Сборка-сварка тонкостенных баллонов и баков гидрогазовых систем ЛА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Объектом конструкторско - технологических разработок в настоящем курсовом проекте являются баллоны и баки гидрогазовых систем ЛА - воздушных, кислородных, топливных, гидравлических и др. Форма, конструкция, материал баллонов и баков определяются их назначением, условиями эксплуатации, требованиями технологичности. В большинстве случаев баллоны и баки - это тонкостенные сварные конструкции цилиндрической или сферической формы из нержавеющих сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Производство таких изделий включает в себя разнообразные технологические операции раскроя, листовой штамповки, обработки резанием, сварки, сборки, химической и термической обработки, упрочнения, нанесения покрытий, маркирования, контроля и испытаний. Именно многообразием применяемых технологий, присущих большинству деталей и узлов ЛА, а так же возможностью использования прогрессивных и наукоемких методов обработки и контроля (лазерных, магнитноимпульсных, ультразвуковых и д.р) и обусловлен выбор объекта для курсового проектирования.

Целью выполнения данной курсовой работы является закрепление теоретических знаний по дисциплине «Сварка и пайка в производстве летательных аппаратов» и приобретение навыков самостоятельного решения конструкторско-технологических задач.



Задание на курсовую работу

Рассчитать размеры элементов конструкции и выполнить сборочный чертеж баллона (бака). Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ задания	D, мм	V,	, МПа	Материал	Среда
10	260	25	3.6	ОТ4-0	Керосин

Назначить и описать методы и средства выполнения технологических операций раскроя, листовой штамповки, обработки резанием, сварки, термообработки, упрочнения, нанесения химических и лакокрасочных покрытий, испытаний, контроля. Рассчитать или назначить режимы этих операций. Разработать технологическую документацию.

Разработать конструкцию инструмента, приспособления, технологической установки или стенда, использующихся в производстве баллонов (баков), с выполнением сборочных чертежей.

баллон гидрогазовый деформирования пластический



1. Конструкция баллонов и баков

1.1 Описание базовой конструкции

Изделие (рисунок 1) представляет собой тонкостенную сварную конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки 1 с продольным сварным швом и двумя радиальными зигами 2 и двух штампованных днищ 3, 4, по центру которых на отбортовках приварены фланец 5 и штуцер 6.

Рисунок 1 Типовая конструкция баллона

1.2 Материал

ОТ4-0 - титановый деформируемый сплав. Применяется для деталей сложной конфигурации, работающих при температуре 300 - 3500С и кратковременно при температуре 500 - 6000С. Коррозийная стойкость хорошая. Ограничений по свариваемости нет. В таблице 2 приведены механические свойства материала в листовом виде.

Таблица 2

С, кг\м3	Е, мПа	?в	?т	Ев
4500	110	550	450	0.16

где - плотность; - модуль упругости; - предел прочности; - предел текучести; - относительная деформация, соответствующая пределу прочности и моменту образования шейки на образце при испытаниях на растяжение.

Физические характеристики титанового сплава ОТ4-0

0.6	15	1700	0.4	0.8

где - удельная теплоемкость; - теплопроводность; - температура плавления; - удельная теплота плавления; - удельное электрическое сопротивление.

1.3 Расчет толщины стенки

Толщина S стенки цилиндрической части обечайки определяется из условия прочности

, (1)

где - эквивалентное напряжение по 4-й теории прочности, или интенсивность напряжения ; - допускаемое напряжение, рассчитываемое как ( - запас прочности по пределу текучести); - коэффициент уменьшения допускаемого напряжения сварного соединения, зависящий от способа сварки и принимаемый равным 0,8…0,9 для ручной сварки, 0,9…1,0 - для автоматической.

Элемент тонкостенной оболочки, находящийся под давлением р, испытывает плоское напряженное состояние. Интенсивность в этом случае

, (2)

где , - соответственно тангенциальные и меридиональные напряжения.

выбрав способ сварки баллона - ручной, и соединив выражения (1) и (2), получим

, (3)

Подставив в выражение (3) известные величины, получим

Рассчитанную величину толщины стенки оставим 1.5 мм

Проверим полученный результат по условию тонкостенности

1.4 Форма и размеры элементов конструкции

С целью выполнения качественной сварки толщина стенки штампованного днища применяется равной толщине обечайки.

Форма днища выбирается из условия равнопрочности с обечайкой. Так как напряжения в сферической оболочке в 2 раза меньше, чем в цилиндрической того же диаметра, то условие равнопрочности означает, что максимальный радиус кривизны днища должен быть в 2 раза больше радиуса кривизны цилиндрической оболочки, т.е. равным ее диаметру.

Рекомендуемой формой днища является форма, образованная дугами двух окружностей радиусами

, высотой .

Размеры отбортовки и зигов назначаются из условий технологичности, изложенных в пунктах 4.3 и 4.5.

Ширина обечайки рассчитывается при заданном объеме баллона (бака) из условия

, (4)

где - соответственно объемы обечайки и днища.

Подставим известные величины

Герметизация изделия при подстыковке его к функциональной системе осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами круглого сечения. Для этой цели штуцер имеет входной цилиндрический поясок, фланец - канавку.

Диаметр болтов фланцевого стыка и их количество определяется расчетом на прочность. Рекомендуется применять болты с и шагом их установки по окружности равным .

1.5 Выполнение сборочного чертежа

Сборочный чертеж баллона (бака) выполнен на формате А1 в масштабе 1:1. И отображен в Приложение 1.



2. Технология производства баллонов и баков

2.1 Раскрой листовых материалов

Производство баллонов (баков) начинается с раскроя листовых материалов на заготовки для днищ и обечаек. Раскрой обечайки производить на гильотинных ножницах, так как контур заготовки прямолинейный. Раскрой заготовки на днища производить на роликовых ножницах, так как контур выполнен из криволинейного контура (круга).

Основным требованием к раскрою является наилучшее использование материала листа, то есть обеспечение наибольшей величины коэффициента использования материала

, (5)

где - количество получаемых из стандартного листа заготовок; - соответственно площади заготовки и стандартного листа.

Размер прямоугольной заготовки для обечайки определяется из формулы

Длина

(6)

и ширина

(7)



Соответственно

Диаметр круглой заготовки дня днищ зависит от выбранного в п. 3.2 метода штамповки-вытяжки. При штамповке с применением кольцевой матрицы

, (8)

Соответственно

Рассчитав длину и ширину, и диаметр заготовок, рассчитаем количество заготовок и подберем стандартный лист.

Обечайка: по ширине , ; по длине , , . Для раскроя заготовок под обечайки выберем лист 3000х1250, из которого получится заготовок. Площадь листа при этом - .

Днища: по ширине , ; по длине , , . Для раскроя заготовок под днища выберем лист 2500х1250, из которого получится заготовок. Площадь листа при этом - .

Подставив полученные значения площадей и количеств заготовок в формулу (5), рассчитаем КИМ для обечаек и днищ.

2.2 Штамповка днищ

Для штамповки-вытяжки выберем метод с применением кольцевой матрица. Данный выбор обуславливается простотой своего исполнения и сравнительной не дорогим оборудованием.

Для выполнения процесса необходима матрица с теоретическим контуром днища баллона (бака), пуансон с ответным теоретическим контуром детали за вычетом толщины заготовки и необходимое количество фанерных рамок, рассчитываемое по формуле (9).

, (9)

где - количество фанерных рамок, - глубина вытяжки, - высота одной фанерной рамки, выбирается в пределах .

Исходя из полученных результатов следует, что для процесса вытяжки необходимо 8 фанерных рамок.

Количество переходов необходимых для полной вытяжки днищ рассчитывается из условий: количество фанерных рамок + калибрующий удар, то есть получается что расчетные глубины днищ вытянутся методом штамповки за 9 переходов.

Калибрующий удар производится при снятии всех фанерных рамок.

Усилие пресса для вытяжки рассчитывается по формуле:

где: Р- усилие вытяжки; S - толщина материала; D - диаметр плоской заготовки; d - диаметр вытягиваемой детали; ?в - предел прочности при растяжении; k - коэффициент, учитывающий усилие для проталкивания детали сквозь матрицу(1.2 - 1.3)

Таким образом

2.3 Пробивка и отбортовка отверстий

Пробивку и отбортовку отверстий рекомендуется проводить на механических прессах в инструментальных штампах.

Диаметр технологического отверстия под отбортовку зависит от заданных в чертеже детали диаметра горловины , радиуса сопряжения борта со стенкой, длины цилиндрического участка и назначенного припуска на торцовку, и рассчитывается по формуле

, (11)

Для простоты расчета принимаем , припуск на торцовку , радиус сопряжения .

Предварительно выбрав диаметр горловины и подставив полученные значения, получим

Коэффициент отбортовки не должно превышать предельного , зависящего от марки материала, относительной толщины и способа обработки кромок технологического отверстия. При зачистке и полировании кромок отверстия, полученного пробивкой, ориентировочное значение при составляет для титановых сплавов 1.2 - 1.7

, следовательно диаметр горловины подходит.

Гибка - овертка

Обечайки являются базовой деталью всех колонных теплообменных аппаратов а так же баллонов. Они подразделяются на:

Жесткие, которые не изменяют формы поперечного сечения под действием своего веса. Для них справедливо соотношение Dвн/S?150, где S - толшина стенки обечайки, Dвн - внутренний диаметр обечайки

Нежесткие Dвн/S>150

Толстостенные (корпуса), если Dн/Dвн=1.1 или толщина стенки более 40мм, Dн - наружний диаметр обечайки

Основные геометрические размеры обечайки (рис.2): Dвн, S, H - высота обечайки. Dвн - размер стандартизирован.

По форме обечайки делятся на гладкие и со специальными ребрами, зигами. Заготовками для обечаек являются: листовой прокат, литье, поковки, трубы. Обечайки диаметром до 600мм изготавливаются с одним продольным швом, а свыше 600, можно из нескольких листов. При этом ширина замыкающей вставки должна быть не менее 400мм.



Рисунок 2

Обечайки баллонов и баков рекомендуется гибкой - оверткой листовых заготовок с последующей сваркой продольного стыка. Операция проводится на двухвалковой листогибочной машине, один из валков которой имеет эластичное покрытие, другой представляет собой сменную гибочную оправку.

2.4 Формовка зигов

Формообразование зигов на обечайках осуществляется давлением эластичной среды, жидкости, магнитного поля.

Давление жидкости может передаваться через резиновую оболочку или непосредственно на заготовку и иметь как статический так и динамический характер. К импульсным методам формования относятся гидроимпульсная штамповка на пресс - пушках, гидровзрывная, электрогидроимпульсная, магнитно - импульсная.

Операция зиговки всеми вышеперечисленными методами может проводиться совместно с операцией калибровки концов обечайки.

В случае раздельного выполнения этих операций зиговка осуществляется на зигмашинах между двумя вращающимися роликами.

При зиговке статическим давлением его величина рассчитывается формулой

Для титановых сплавов Rзиг рекомендуется брать 12*S, следовательно:

2.5 Калибровка концов обечаек

Калибровка концов обечаек должна осуществляться на длине не менее 15мм, с точностью, обеспечивающей требуемое смещение кромок свариваемых деталей.

Рабочий диаметр Dм калибрующей матрицы назначается из условия упругого пружинения и возникновения пластических деформаций калибруемой детали

где - деформация, соответствующая разгрузке и началу пластической деформации.

Отсюда



2.6 Обрезка припусков и торцовка

Обрезку технологического припуска тонкостенных деталей диаметром более 100мм, рекомендуется производить на роликовых ножницах или специализированных станках. В качестве инструмента для обрезки деталей из титановых сплавов используют алмазный круг, с сильным охлаждением зоны резки.

Торцовка заключается в удалении заусенцев на кромках деталей после обрезки и обработки торцов деталей с технологическим припуском. Обработка торцов может осуществляться пневмодрелью с применением специальных шарошек, а так же на специализированных и токарных станках.

2.7 Изготовление штуцеров и фланцев

Штуцера и фланцы изготавливаются обработкой резанием на металлообрабатывающих станках - токарных, фрезерных, сверлильных. Рекомендуемый вид заготовки для штуцеров - круглый или шестигранный прокат, для фланцев - штамповка или толотолистовой прокат. Особо трудоемкой операцией является сверление контровочных отверстий штуцеров диаметром 1…1.5мм. С целью уменьшения трудоемкости механическое сверление может быть заменено электроискровой прошивкой, или многоимпульсной лазерной пробивкой.

2.8 Сварка

Для выполнения сварных соединений тонкостенных деталей из титановых сплавов рекомендуется применять аргонодуговую сварку, неплавящимся (вольфрамовым) электродом с присадочной проволокой или без нее. Возможно использование так же плазменной сварки.

Процесс сварки осуществляется в следующей последовательности: подготовка кромок свариваемых деталей, прихватка, сварка, зачистка и правка, контроль. Подготовка деталей из титановых сплавов заключается в зачистке металлической щеткой наружной и внутренней поверхностей на длинне не менее 15 мм и дальнейшим обезжиривании салфеткой, смоченной в ацетоне или спирте.

При сборке деталей перед сваркой местные зазоры и смещения кромок не должны мревыщать 0.15S при толщине стенок S=1…3мм.

Прихватка деталей производится при помощи стяжных хомутов или на оправках не менее чем в 3-х точках равномерно по окружности ручной сваркой без сквозного проплавления и без присадки.

Для выполнения прямолинейных и кольцевых швов целесообразно применять автоматическую сварку, обеспечивающую наилучшее качество швов и высокую производительность. Скорость автоматической сварки составляет 10…30 м\с. Для обеспечение защиты от взаимодействия с воздухом прихватку и сварку титановых сплавов необходимо выполнять в аргоновых камерах с контролируемой атмосферой.

Правка кольцевых швов в зоне приваренных фланцев производится между двумя вращающимися роликами с усилием сжатия, обеспечивающим пластическую деформацию относительно опорной плоскости не более 0.5мм.

Для оценки качества сварных соединений применяются следующие виды контроля:

- внешний осмотр на отсутствие трещин, подрезов, прожогов с помощью лупы 6-8 кратного увеличения.

- определение размеров швов с помощью измерительных инструментов и шаблонов.

- метод капиллярной дефектоскопии для выявления дефектов, выходящих на поверхность.

- рентгеновский метод для выявления наружных и внутренних дефектов

- ультразвуковой (аккустический) метод

- испытания на прочность и герметичность

2.9 Термообработка

Основным видом термической обработки баллонов, является отжиг для устранения наклепа и снятия внутренних напряжений металла после сварки. Отжиг титановых сплавов необходимо осуществлять в вакуумных печах при температуре 600…6500С, для устранения газонасыщения и охрупчивания поверхностного слоя. С целью уменьшения термического коробления нежестких тонкостенных изделий термообработку рекомендуется проводить в специальных приспособлениях.

2.10 Упрочнения ППД

Поверхностным пластическим деформированием (ППД) упрочняются участки изделий с концентратами напряжений и неблагоприятными остаточными напряжениями. Такими местами для баллонов являются сварные швы, околошовные зоны, закругления отбортовок. Главная цель упрочнения - создание в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, и как следствие, повышение усталостной прочности и ресурса изделий, работающих при переменных нагрузках. Толщина упрочненного слоя после обработки примерно равна диаметру единичного отпечатка, параметр Rz шероховатости - половине его глубины, а продолжительность процесса оценивается из условия 5-кратного покрытия отпечатками шариков упрочняемой поверхности.



2.11 Испытания на прочность

Испытания на прочность проводятся путем создания избыточного давления жидкости, газа и др. выдержки под давлением и последующей оценкой внешнего состояния изделия. Давление опресовки принимается равным 1.25P, где P - рабочее давление.

Величина испытательного давления должна быть указана в технических требованиях чертежа изделия: «Баллон испытать на прочность давлением воды с хромпиком 15МПа в течение 5 минут».

Присоединительные штуцера и заглушки должны имитировать функциональные элементы. Испытания проходят на стенде, в состав которого входят: насос, баки с испытываемой жидкостью или баллоны с испытательном газом, фильтр, предохранительный и редукционный клапан, манометры, краны, ванна и т.д.

2.12 Контроль герметичности

Контроль герметичности проводится путем создания избыточного давления газа, или иногда жидкости внутри изделия, выдержки под давлением и последующей оценки утечек контрольного вещества. Давление опресовки при контроле герметичности должно быть не менее рабочего давления, но не более давления испытания на прочность.

Контроль изделий на герметичность следует проводить рабочей средой или средой, вязкость которой меньше вязкости рабочей среды. В данном курсовом проекте, для контроля герметичности будет рабочая среда - керосин. Вязкость, при нормальных условиях - 2.2 мПа.с

Т.к. рабочая и контролирующее вещество - жидкость, тогда целесообразнее выбрать гидростатический метод контроля герметичности. При данном методе изделие заполняется жидкостью под давлением и после выдержки изделия и индикация течей фильтрованной и копировальной бумагой. Изделие считается герметичным, если не обнаружено следов отпотевания и наличия пятен жидкости на проявляющем элементе.

Так же данный метод может совместить испытание на прочность и герметичность.

Промывка

Технологический процесс промывки заключается в очистке внутренней поверхности изделия водными растворами моющих средств, нейтрилизации их остатков вначале горячей водой, затем холодной и сушки чистым воздухом, контроле и укопорке. Контроль чистоты наружних поверхностей производится визуально или по чистоте салфеток «на отсутствие пятен». Чистота внутренних поверхностей определяется косвенным методом, путем прокачки чистой чистой воды через изделие и контрольный фильтр с тонкостью фильтрации 12…16 мкм. На фильтре не должно быть механических примесей и пятен.

Укопорка заключается в постановке металлических заглушек, контровке проволокой и пломбировании.

Окраска

Окраска наружных поверхностей баллона предотвращает их коррозии. Цвет баллона топливной системы - желтый.

Процесс окраски выполняется в следующей последовательности:

Обезжиривание путем протирки поверхности смоченной спиртом или бензином салфетки

Грунтовка

Окраска эмалью

Контроль качества по эталону

Грунтовку и окраску следует производить в электростатическом поле. Этот метод увеличивает производительность за счет автоматизации процесса, уменьшает потери лакокрасочных материалов, улучшают условия труда

Маркировка

Маркирование неокрашенных тонкостенных деталей авиационной техники может производиться электрохимическим, электроискровым или лазерным способом, с глубиной символов не более 0.05S.

Лазерная маркировка широко применяется в различных отраслях промышленности. Она может быть автоматизирована, что увеличивает производительность. Большое преимущество лазерной маркировки - гравировка на любой поверхности.



Литература

1. Технология производства летательных аппаратов: Разработка конструкции и технологии производства тонкостенных баллонов и баков гидрогазовых систем Л.А./Метод. Указания и рекомендации для выполнения КП. - НГТУ, 1990.

2. Сборочно-сварочные работы в производстве Л.А./ Метод. Указания и рекомендации для выполнения КП. - НГТУ, 1998.

3. Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование: Учеб. Для вузов/Под ред. Г.А. Николаева. - М.: Высшая шк., 1990.

Размещено на Allbest.ru

...