг друга и исключения образования между деталями заусенцев в процессе сверления. Сборка узлов и агрегатов производится в приспособлениях для сборки с фиксацией по базовым отверстиям прижимными элементами приспособления, по сборочным отверстиям в сопрягаемых деталях.
Сжатие пакета обеспечивается средствами временного крепления типа струбцин (при отсутствии предварительных отверстий), технологического крепежа (болтов, винтов), быстросъемных фиксаторов. В настоящее время широко применяются быстросъемные фиксаторы типа МЕРОЕЮК (рис. 3). Средства предварительного крепления необходимо устанавливать на расстоянии в зависимости от кривизны поверхности и толщины пакета (таблица) и в последовательности, аналогичной схеме на рис. 4.
Рис. 3. Пневмоинструмент для установки фиксаторов и быстросъемные фиксаторы WEDGELOK Fig. 3. Pneumatic tool for lock installation and quick-release locks WEDGELOK
6ОСТ 1 30040-83. Соединения болт-заклепочные, НОРМАЛЬ, 1983. 13 с. / OST 1 30040-83. Bolted and riveted joints, NORMAL, 1983, 13 p.
■9
Расстояние между точками установки средств предварительного крепления
Distance between the installation points of preliminary fastening means
Кривизна поверхности / Surface curvature Толщина пакета, мм / Pack thickness, mm
До 8 / Up to 8 Более 8/ More than 8
Для швов, расположенных на плоской поверхности или поверхности одинарной кривизны (с прямолинейной образующей) / For the seams located on a flat surface or single curvature surface (with a rectilinear generatrix) 400 300
Для остальных поверхностей / For other surfaces 200 150
О Start of the process End of the process
^fa ^йа^цЯ. -. дятп ^ei.Btl Jf^^r-r,
Qfb Д1 U Ot^ un№
W- =f = F^T 1 =
: I
•r,
I I I I I I
I
30
¡j
таг
J_!_.1_I____!_'!_
Qj5jQiQlSiQ]QI_Qj
I
t-
Ai
13 > -ф- 9 -ф- 5 "ф- 4- --4- -ф- и +>
Ф- -Ф- 1 V ♦ 2 4" 4- 4+ 4-
14 -ф-10 -4- 4- 6 4- 4- S нф- 12 +
Рис. 4. Типовой маршрут выполнения отверстий, установки средств предварительного крепления и установки крепежа Fig. 4. Typical route of making holes, installation of preliminary fastening means and fasteners
Технология выполнения отверстий под стержни болт-заклепок. Одним из важных этапов в разработке технологии болт-заклепочного соединения является качество выполнения отверстий. Отверстия под установку стержней болт-заклепок с
натягом должны соответствовать требованиям конструкторской и нормативной документации. Отверстия выполняются с полем допуска Н7 и шероховатостью Ра = 0,8 мкм. Для обеспечения данных параметров применяются два способа выполнения отвер-
стий: ручными сверлильными машинами (в несколько переходов с разборкой пакета и снятием заусенцев) и сверлильными машинами с автоматической подачей по кондуктору комбинированным инструментом (в один переход без разборки пакета). Для обеспечения шероховатости Ра = 0,8 мкм и поля допуска Н7 при выполнении отверстий необходимо использовать смазывающие жидкости типа ТС-1 (керосин) или асси1ире.
Для обеспечения перпендикулярности оси отверстия относительно поверхности детали конструкции при выполнении отверстий со стороны закладной головки в обязательном порядке применяются направляющие втулки. Перед выполнением отверстий необходимо с помощью щупов производить контроль плотного прилегания поверхности втулки к детали до начала выполнения отверстий. Во избежание появления зазоров, несоосности отверстий и для обеспечения сжатия пакета при выполнении отверстий фиксация деталей средствами предварительного крепления выполняется по типовому маршруту и в порядке, указанном на рис. 4.
При выполнении гнезд и фасок форма и размеры обеспечиваются геометрическими параметрами, комбинированной зенковкой (под гнездо и галтель), а также настройкой упора-ограничителя. Достаточную и необходимую глубину гнезд возможно получить только при использовании зенковок с правильно устроенным упором-ограничителем. Важно, чтобы размеры гнезд соответствовали требованиям конструкторской документации. В противном случае болт-заклепочное соединение с потайными головками будет произведено с нарушениями, что может привести к разрушению конструкции.
Технология сборки конструкции на внутришовном герметике. Перед сборкой на внутришовном герметике необходимо разобрать конструкцию для удаления стружки и снятия заусенцев, которые образуются при выполнении отверстий в момент предварительной сборки. Непосредственно после нанесения герметика до его вулканизации удаляются излишки, по-
теки и капли герметика. Также необходимо производить измерения толщины слоя наносимого герметика, она не должна превышать 0,3 мм (суммарно на соединение двух деталей), что является необходимым и достаточным условием. Нанесение может производиться как на одну из деталей конструкции, так и на обе.
Сборка элементов конструкции на внутришовном герметике производится средствами предварительного крепления через одно отверстие (50% всех отверстий) в шахматном порядке в отверстия диаметром менее номинального на 0,4 мм. Последовательность установки средств предварительного крепления представлена на рис. 4.
После расстановки технологического крепежа выполняются отверстия под стержни болт-заклепок номинального диаметра. Непосредственно после разделки каждого отверстия следует устанавливать стержень болт-заклепки. Допускается устанавливать стержни после разделки нескольких отверстий в тонких пакетах.
Технология болт-заклепочного соединения. Для выполнения болт-заклепочных соединений предусмотрены инструменты, предназначенные для выполнения следующих операций:
- втягивания стержней болт-заклепок;
- обжатия колец.
В настоящее время применяется пневмогидравлический инструмент фирмы Alcoa типа HUCK (рис. 5). Перед выполнением болт-заклепочных соединений необходимо произвести входной контроль стрежней и отверстий. На гладкой части стержней обязательно должно быть нанесено антифрикционное покрытие для уменьшения усилий втягивания.
Для обеспечения герметичности в зонах, где это необходимо, на гладкую часть стержня наносится герметик непосредственно перед втягиванием. Перед установкой стержней болт-заклепок настраивается давление воздуха, подаваемое на инструмент редуктором на блоке подготовки воздуха. Давление должно
обеспечивать рабочее усилие втягивания, которое составляет 85% от минимального усилия обрыва хвостовика.
Последовательность установки стержня и процесс втягивания показан на рис. 5. Замыкающая головка болт-заклепок образуется обжатием кольца с помощью механизированного инструмента, снабженного фильерой. Тип фильеры с соответствующими параметрами выбирается в зависимости от типа болт-заклепок согласно нормативной документации. Подбор фильеры производится в зависимости от типа и размеров болт-заклепочных соединений.
Перед выполнением осаживания кольца необходимо произвести настройку инструмента на необходимое рабочее дав-
ление, которое должно обеспечивать обжатие кольца и отрыв хвостовика стержня, т.е. давление должно быть больше, чем усилие отрыва хвостовика. Таким образом, допускается давление от сети, которое обычно составляет 6 бар.
Последовательность установки и осаживания кольца болт-заклепки показана на рис. 6. Анализ технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом показал, что слабо исследованным вопросом является стабильность усилия втягивания стержней (для обеспечения радиального натяга) и обжатия колец болт-заклепочных соединений (для обеспечения осевого натяга) в смешанных пакетах толщиной 1,5 Р и более (Р - диаметр отверстия).
Рис. 5. Последовательность установки стержней болт-заклепочного соединения Fig. 5. Sequence of bolted and riveted joint shanks setting
Рис. 6. Последовательность обжатия кольца болт-заклепочного соединения Fig. 6. Sequence of bolted and riveted joint ring compression
В процессе выполнения опытных работ по установке болт-заклепок были выявлены проблемы при разделке отверстий с полем допуска Н7 ручным механизированным инструментом с обеспечением перпендикулярности оси отверстия относительно плоскости поверхности пакета и при втягивании стержней болт-заклепок в отверстия в пакетах толщиной 1,5Р и более.
Следует отметить также, что на выполнение качественного соединения влияют не только геометрические параметры
отверстия и болт-заклепок, но и правильный выбор режимов втягивания стержней и осаживания колец в зависимости от диаметра, толщины пакета, материалов деталей в пакете. Немалую роль играют смешанные и многослойные пакеты в герметичных зонах.
До настоящего времени отсутствует полноценная стабильность в режимах выполнения болт-заклепочных соединений (усилия втягивания стержней и обжатия колец для обеспечения сжатия пакета).
©
Заключение
Проведенные исследования позволили выявить как сильные, так и слабые стороны технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом:
1. Анализ технологии сборки показал, что болт-заклепочные соединения по ряду параметров представляют собой эффективный процесс, требующий дальнейшего совершенствования.
2. Слабым моментом технологии сборки является отсутствие стабильности усилия втягивания стержней (для обеспе-
чения радиального натяга) и обжатия колец болт-заклепочных соединений (для обеспечения осевого натяга) в смешанных пакетах толщиной более 1,5Р.
3. Имеются проблемы при разделке отверстий с полем допуска Н7 ручным механизированным инструментом с обеспечением перпендикулярности оси отверстия относительно плоскости поверхности пакета и при втягивании стержней болт-заклепок в отверстия.
Библиографический список
1. Громашев А.Г. Технологическое проектирование высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений // Актуальные проблемы самолетостроения. М.: Аграф-пресс, 2006. 304 с.
2. Вашуков Ю.А., Ломовской О.В., Шаров А.А. Технология и оборудование сборочных процессов. Самара, 2011. 226 с.
3. Аксютин В.Д. Выносливость и герметичность соединений, выполненных потайными заклепками с компенсатором // Труды ЦАГИ. 1974. Вып. 1. С. 73-80.
References
1. Gromashev A.G. Tekhnologicheskoe proektirovanie vysokoresursnykh zaklepochnykh i boltovykh soedinenii [Technological design of high-resource riveted and bolted joints]. In: Aktual'nye problemy samoletostroeni-ya [Actual problems of aircraft construction]. Moscow, Agraf-press Publ, 2006, 304 p. (In Russian)
2. Vashukov Yu.A., Lomovskoi O.V., Sharov A.A. Tekhnologiya i oborudovanie sborochnykh protsessov
Критерии авторства
Черных Е.В., Зайдес С.А. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 10.05.2017 г.
[Technology and equipment of assembly processes]. Samara, 2011, 226 p. (In Russian) 3. Aksyutin V.D. Vynoslivost' i germetichnost' soedinenii, vypolnennykh potainymi zaklepkami s kompensa-torom [Durability and tightness of joints made by sunk rivets with compensators]. In: Trudy TsAGI [Proceedings of Zhukovsky Central AeroHydroDynamic Institute]. 1974, issue 1, pp. 73-80. (In Russian)
Authorship criteria
Chernykh E.V., Zaides S.A. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 10 May 2017
