Переходный элемент из разнородных материалов и способ его изготовления

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям и получению переходных элементов из разнородных материалов способом совместного холодного деформирования, и может быть использовано в криогенной, электротехнической, авиационной отраслях промышленности и народного хозяйства. Цель изобретения обеспечение герметичности и повышение надежности элемента. Переходный элемент содержит трубу 1 из композиционного материала, внутреннюю металлическую деталь 2, промежуточную металлическую втулку 3, наружную обжимную металлическую деталь 4. Промежуточная металлическая втулка 3 выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материалов трубы и деталей. Способ заключается в последовательной установке внутренней металлической детали, трубы из композиционного материала, промежуточной втулки и наружной металлической детали. Предварительно на контактируемые поверхности наносится клей. В результате холодной пластической деформации после сборки деталей металл промежуточной втулки заполняет канавки на трубе 1 и канавки на внутренней детали 2, обеспечивая надежное соединение по контактируемым поверхностям. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям и получению переходных элементов из разнородных материалов способом совместного холодного деформирования и может быть использовано в криогенной, электротехнической, авиационной и других отраслях народного хозяйства. Цель изобретения обеспечение герметичности и повышение надежности. На фиг. 1 показан предлагаемый переходный элемент; на фиг. 2 труба из композиционного материала; на фиг. 3 внутренняя металлическая деталь; на фиг. 4 промежуточная металлическая втулка; на фиг. 5 наружная обжимная металлическая деталь; на фиг. 6 схема получения переходного элемента. Переходной элемент из разнородных материалов содержит трубу 1 из композиционного материала, изготовленную из стеклянной ткани марки ТКС и связующего эпоксидной смолы ЭДТ-10, внутреннюю металлическую деталь 2, изготовленную из стали марки 12 х 18Н10Т, промежуточную металлическую втулку 3, изготовленную из алюминиевого сплава АМц, наружную металлическую деталь 4, изготовленную из стали марки 12 х 18Н10Т. Стеклопластиковая труба 1 (фиг. 2) с внутренним диаметром D₁ и толщиной стенки S на конце имеет утолщение на длине l₁ диаметром D₂, на котором нарезаны кольцевые канавки 5 с углом α₁ 60 на глубину b₁ с шагом t₁ на длине l₂ с образованием трапецеидальных выступов 6 и заканчивается выступом 7 на длине l₃. Нарезанные канавки 5 образуют выступы трапецеидальной формы. Внутренняя металлическая деталь 2 (фиг. 3) имеет уступ 8 диаметром D₃, выступ 9 на диаметре D₄, цилиндрический паз 10 глубиной l₄, бурт 11 на диаметре D₅. Деталь 2 изготовлена с внутренним диаметром D₆. На диаметре D₃ на длине l₅ нарезаны кольцевые канавки 12 с углом α₂ 60^о глубиной b₂ с шагом t₂ с образованием выступов 13 треугольной формы. Цилиндрическая поверхность 14 имеет диаметр D₇ D₁. Промежуточная алюминиевая втулка 3 (фиг. 4) длиной l₆ выполнена в форме колокола с двумя заходными коническими поверхностями 15 с углом конуса α₃ 5^о и 16 с α₄ 15^о и кольцевым буртом 17, образованным цилиндрической поверхностью 18 с длиной l₇ диаметром D₈ D₂ и цилиндрической поверхностью 19 с длиной l₈ диаметром D₉ D₃. Наружная цилиндрическая поверхность 20 имеет диаметр D₁₀, а поверхность 21 диаметр D₁₁. Наружная обжимная металлическая деталь 4 (фиг. 5) выполнена длиной l₉ с двумя коническими поверхностями: 22 на длине l₁₀ с α₅ 5^о на диаметре D₁₂ и 23 на длине I₁₁ с α₆ 5^о на диаметре D₁₃. В качестве опоры при изготовлении используют более прочную внутреннюю металлическую деталь 2, фиксируя ее от осевого перемещения в оправке 24. Трубу 1 из композиционного материала устанавливают выступом 7 в цилиндрический паз 10 детали 2. Предварительно на контактируемую поверхность трубы 1 с внутренней деталью 2 и промежуточной втулкой 3 наносят слой клея БЭН-50, представляющий собой блоксополимер 6Э18Н-60-1, модифицированный поливинилбутиралом (ПВБ) марки ПШ. Затем промежуточную втулку 3 совмещают с внутренней деталью 2 и трубой 1, фиксируя ее уступом 8 и буртом 11 детали 2. На промежуточную втулку 3 устанавливают наружную обжимную деталь 4. По поверхности 25 детали 4 прикладывают осевое усилие Р, которое обжимает промежуточную втулку 3 при перемещении детали 4 в заданное положение. В результате пластической деформации металл промежуточной втулки 3 заполняет канавки 5 на трубе 1 и канавки 12 на внутренней детали 2, обеспечивая надежное соединение по контактируемым поверхностям. Наличие бурта 11 на детали 2, двух конических поверхностей 22, 23 на детали 4, а также расчетная толщина промежуточной втулки 3 обеспечивает двухстадийный процесс деформирования соединяемых деталей. На первой стадии при деформировании области, ограниченной поверхностями 18, 15 и 20, промежуточной втулки 3 поверхностью 23 детали 4 направление главных напряжений ( σ₁ σ₃) совпадает с направлением главных деформаций (δ₁ δ₃) и одно из главных напряжений (σ₁) является растягивающим. Это позволяет считать, что деформация промежуточной втулки 3 в зоне соединения с трубой 1 на начальной стадии происходит аналогично деформации металла при волочении. При дальнейшем перемещении детали 4 в зоне соединения деталей 1, 2 и 3 направление главных деформаций промежуточной втулки 3 не совпадает с направлениями главных напряжений в ней. Поэтому далее деформация промежуточной втулки 3 осуществляется аналогично деформации металла при прессовании с усилием, превышающим усилие при волочении. Объясняется это тем, что при выбранных степенях деформации металла промежуточной втулки 3, сила контактного трения по соприкасающимся поверхностям достигает максимального значения. При деформации промежуточной втулки 3 деталью 4 можно условно выделить четыре зоны деформации. Зона А деформация металла промежуточной втулки 3 поверхностью 23 детали 4 в зоне соединения с трубой 1, зона В деформация металла промежуточной втулки 3 поверхностью 23 в зоне соединения с деталью 2, зона С деформация металла промежуточной втулки 3 поверхностью 22 детали 4 в зоне соединения с трубой 1, зона Д зона, заполняемая металлом промежуточной втулки 3 при деформации зоны В. Схема действия внешних сил при совместном деформировании соединяемых деталей, а также четырех зон очага деформации и возникающих при этом деформаций и напряжений в промежуточной втулке 3, приведены на фиг. 6. Необходимо отметить, что в приведенном примере изготовления стеклопластико-стального переходного элемента средняя степень деформации промежуточной алюминиевой втулки в зоне соединения со стеклопластиком составляет 31% и со сталью 37,5% Таким образом, выбранные форма и размеры соединяемых деталей обеспечивают раздельную деформацию промежуточной втулки. Это необходимо для одновременного полного заполнения канавок трубы из композиционного материала и внутренней металлической детали металлом промежуточной втулки без разрушения как выступов, так и самого композиционного материала. Преимуществом такой схемы нагружения является отсутствие объемного формоизменения соединяемой трубы из композиционного материала и внутренней металлической детали и локализации деформации в тонких приповерхностных слоях зоны соединения. Полученные таким образом переходные элементы подвергались с целью полимеризации клея термической обработке при температуре 400 К в течение 24 ч. Использование предлагаемой конструкции и способа изготовления переходного элемента из разнородных материалов позволяет повысить вакуумную плотность, а тем самым и эксплуатационную надежность соединения деталей из композиционного и металлического материалов.

Формула изобретения

1. Переходный элемент из разнородных материалов, включающий внутреннюю металлическую деталь, наружную металлическую деталь и трубу из композиционного материала, конец которой закреплен между этими деталями, отличающийся тем, что, с целью обеспечения герметичности и повышения надежности, он снабжен промежуточной ступенчатой металлической втулкой с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материалов трубы и указанных деталей, выполненной с двумя заходными конусами на внешней поверхности и кольцевым буртом на внутренней поверхности, труба из композиционного материала имеет утолщенную концевую часть с кольцевыми канавками на ее внешней поверхности, внутренняя металлическая деталь выполнена с утолщенной средней частью, имеющей кольцевые канавки, на внешней поверхности, упорный бурт на одном конце и торцевой кольцевой выступ на другом, наружная металлическая деталь выполнена с двумя внутренними коническими поверхностями, длины которых соответственно равны длине утолщенной части трубы и длине утолщенной части внутренней детали, при этом промежуточная втулка внутренней поверхностью ступеней контактирует с утолщенной частью трубы из композиционного материала и утолщенной частью внутренней металлической детали, кольцевым буртом с торцовым выступом внутренней детали, внешней поверхностью с соответствующими коническими поверхностями наружной детали, а торцом с упорным буртом внутренней детали. 2. Способ изготовления переходного элемента из разнородных материалов, включающий нанесение клея на соединяемые поверхности внутренней металлической детали, трубы из композиционного материала и наружной металлической детали, их сборку и совместное деформирование, отличающийся тем, что, с целью обеспечения герметичности и повышения надежности, после установки внутренней детали и трубы из композиционного материала устанавливают промежуточный элемент из пластичного материала, фиксируют его положение и на него устанавливают наружную металлическую деталь, при этом деформирование производят в холодном состоянии. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на поверхность трубы из композиционного материала, соединяемую с промежуточной втулкой, наносят клей горячего отвердения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6