CC BY
6УДК 621.7.044.7
КОНСТРУКЦИИ СБОРОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ
Д. Г. Черников, Р. Ю. Юсупов, В. И. Песоцкий, В. К. Алехина
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева, Самара, Российская Федерация
Аннотация. Описаны главные особенности образования сборочных соединений из разнородных материалов в результате магнитно-импульсной обработки, а также основные факторы, влияющие на их качество. Рассмотрены различные конструкции сборочных соединений и технологические схемы их получения - за счет образования натяга и путем пластической деформации одной из деталей. Приведены примеры реальных деталей-узлов, полученных с помощью рассматриваемой технологии, и результаты их различных испытаний.
Ключевые слова: неразъемное соединение, магнитно-импульсная сборка, технологическая схема, индуктор, контрдеталь
Для цитирования: Черников Д. Г., Юсупов Р. Ю., Песоцкий В. И., Алехина В. К. Конструкции сборочных соединений и магнитно-импульсная технология для их реализации // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1, № 3. С. 173-182. ЕРЫ FFZSNM
DESIGNS OF ASSEMBLY JOINTS AND MAGNETIC-PULSE TECHNOLOGY FOR THEIR IMPLEMENTATION
D. G. Chernikov, R. Yu. Yusupov, V. I. Pesotsky, V. K. Alekhina
Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, Samara, Russian Federation
Abstract. The main features of the formation of assembly joints from dissimilar materials as a result of magnetic-pulse treatment, as well as the main factors affecting their quality, are described. Various designs of assembly joints and process flow diagrams for their production due to the formation of interference and by plastic deformation of one of the parts are considered. Examples of real part assemblies obtained using the technology under consideration, and the results of their various tests are given.
Keywords: permanent connection, magnetic-pulse assembly, process flow diagram, inductor, counter-part
For citation: Chernikov D. G., Yusupov R. Yu., Pesotsky V. I., Alekhina V. K. Designs of assembly joints and magnetic-pulse technology for their implementation. Aerospace Engineering and Technology. 2023. Vol. 1, no. 3, pp. 173-182. EDN FFZSNM
© Черников Д. Г., Юсупов Р. Ю., Песоцкий В. И., Алехина В. К., 2023 АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ. Т. 1, № 3. 2023
Введение
В современной технике встречается большое количество неразъемных соединений деталей. Соединение осуществляется с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки и штамповки. Одним из направлений получения неразъемных соединений деталей является магнитно-импульсная сборка. Наиболее эффективно процесс осуществляется, если деформируемая деталь изготовлена из сплавов, у которых удельное электрическое сопротивление соизмеримо или превышает не более чем в четыре раза электросопротивление меди (сплавы на основе алюминия, меди и малоуглеродистые стали).
Сборка является одной из самых распространенных операций магнитно-импульсной технологии [1-3]. Она значительно упрощает процесс получения неразъемных соединений деталей и позволяет создавать новые конструкции сборочных узлов. Это можно объяснить двумя характерными особенностями метода магнитно-импульсной обработки - возможностью проведения операций обжима трубчатых заготовок, и тем, что процесс деформирования заготовки сопровождается ее разогревом от наведенных вихревых токов. При остывании заготовки в условиях ее контакта с контрдеталью при обжиме, температурные напряжения способствуют увеличению прочности. При сборке «на раздачу» температурные напряжения при остывании заготовки играют отрицательную роль - уменьшают величину натяга. Необходимо отметить, что второй фактор является удобным инструментом для управления процессами магнитно-импульсной сборки.
Схема сборки цилиндрических деталей «на обжим» представлена на рис. 1, где выше оси показано исходное положение соединяемых деталей, а ниже оси -их конечное положение.
Рис. 1. Схема магнитно-импульсной сборки 1 - неподвижная деталь (контрдеталь); 2 - деформируемая деталь (заготовка); 3 - индуктор
Соединение образуется за счет метания менее жесткой и более легкой заготовки на поверхность неподвижной детали, которая чаще всего более жесткая,
прочная и, как правило, деформируется в упругой зоне. В результате метаемая деталь плотно облегает наружный контур контрдетали. Прочность соединения деталей цилиндрической формы может быть обеспечена по двум схемам (рис. 2, б) за счет образования натяга в соединении (рис. 2, а) или путем пластической деформации одной из деталей в рельеф на сопрягаемой поверхности контрдетали в виде поперечных и продольных канавок, шлицов, отверстий или площадок (рис. 2, б).
а б
Рис. 2. Основные конструктивные схемы соединений трубчатых деталей при магнитно-импульсной сборке
1 - заготовка; 2 - контрдеталь
Прочность соединений деталей, представленных на рис. 2, определяется уровнем окружных остаточных напряжений в заготовке и величиной площади контакта. Для повышения прочности соединения на сопрягаемой поверхности контрдетали можно нанести клей или изготовить микрорельеф, в который внедряется материал деформируемой детали. Также эта схема соединения часто используется для взаимного позиционирования или закрепления деталей и в качестве подготовительной операции в процессах пайки, сварки или склеивания.
Магнитно-импульсная сборка не требует точной предварительной подгонки соединяемых деталей, т. е. детали могут быть изготовлены с широким полем допусков на размеры. Перемещения стенки деформируемой детали в операциях сборки малы и практически не превышают толщину стенки. Поэтому наличие зазора не сказывается на величине натяга в соединении.
Соединение трубчатых деталей с помощью геометрического замыкания (рис. 2, б) обладает наибольшей прочностью и плотностью. Несущая способность таких соединений превышает прочность материала основной трубы.
Существует множество конструктивных решений для обеспечения геометрического замыкания при сборке трубчатых деталей. На рис. 3 приведены примеры некоторых вариантов конструкций соединений с различным исполнением зоны сопряжения при магнитно-импульсной сборке. Сборка на рис. 3, а представляет собой соединение, работающее для передачи осевых нагрузок (тяги управления, подкосы и др.). При проектировании соединений, передающих крутящие нагрузки (рис. 3, б), на поверхности контрдетали изготавливаются углубления, площадки или выступы. Совмещение поперечных и продольных
конструктивных элементов, а также изготовление отверстий (рис. 3, д) позволяет передавать осевые и моментные нагрузки одновременно.
Рис. 3. Примеры вариантов сборки соединений с геометрическим замыканием
Для увеличения прочности и герметичности места заделки можно использовать дополнительный кольцевой элемент, который деформируется совместно с основной трубой (рис. 3, в). Эта конструкция особенно эффективна, если труба изготовлена из материала с низкой электропроводностью или из неметалла, а кольцевой элемент - из сплавов меди, алюминия, и выполнят роль «спутника».
Уплотнение места соединения может быть достигнуто путем врезания стенки трубы на острые кромки кольцевой канавки заглушки (рис. 3, г). Такая конструкция применяется для изготовления баллонов низкого и высокого давле-
Примеры конструкций соединения труб представлены на рис. 4, где сверху обозначено исходное расположение элементов, а снизу - конечное.
Рис. 4. Варианты сборочных соединений двух труб
Трубы могут соединяться внахлест (рис. 4, а, б) или встык с помощью тонкостенного кольца (рис. 4, в), втулки с канавками (рис. 4, г) или муфты (рис. 4, д). Герметичное и подвижное соединение двух труб с помощью резинового шланга можно осуществить обжатием колец (рис. 4, е). Приведенные конструктивные решения соединения труб с помощью магнитно-импульсного деформирования могут применяться при создании новых изделий или проведении ремонтных работ существующих.
Одной из разновидностей сборки является облицовка деталей тонкостенным материалом, которая в ряде случаев может заменить дорогостоящие процессы плакирования. На рис. 5, а показан биметаллический заземлитель, состоящий из стального стержня и облицовки толщиной 0,5 мм из алюминия или меди [4]. Сборка стержня с облицовкой осуществляется последовательно по участкам и заменяет процессы сварки взрывом или электрохимического осаждения меди. На рис. 5, б изображен крюк, согнутый из стальной полосы толщиной 4 мм и облицованный алюминием. Заготовка облицовки представляет собой плоскую полосу, и сборка облицовки с крюком производится за один импульс, что существенно увеличивает производительность процесса по сравнению с механическими методами завальцовки. Данный узел является примером сборки плоских деталей, так как может использоваться и при значении Я = да.
а
б
Рис. 5. Детали с облицовкой 1 - стержень; 2 - медная облицовка; 3 - полоса; 4 - облицовка
Процесс магнитно-импульсной обработки также позволяет собирать шланги и рукава с концевой арматурой (рис. 6). Шланг со штуцером соединяется путем обжима муфты. При этом материал шланга затекает в кольцевые канавки, выполненные на цилиндрической поверхности концевой арматуры. Полученные соединения надежно работают при давлениях до 100 МПа [5]. Использование магнитно-импульсной технологии позволяет улучшить качество и внешний вид соединений, повысить производительность по сравнению со сборкой в кулачковых штампах и применять муфты, изготовленные из алюминиевых сплавов.
Рис. 6. Соединение шлангов с арматурой: 1 - шланг; 2 - муфта; 3 - штуцер
Импульсный характер нагружения позволяет соединять цилиндрические изоляционные основания из стекла, керамики с металлической арматурой. На рис. 7 представлены изолятор (рис. 7, а) и предохранитель (рис. 7, б). При напрессов-ке арматуры на изолятор используется геометрическое замыкание соединяемых деталей, а сборка колпачка с резистором осуществляется за счет натяга в соединении. Прочность соединения изолятора с арматурой обеспечивает надежное закрепление узла на различных конструкциях. Широко процесс магнитно-импульсной сборки используется при изготовлении деталей электротехнического производства, например, резисторов и предохранителей. Поскольку перемещение деформируемой детали мало, при сборке подобных изделий применяется многоимпульсное деформирование, что позволяет за один импульс производить малую деформацию колпачка и снизить ударную нагрузку на керамическое или стеклянное основание. Выделяемое в процессе нагружения тепло способствует увеличению натяга в соединении, повышающего его прочность.
1 2
Рис. 7. Соединения металлических деталей с деталями, изготовленными из неметаллических материалов
1 - изолятор; 2 - металлическая арматура; 3 - основание; 4 - колпачок
При сборке резисторов основание, изготовленное из стекла, имело наружный диаметр 4,3 мм, толщину 0,3 мм, высоту 3 мм, материал колпачка - латунь Л90. Испытания собранных резисторов показали, что усилие стягивания колпачка с основания составляет величину 200-250 Н при минимальном требуемом значении 150 Н. Производительность процесса сборки - 3000 деталей в час. При этом раскалибровка оснований не требуется, т. е. подбирать согласованные по размерам пары оснований и колпачков.
Еще одной эффективной областью использования процесса является сборка изделий, изготовленных из проволоки, типа проводов, кабелей и тросов между собой или с металлическими законцовками [6]. На рис. 8 представлены примеры сборочных соединений изделий из проволоки.
Соединяются наконечники с кабелем или проводом (рис. 8, а) путем обжима цилиндрической части наконечника на кабель или трос. При этом происходит пластическая деформация проводников, в результате которой они приобретают характерную шестигранную форму, вследствие чего коэффициент заполнения
металлом поперечного сечения деформируемой части наконечника становится близким к единице. В результате цилиндрическая часть наконечника деформируется равномерно по окружности, обеспечивая контакт со всеми жилами провода. Это приводит к снижению электрического сопротивления контактного соединения до уровня в 1,2-1,4 раза ниже предельного значения, допускаемого техническими условиями на изделие, а усилие срыва наконечника не менее чем в 1,5 раза превосходит минимально допустимую величину [7]. Использование магнитно-импульсной сборки заменяет процессы механического обжатия и пайки серебряными припоями. Проведенные вибромеханические и климатические испытания соединений кабелей и проводов с наконечниками дали положительные результаты и позволили использовать процесс в условиях серийного производства.
а б
Рис. 8. Сборка кабеля с наконечником и страховочного троса 1 - кабель; 2 - наконечник; 3 - трос; 4 - втулка
Сборка страховочного троса (рис. 8, б) осуществляется путем обжима втулки на петлю троса. Соединения троса диаметром 4 мм, полученные с помощью втулки из алюминиевого сплава АМг6 длиной 15 мм и толщиной стенки 3 мм, выдерживали растягивающую нагрузку 14 кН при требуемой нагрузке 12 кН.
При магнитно-импульсной сборке тонкостенных труб из волокнистых композиционных материалов между собой и с металлическими законцовками получали соединения, равнопрочные основному материалу (рис. 9). На рис. 10 представлены фотографии реальных деталей-узлов, полученных с помощью магнитно-импульсной сборки.
Рис. 9. Сборка углепластиковых труб с законцовками
в
Рис. 10. Детали-узлы, полученные с помощью магнитно-импульсной сборки:
а - страховочный трос; б - макет карданного вала из алюминия для автомобиля ВАЗ;
в - заземлители
Заключение
В статье приведены только типовые виды соединений деталей, которые можно получать магнитно-импульсной сборкой. В настоящее время в различных отраслях промышленности процесс магнитно-импульсной сборки широко используется как для соединения отдельных деталей, так и в качестве заключительной операции при сборке агрегатов. Магнитно-импульсная технология позволяет получать сборочные соединения деталей из металлических и неметаллических материалов, работающие в условиях осевых и моментных нагрузок, а также шлангов и рукавов с концевой арматурой, проводов и кабелей с наконечниками и изделий из троса [8, 9]. Полученные соединения характеризуются высокой прочностью и герметичностью. Процесс обладает высокой производительностью и не требует точной подгонки соединяемых деталей. Магнитно-импульсная технология сборки расширяет область применения процессов импульсного деформирования металлов в различных отраслях машиностроения.
Библиографический список
1. Прокофьев А. Б., Беляева И. А., Глущенков В. А. и др. Магнитно-импульсная обработка материалов. Самара: АНО Изд-во СНЦ, 2019. 140 с.
2. Глущенков В. А. Карпухин В. Ф. Технология магнитно-импульсной обработки материалов: монография. Самара: ИД «Федоров», 2014. 208 с.
3. Самохвалова Ж. В. Компьютерное моделирование процесса импульсной сборки электрических соединителей из разнородных материалов // Автоматизированное проектирование в машиностроении. 2022. № 13. С. 65-68.
4. Глущенков В. А. Магнитно-импульсная технология сборки при производстве биметаллического заземлителя // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2019. № 8. С. 16-25
5. Glouschenkov V., Karpukhin V., Pesotsky V. Achievements in magnetic pulse welding and assembly of tubular structures // Proceedings of the international conference on the joining of materials JOM-6. 1993. Pp. 473-484.
6. Коневцев И. Б., Попов Ю. А. К выбору режима напрессовки арматуры на хрупкие основания методом магнитно-импульсной формовки // Электрофизические процессы при импульсном разряде: Сб. статей. Чебоксары: Чувашский государственный университет, 1972. С. 77-87.
7. Самохвалов В. Н., Самохвалова Ж. В. Напрессовка наконечников проводов электроподвижного состава магнитно-импульсным методом // Вестник транспорта Поволжья. 2015. № 3. С. 32-37.
8. Sandford J. E. High velocity takes of again // Iron Age. 1969. Vol. 203. № 10. Pp. 91-95.
9. Шалунов Е. П., Попов Ю. А., Иванов Е. Г. Использование давления импульсного магнитного поля для сборки рукавов высокого давления с концевой арматурой // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. № 12. С. 13-15.
Дата поступления: 12.07.2023 Решение о публикации: 27.07.2023
Контактная информация:
ЧЕРНИКОВ Дмитрий Генадьевич - канд. техн. наук, научный руководитель лаборатории (Самарский национальный исследовательский университет им. академика С. П. Королева, Российская Федерация, 443086, Самара, Московское шоссе, д. 34), [email protected]
ЮСУПОВ Ринат Юнусович - научный сотрудник (Самарский национальный исследовательский университет им. академика С. П. Королева, Российская Федерация, 443086, Самара, Московское шоссе, д. 34), [email protected]
ПЕСОЦКИЙ Вячеслав Иванович - ведущий инженер лаборатории (Самарский национальный исследовательский университет им. академика С. П. Королева, Российская Федерация, 443086, Самара, Московское шоссе, д. 34), [email protected]
АЛЕХИНА Валентина Константиновна - канд. техн. наук, старший научный сотрудник (Самарский национальный исследовательский университет им. академика С. П. Королева, Российская Федерация, 443086, Самара, Московское шоссе, д. 34), [email protected]
References
1. Prokofev A. B., Belyaeva I. A., Glouschenkov V. A. et al. Magnitno-impul'snaya obrabotka materialov [Magnetic-pulse processing of materials]. Samara: ANO Publishing House of SNC, 2019, 140 p. (In Russian)
2. Glouschenkov V. A., Karpukhin V. F. Tekhnologiya magnitno-impul'snoj obrabotki materialov: monografiya [Technology of magnetic-pulse processing of materials: monograph]. Samara: Publishing House Fedovov, 2014, 208 p. (In Russian)
3. Samokhvalova Zh. V. Komp'yuternoe modelirovanie protsessa impul'snoy sborki elektri-cheskikh soediniteley iz raznorodnykh materialov [Computer modeling of the process of pulse
assembly of electrical connectors from dissimilar materials]. Automated Design in Mechanical Engineering. 2022. No. 13, pp. 65-68. (In Russian)
4. Glouschenkov V. A. Magnitno-impul'snaya tekhnologiya sborki pri proizvodstve bimetalli-cheskogo zazemlitelya [Magnetic-pulse assembly technology in the production of bimetallic grounding conductor]. Forging and Stamping Production. Pressure Processing of Materials. 2019. No. 8, pp. 16-25. (In Russian)
5. Glouschenkov V., Karpukhin V., Pesotsky V. Achievements in magnetic pulse welding and assembly of tubular structures. Proceedings of the international conference on the joining of materials JOM-6. 1993, pp. 473-484.
6. Konevtsev I. B., Popov Yu. A. K vyboru rezhima napressovki armatury na hrupkie osno-vaniya metodom magnitno-impul'snoj formovki. Elektrofizicheskie processy pri impul'snom razryade: Sb. statey [On the choice of the mode for press-fitting reinforcement onto fragile foundations using the magnetic-pulse molding method. Electrophysical processes in pulsed discharge: Coll. of articles]. Cheboksary: Chuvash State University, 1972, pp. 77-87. (In Russian)
7. Samokhvalov V. N., Samokhvalova Zh. V. Napressovka nakonechnikov provodov elektro-podvizhnogo sostava magnitno-impul'snym metodom [Press-fitting of wire lugs for electric rolling stock using the magnetic-pulse method]. Transport Bulletin of the Volga region. 2015. No. 3, pp. 32-37. (In Russian)
8. Sandford J. E. High velocity takes of again. Iron Age. 1969. Vol. 203. No. 10, pp. 91-95.
9. Shalunov E. P., Popov Yu. A., Ivanov E. G. Ispol'zovanie davleniya impul'snogo magnit-nogo polya dlya sborki rukavov vysokogo davleniya s koncevoy armaturoy [Using pulsed magnetic field pressure for assembling high-pressure hoses with end fittings]. Forging and Stamping Production. 1985. No. 12, pp. 13-15. (In Russian)
Date of receipt: July 12, 2023 Publication decision: July 27, 2023
Contact information:
Dmitriy G. CHERNIKOV - Candidate of Technical Sciences, Research Supervisor of the Laboratory (Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, Russian Federation, 443086, Samara, Moskovskoye Shosse, 34), [email protected]
Rinat Yu. YUSUPOV - Researcher (Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, Russian Federation, 443086, Samara, Moskovskoye Shosse, 34), [email protected]
Vyacheslav I. PESOTSKY - Leading Engineer of the Laboratory (Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, Russian Federation, 443086, Samara, Moskovskoye Shosse, 34), [email protected]
Valentina K. ALEKHINA - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher (Samara National Research University named after academician S. P. Korolev, Russian Federation, 443086, Samara, Moskovskoye Shosse, 34), [email protected]
