Технологические процессы изготовления узлов и деталей ракет

Лекция 9 (вечерники) 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ РАКЕТ 3.1. Основные материалы и типы заготовок применяемых для изготовления деталей Современные ракеты представляют собой сложные устройства, работающие при воздействии на них больших температур и нагрузок. Существенное влияние на технологичность изготовления оказывают не только принятые конструктивные решения, но и марки применяемых материалов, а также технологические процессы изготовления элементов конструкции. В зависимости от назначения детали и узлы изделий изготавливают из различных марок материала и типов заготовок. Желательно чтобы заготовки по своей форме приближались к форме готовой детали, и требовалась минимальная механическая обработка. Существующие методы литья позволяют обеспечить высокие показатели по использованию материала. Наиболее часто применяются такие методы литья как: литьё по выплавляемым моделям, литьё в кокиль и литьё под давлением. Коэффициент использования материала при применении этих методов литья приближается к 0,65. Основными марками материалов, применяемыми при литьё различными методами, являются: - стали 10Х18Н9БЛ, ВНЛ-3, 08Х14Н5М2ДЛ; - алюминиевые сплавы АЛ-2, АЛ-9, ВАЛ-14; - магниевый сплав МЛ-5 Применение деталей из заготовок, получаемых горячей штамповкой, позволяет обеспечить (коэффициент использования материала) КИМ=0,6. Горячей штамповкой получают детали из следующих материалов: - титановых сплавов ВТ-20, ОТ-4; - нержавеющей стали 12Х18Н10Т; - алюминиевых сплавов АК4-1Т. Все указанные материалы освоены промышленностью и не требуют разработки специальных технологических процессов их обработки. 1 Наряду с рациональными заготовками широко применяются заготовки, получаемые из стандартных профилей: листов, прутков круглых и шестигранных, труб и др. Механическая обработка заготовок, в зависимости от конструкции детали или узла, осуществляется на универсальных станках, агрегатных (специализированных) или станках с ЧПУ. 3.2. Особенности технологии изготовления корпусов отсеков Корпус ракеты служит для размещения в нем оборудования, топлива, целевого груза, определяемого назначением ракеты и для расположения двигательной установки, являющейся, как правило, основным несущим элементом корпуса. В силовом отношении корпус является базой – опорой для крепления поверхностей и органов управления, различного оборудования. Как правило, корпус ракеты состоит из ряда функциональных отсеков, стыковка которых между собой может производиться различными способами. Конструкция отсеков определяется необходимостью размещения в них требующегося для ракеты различного вида оборудования, обеспечивающего нормальную работу ракеты при минимально возможном весе конструкции и обеспечением максимально возможной прочности. Наиболее часто применяется сварная конструкция корпусов отсеков различного функционального назначения. В зависимости от типа изделия конструкции отсеков одного и того же назначения могут существенно отличаться друг от друга. На рис. 3.1 и рис. 3.2 представлен различные конструктивные решения сварного варианта приборного отсека. Корпус отсека рис. 3.1 состоит из обечайки (1), колец (2, 3 и 4) соединённых между собой контактной точечной сваркой. Кольца изготовлены из листового титанового сплава ОТ-4 , как и обечайка. Отличие заключается в том, что кольца разрезные, а обечайка сварная (рис. 3.2). Длина развёртки обечайки (периметр) изготавливают с отклонением от номинального размера  0,1 мм и с припуском 2 мм по длине. Гибку листовой заготовки осуществляют на трёх валковом гибочном станке. Обечайку сваривают аргонодуговой сваркой с последующим контролем качества сварного шва. Для обеспечения требуемой точности диаметра обечайки она подвергается термокалибровке и последующей механической 2 обработке торцевых поверхностей. Биение торцевой поверхности не должно превышать 0,05 мм. С внутренней стороны обечайки сварной шов, перед установкой разрезных колец (2 и 4), зачищается на ширину этих колец заподлицо с внутренним диаметром. 3 6 5 Вид А 1 2 Кт Кт 1 4 Кт 8 3 7 Заглушка А 1,5 Рисунок 3.1 - Конструктивные решения сварного варианта приборного отсека. Ф А 0,05 А Рисунок 3.2 - Конструктивные решения сварного варианта приборного отсека. После приварки разрезных колец производится механическая обработка торцевых и посадочных поверхностей, а также отверстий под окантовку лючков и сверление отверстий под крепёж на станке с числовым программным управлением. Остальные элементы, такие как окантовки (6) 3 кронштейны (5), шпангоут (7) и втулки (8) приваривают контактной точечной сваркой. На рис. 3.3 приведена конструкция приборного отсека изготовленного другим способом. Отличительной особенностью является замена разрезных колец шпангоутами (2 и 3) изготовленными из листового титанового сплава ОТ-4. и после гибки сваренными аргонодуговой сваркой. После сварки кольцевые заготовки подвергаются механической обработке в результате которой они приобретают форму приведённую на рис. 3.3. (б, в). В процессе механической обработки точность изготовления сопрягаемых и посадочных поверхностей обечайки достигается более высокая, чем в первом случае. Соединение обечайки и шпангоутов друг с другом производится аргонодуговой сваркой. При сварке необходимо чтобы сварные швы обечайки и шпангоутов были смещены относительно друг друга на 45 0 . Выполнение данного условия позволяет снизить появление дефектов в перекрещивающихся сварных швах. 1 2 3 А А а) Б Б б) в) Рисунок 3.3 - Конструкция приборного отсека Для защиты аппаратуры и приборов, расположенных в отсеке, от кинетического нагрева при эксплуатации осуществляется установкой теплозащиты внутренней поверхности отсека. На рис. 3.4 приведена конструкция теплоизоляции изготовленной прессованием из материала АТМ-6. Материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами и работает в диапазоне от -260ºС до +430ºС, а так же имеет нулевые показатели по гигроскопичности, водопоглощаемости и водопроницаемости. Учитывая, что на внутренней поверхности отсека имеются выступающие элементы теплозащита может состоять из нескольких частей склеенных между собой клеем ВКТ-2. Перед установкой теплозащиты все установленные внутри корпуса детали (лючки, окантовки, втулки, пояса и пр.) по контуру 4 промазывают герметиком влогонепроницаемости. А ВТО-1 для обеспечения пыле, А-А А Рисунок 3.4 – Конструкция теплоизоляции изготовленной прессованием из материала АТМ-6 Рисунок 3.5 -Конструкция сварного корпуса с дополнительными силовыми поясами. На рис. 3.5 показан вариант сварного корпуса, спроектированный по предыдущей схеме. Для повышения прочности конструкции к окнам приваривают листовые окантовки или накладки, а при необходимости в центральной части корпуса отсека привариваются специально спрофилированные кольцевые пояса, выполняющих функцию дополнительных шпангоутов. Все элементы отсека выполнены из титанового сплава аналогично конструкции представленной на рис. 3.3. Стыковые шпангоуты представляют собой охватывающие шпангоуты клинового стыка. 5 Другой разновидностью конструкции корпуса отсека рис. 3.6 может служить корпус, изготавливаемый из дюралевой трубы методом ротационного выдавливания с механической обработкой наружной и внутренней поверхностей. Труба изготовлена из материала Д20Т1 с толщиной стенки 12мм. Рисунок 3.6 - Конструкция корпуса, изготовленного методом ротационного выдавливания. С внутренней стороны, на передней и задней частях отсека, изготовлены по шесть секторов гребёнки внутренней части байонетного стыка с отверстиями для фиксирующих винтов. Для обеспечения доступа к расположенным внутри отсеков элементам, крепления агрегатов и блоков, в корпусах предусматриваются различного вида отверстия (в том числе упрочнённые), окна, втулки и бобышки крепления, накладки, посадочные места, посадочные поверхности различные отверстия, в том числе и резьбовые. Отклонение торцевой поверхности отсека от перпендикулярности относительно оси не должно превышать 0,1мм. Наряду с рассмотренными конструкциями применяются отсеки исходная заготовка которых изготавливается литьём из алюминиевого сплава ВАЛ-14. На рис. 3.7 и рис. 3.8 приведены конструктивные схемы рулевых отсеков различных изделий. 6 С 0,01 А ф80Н7 0,04 С А Рисунок 3.7 -Конструктивная схема рулевого отсека Рисунок 3.8 - Конструктивная схема рулевого отсека Наружную поверхность корпуса отсека, места установки агрегатов и сопрягаемые поверхности механически обрабатывают. На таком корпусе возможно изготовление необходимых для установки агрегатов приливов, различных карманов, бобышек, гнёзд, кронштейнов, что существенно снижает количество отдельно изготавливаемых деталей. Для доступа к функциональным агрегатам и блокам при их установке, отладке и эксплуатации на корпусе отсека предусмотрены вырезы, окна, приливы с гнёздами, посадочные поверхности для установки подшипников и крепления отсека, различные крепёжные отверстия. В задней части корпуса рис. 3.8 7 изготовлена наружная гребёнка байонетного стыка, а в передней части выполнены карманы фланцевого стыка. Использование того или иного вариантов корпусов отсеков на практике определяется аэродинамической схемой, общей компоновочной схемой ракеты, предусматривающей необходимость выполнения поставленной задачи, её конструктивно-силовой схемой, габаритно-весовыми характеристиками, возможностью размещения требуемого оборудования. 3.3. Директивный технологический процесс изготовления сварных корпусов Цилиндрические металлические оболочки широко применяются во многих конструкциях. Требования технологичности определяются уровнем научнотехнического прогресса в период разработки конструкции и со временем могут меняться. Например, до появления высококачественных холоднокатаных листов с незначительным полем допусков на толщину листа, а также до появления таких видов сварок, как электронно-лучевая и лазерная, обеспечивающих получение высококачественных сварных швов, метод ротационного выдавливания (раскатка) позволял получать бесшовные более качественные, более надёжные и обладающие меньшей массой обечайки, чем сварные. К более технологичным методам получения бесшовных обечаек следует отнести изготовление алюминиевых обечаек небольших диаметров (до 500 мм) глубокой вытяжкой и стальных обечаек - раскаткой. Раскатка позволяет получать обечайки с постоянной, переменной и ступенчатой толщиной стенки (в том числе обечайки, переходящие во фланец). Холодная раскатка (ротационное выдавливание) – процесс холодного локального деформирования кольцевой заготовки, закрепленной на вращающейся оправке. Раскатка производится на уникальных станках. Для получения крупногабаритных обечаек с высокой степенью деформирования заготовок требуются мощные раскатные станки. Они дорогостоящи и занимают значительные производственные площади в цеховых помещениях с большой шириной пролётов и высотой подкрановых путей. Поэтому выбор раскатных обечаек должен учитывать наличие специального оборудования, коэффициенты использования его и материала раскатных заготовок. 8 Стали, применяемые для изготовления цилиндрических оболочек, должны иметь высокую прочность, достаточную пластичность и сравнительно низкую стоимость. Для изготовления сварных деталей и сборочных единиц применяются аргонодуговая сварка, дуговая сварка под слоем флюса, электронно-лучевая и лазерная сварки, контактная сварка точечная и роликовая. При аргоновой и аргоно-гелиевой дуговой сварке защитный газ вводится в зону дуги струей, которая проходит вдоль электрода, окружая его. Струя предохраняет расплав шва oт образования окислов. Преимущества метода:  в достаточно высокой производительности, хорошем качестве шва;  в отсутствии необходимости защищать его другими средствами (нет флюса — нет шлака),  в маневренности (малые массы сварных головок позволяют механизировать сварку),  в универсальности (пригоден для сварки металлов) и т. д. Наиболее перспективным из всех перечисленных видов сварок представляется сварка лазерным лучом. Световой луч огромной энергетической плотности, испускаемый квантовым генератором (лазером) – еще более мощное, тонкое и гибкое средство, чем электронный луч. Лазерные сварочные установки в эксплуатации также проще, чем установка для электронно-лучевой сварки. Лазерный луч намного маневренней, чем электронный. Его можно преломлять с помощью зеркал, что позволяет достигать как далеко расположенных деталей, так и одновременно нескольких сварочных постов. К основным недостаткам лазерных сварочных установок в настоящее время относится их высокая стоимость и высокая стоимость эксплуатации. Технологический процесс должен быть отработан так, чтобы свести к минимуму появление дефектов. Методы контроля должны с максимальной надежностью выявлять все дефекты (раковины, поры, трещины, непровары, включения вольфрама, подрезы, смещения кромок и коробления в околошовной зоне) в сварных швах. В состав сварного корпуса (рис. 3.3 , и рис. 3.5) входят:  термокалиброванная обечайка с припуском 2 мм на длину;  шпангоуты с технологическими припусками: o 2 мм на посадочные диаметры; o 1,5 мм на длину; 9 o 2 мм на наружный диаметр под установку люнета1;  элементы внутреннего набора (втулки, заглушки, кронштейны, ложементы и т. д. рис. 3.1), выполненные листовой и горячей штамповкой, обработанные механически по свариваемым поверхностям с технологическими отверстиями для фиксации и крепления их на обечайке в процессе проведения контактной точечной сварки (рис. 3.9). Рисунок 3.9 – Припуск на чертеже под установку люнета. 3.3.1 Технология изготовления рациональных заготовок для шпангоутов Шпангоуты являются основными силовыми элементами в конструкциях ракет данного класса, которые воспринимают на себя и испытывают основные знакопеременные и осевые нагрузки в совместном и автономном полетах ракеты, поэтому исходные кольцевые заготовки для изготовления шпангоутов должны обладать повышенными механическими свойствами. В зависимости от метода изготовления кольцевые заготовки подразделяются на цельнокатаные и сварные. Заготовки для шпангоутов, имеющих длину меньше 125 мм и толщину более 8 мм, рекомендуется изготавливать на раскатной машине РМ-300М, а при длине более 125 мм и толщине менее 8 мм – методом гибки и сварки листа или другими способами. Преимущество отдаётся заготовке, при которой величина коэффициента использования материала (КИМ) – наибольшая с учётом трудоёмкости изготовления шпангоута. При наличии на шпангоутах ступенчатых поверхностей, снижающих величину КИМ ниже допустимой величины, конструкцию шпангоута 1 Люнет – дополнительная опора для деталей, обрабатываемых на токарных станках и имеющих длину более 10-12 диаметров или недостаточную жёсткость. 10 необходимо изменить с учетом применения сварного варианта или других конструктивных решений. С целью сокращения количества типоразмеров колец, применения универсальной оснастки при раскатывании заготовок, сокращения типоразмеров листов при изготовлении сварных колец, отработка шпангоутов на технологичность должна предусматривать унификацию их в пределах данной ракеты. Раскатка цельнокатаных колец с минимальными припусками 2 – 3 мм на сторону по производится по следующей технологии:  штамповка заготовок под раскатку в специальном штампе на прессе или штамповочном молоте;  раскатка заготовок на машине РМ-300М с помощью специальной оснастки. Изготовление сварных колец производится по следующей технологии:  резка листов и полос на заготовки, гибка их на трехвалковой гибочной машине в кольцо с последующей автоматической сваркой плавлением;  калибровка, совмещенная с неполным отжигом, увеличивающей внутренний и наружный диаметры на 4 – 5 мм. Горячая калибровка колец выполняется на универсальных многосекторных штампах со сменными вкладышами, работающими по принципу трансформации усилия с помощью клина (рис. 3.9).  предварительная механическая обработка на станке с ЧПУ с техническими припусками на посадочные диаметры и длину под АарДС в составе сварного корпуса (рис. 3.10). 3.3.2 Технологический процесс изготовления обечайки Требуемые конструкцией геометрические параметры обечайки (рис. 3.2) и точность (0,2 мм) на диаметр обеспечиваются технологическим процессом с применением термокалибровки, совмещенной с неполным отжигом. Критерий калибровки – разность коэффициентов линейного термического расширения материалов оправки и обечайки, установленной на этой оправке в процессе термокалибровки. Например: 1 6 Титановый сплав (обечайка)  20 С 600 С , гр  10  9,5 Ст. 10Х18Н9БЛ (оправка)  20 С 600 С , гр1 106  18,6   11 Критерий термокалибровки устанавливает длину развёртки заготовки для обечайки, которая после калибровки обеспечивает получение чертёжных размеров Сдлина развертки   ( Д черт  S   )  H , где: S – толщина листа;  - минусовый допуск на толщину листа; Н – натяг: заданное технологическим процессом пластическое растяжение в мм заготовки обечайки; величина принимается равной 0,006Дчерт. Допуск на длину развёртки принимается: 0,1 мм для Д  250 мм;  0,2 мм для Д  250 мм. Технологический процесс получения высокоточных тонколистовых термокалиброванных обечаек для изготовления сварных корпусов включает: - резку листовых заготовок на гильотинных ножницах с припуском 3-5 мм на размер развёртки и 10-15 мм на чертёжную длину обечайки; - фрезерование свариваемых поверхностей в расчётную длину развёртки под термокалибровку с допуском 0,1  0,2 в зависимости от чертёжного диаметра обечайки; - снятие заусенцев после фрезерования на кромках развёртки; - гибку по диаметру до соприкосновения торцев развёртки на трехвалковой листогибочной машине с предварительной подгибкой кромок для исключения образования сегмента «домика»; - подготовку свариваемых кромок под сварку: обдувка корундом на длине 10-15 мм или зачистка крацовкой, обезжиривание салфеткой, смоченной в ацетоне; - сварку автоматической АрДС продольного шва. Отжиг сварного шва исключается при автоматической сварке титановых обечаек в соответствии с РТМ ВИАМ; - неразрушающий контроль сварного шва, рентгеноконтроль, цветная дефектоскопия; 12 - термокалибровку совместно с неполным отжигом Т=550С, выдержка 2,5 часа, охлаждение в воде (для титановых сплавов) с проверкой периметромером чертёжного диаметра обечайки; - токарную обработку торцев обечайки с припуском 1,5-2,0 мм для устранения торцевого биения, возникающего после приварки АрДС первого шпангоута к обечайке в сварном корпусе. Шпангоуты являются основными силовыми элементами в конструкциях ракет данного класса, которые воспринимают на себя и испытывают основные знакопеременные и осевые нагрузки в совместном и автономном полетах ракеты, поэтому исходные кольцевые заготовки для изготовления шпангоутов должны обладать повышенными механическими свойствами. В зависимости от метода изготовления кольцевые заготовки подразделяются на цельнокатаные и сварные. Заготовки для шпангоутов, имеющих длину меньше 125 мм и толщину более 8 мм, рекомендуется изготавливать на раскатной машине РМ-300М, а при длине более 125 мм и толщине менее 8 мм - методом гибки и сварки листа или другими способами. Горячая калибровка колец выполняется на универсальных многосекторных штампах со сменными вкладышами, работающими по принципу трансформации усилия с помощью клина (рис. 3.10). Рисунок 3.10 - Горячая калибровка колец 13 3.3.3 Технологический маршрут изготовления корпуса отсека Основной маршрут и технологические операции процесса изготовления сварного корпуса отсека включают в себя:  подготовку свариваемых кромок обечайки и шпангоута к сварке;  обдувку корундом, обезжиривание салфеткой, смоченной в ацетоне;  сборку шпангоута с обечайкой на разжимном кольце для выравнивания свариваемых кромок в зоне сварки (рис. 3.11);  автоматическую аргонодуговую сварку (ААрДС) шпангоута с обечайкой со всесторонним местным поддувом аргоном в зоне сварки (шов кольцевой);  подрезку торца обечайки на токарном станке с целью исключения торцевого биения, возникающего после сварки;  подготовку торцованной кромки обечайки и второго шпангоута к сварке;  автоматическую аргонодуговую сварка второго шпангоута с обечайкой;  отжиг сварных швов. Отжиг для сварных швов для деталей из титановых сплавов, выполненных автоматической аргонодуговой сваркой, исключается в соответствии с технологическими рекомендациями ВИАМ;  неразрушающий контроль кольцевых сварных швов, рентгеноконтроль и цветную дефектоскопию;  создание технологических баз для установки в специальных приспособлениях на станке с ЧПУ: предварительная с припуском 0,5 мм токарная обработка посадочных диаметров, фрезерование стыковых межкорпусных пазов;  механическая обработка: центрирование, сверловка, вырезка, расточка технологических отверстий в обечайке для установки и крепления элементов внутреннего набора под контактно-точечную сварку на многоцелевых станках с ЧПУ с использованием IV координаты;  подготовка к проведению контактно-точечной сварки: снятие заусенцев в отверстиях, зачистка и обезжиривание свариваемых поверхностей на обечайке и элементах внутреннего набора, установка и крепление элементов на обшивке через технологические отверстия при помощи фиксаторов; 14  контактно-точечная сварка элементов внутреннего набора с предварительной проверкой образцов-свидетелей на технологическую пробу (качество сварки);  окончательная механическая обработка посадочных и стыковых поверхностей, фрезерование, сверление, развёртывание, расточка и нарезание резьбы для установки и крепления узлов, агрегатов и деталей на многоцелевых станках с ЧПУ. Механическая обработка ведется без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), попадание которой в зазоры между свариваемыми КТС деталями приводит к появлению коррозии и преждевременному разрушению сварного соединения;  контроль и проверка взаимозаменяемости комплексными калибрами стыков и посадочных мест установки, крепления комплектующих блоков и агрегатов (РВ, ВУ, ГСН, приводов и т. д.). Рисунок 3.11- Сборка шпангоута с обечайкой на разжимном кольце для выравнивания свариваемых кромок в зоне сварки 15 3.4. Технологический процесс изготовления перспективных конструкций методом деформации в сверхпластичном состоянии с диффузионной сваркой Техпроцесс изготовления корпусов, рассмотренных в предыдущих разделах, включает в себя изготовление ложементов под антенны РВ, накладок, окантовок, кронштейнов для установки и крепления узлов агрегатов, получаемые листовой и горячей штамповкой, которые привариваются точечной контактной электросваркой и последующую механическую обработку пазов под антенны РВ и стыковочных поверхностей (рис. 3.12). С целью снижения трудоёмкости изготовления и сборки отсеков существуют и другие способы их изготовления. В частности, формирование карманов под антенны РВ с помощью технологического процесса глубокой вытяжки и применение диффузионной сварки внутреннего набора к оболочке, вместо точечной контактной сварки (рис. 3.13), что значительно сокращает трудозатраты и позволяет: 1. Снизить "Сх" (лобовое сопротивление) изделия, на 20% за счет исключения сварных точек (Ктс). 2. Исключить механическую обработку пазов под антенны РВ и сократить цикл их изготовления. 3. Сократить номенклатуру входящих в сборку деталей. 4. Значительно повысить качество и аэродинамические характеристики изделия. 8.6.1 Рисунок 3.12 – Пример пазов Рис. под антенны РВ и стыковочных поверхностей 16 Рисунок 3.13- Применение диффузионной сварки внутреннего набора к оболочке, вместо точечной контактной сварки Сравнительные данные эффективности внедрения нового техпроцесса приведены в таблице 3.1. Как видно из приведённых данных время, затрачиваемое на изготовление деталей и подготовка корпуса к их установке, а также крепление деталей на внутренней поверхности корпуса контактной точечной сваркой, значительно больше, чем время, затрачиваемое на процесс вытяжки и диффузионной сварки. 17 Таблица 3.1 Сравнительные данные эффективности внедрения прогрессивного техпроцесса №№ Существующий Трудое Новый вариант Трудое п/п вариант изготовления мкость, изготовления корпуса мкость, корпуса н/час н/ч 1. Изготовление Установка оснастки в ложементов 10,8 корпус и фиксация в ней 1,3 2. Центровка, сверление и Снятие и разборка расточ. отв. в корпусе приспособления после под установку внутрен. 4,5 вытяжки и диффуз. набора и ложементов сварки 0,3 3. Подготовка Проведение вытяжки и поверхностей под 10 диффуз. сварки корпуса сварку, установка 3,5 внутреннего набора на корпусе 4. 4ТЭС-внутр. набора к Изготовление оснастки корпусу с проверкой на для вытяжки и диффуз. технологическую пробу сварки 1,5 430 5. Мех. обработка ИТОГО: выборок на станке с 5,1 ЧПУ 1,8 6. Изготовление фиксаторов для 14,5 установки и крепления внутр. набора 7. Изготовление пр-ия для установки и крепления корпуса для отр-ки и 16,3 сверления отв. под установку на ЧПУ 8. Изготовление шаблона для ТЭС внутр. набора 8,2 к корпусу 18 9. Изготовление штампа для шт-ки ложемента 220 ИТОГО: 29,1 Примечание – Трудоемкость многоразовой оснастки не учтена 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОТСЕКОВ 4.1. Требования к стыковым соединениям Деление корпуса ракеты на отсеки приводит к необходимости использования разъемных соединений (стыков). Стыки являются наиболее ответственными элементами корпуса ракеты и должны отвечать ряду требований. К этим требованиям относятся: - обеспечение точного взаимного расположения соединяемых отсеков относительно друг друга в целях сохранения необходимой геометрической формы корпуса; - передача всех силовых воздействий от одного отсека к другому при минимальной массе стыковочного узла; - быстроразъемность, для обеспечения сборки и разборки в процессе изготовления, обслуживания и ремонта ракеты при минимальных затратах времени на эти операции; - полная взаимозаменяемость, исключающая необходимость проведения подгонных работ при стыковке; - обеспечение герметичности или пыле влагонепроницаемости внутреннего объема отсека; - минимальные габариты конструкции стыка для получения максимального проходного сечения с целью обеспечения наибольшей плотности компоновки аппаратуры при монтаже ее со стороны торцов отсека. Величина допуска, на взаимное расположение отсеков, назначается на основе анализа возможных последствий, к которым может привести нарушение заданной формы ракеты. Неточность изготовления и стыковки нарушает аэродинамическую симметрию ракеты, влечет за собой эксцентриситет тяги двигателя и т.д. Все это приводит к отклонению от расчетных условий функционирования ракеты, возникновению дополнительных ошибок наведения и, как следствие, снижению эффективности ракеты. 19 Взаимное расположение соединяемых отсеков на практике регламентируется допусками на перекос осей отсеков ∆φ, на смещение осей ∆α и на закручивание отсеков ∆ψ (рис. 4.1) Рисунок 4.1 - Возможные погрешности при стыковке отсеков корпуса Обеспечение силовых функций стыков является наиболее сложной задачей, суть которой заключается в том, чтобы передать распределенные по корпусу отсека усилия на смежный отсек с минимальной концентрацией напряжений в зоне стыковочного узла. Чем меньше концентрация напряжений, тем выше надежность стыка и конструкции в целом. Быстроразъемность стыков обуславливается в основном требованиями эксплуатации и ремонта, когда сокращение временных затрат на сборку и разборку ракеты имеет существенное значение. Требование взаимозаменяемости стыков связано с серийным производством ракет, в процессе которого возможна неоднократная замена отсеков, при этом переборка должна производиться быстро, без задержки технологического цикла. Кроме этого, выполнение данного требования важно при ремонте ракет в эксплуатации, который, как правило, производится путем замены отказавшего отсека новым. Подгоночные работы здесь практически не допускаются. Герметичность или пылевлагонепроницаемость – это необходимое условие защиты блоков и элементов бортового оборудования, расположенного внутри отсека, от вредных воздействий внешней среды. 20 4.2. Типы стыков и особенности технологии их изготовления По типу конструктивного исполнения и способу передачи нагрузок стыки подразделяются на:  фланцевые  телескопические. Фланцевый тип стыка предполагает плотное прилегание торцевых поверхностей сопрягаемых отсеков друг к другу. Фланцевые стыки являются наиболее распространенными. Они применимы для отсеков любых диаметров, но более всего их применение оправдано в ракетах класса «В-В», имеющих калибр 380 мм. Фланцевые стыки подразделяются на точечные и контурные. Те и другие, в свою очередь, могут быть с наружным и внутренним доступом к соединительным элементам, но с целью обеспечения удобства обслуживания стыка, наибольшее распространение получили стыки с наружным доступом. Ниже рассматриваются схемы и конструкции различных фланцевых стыков с наружным подходом к соединительным элементам. Для всех них соблюдение точности по параметрам ∆φ, ∆α и ∆ψ обеспечивается соответственно обработкой ведущих центрирующих поясков сопряженных диаметров по скользящим посадкам, разделкой торцов стыкуемых отсеков с жестким допуском на перпендикулярность к продольной оси корпуса, с выполнением отверстий под болты по кондуктору или установкой радиальных фиксирующих штифтов. Рисунок 4.2 - Конструкция точечного фланцевого стыка 21 На рис. 4.2 показана конструкция точечного фланцевого стыка с заужным подходом к гайкам. Соединение состоит из стыковых шпангоутов, шпилек, гаек, контровочных шайб, ленты и резинового кольца. В таком соединении часть шпилек (две-три) проектируются по скользящим посадкам седьмого квалитета, они воспринимают и передают поперечные нагрузки от крутящего момента и перерезывающей силы. Эти же шпильки обеспечивают точность по смещению осей ∆α и закручиванию отсеков ∆ψ. Остальные шпильки устанавливаются с гарантированным зазором. Шпангоуты в местах расположения точек крепления имеют местные приливы для резьбовых отверстий под шпильки и для гнезд карманов, в которых размещаются гайки. Герметизация внутреннего объема обеспечивается резиновым кольцом. Шпангоуты изготавливают литьём с последующей механической обработкой внешнего диаметра и сопрягаемых поверхностей. Отверстия под шпильки сверлят с применением специального кондуктора согласованного по местам установки шпилек в соединяемых отсеках. При сборке отсеков шпильки при ввинчивании ставят на клей, а гайки контрят от вывинчивания специальной шайбой с отгибающимися лепестками. На рис. 4.3 представлен фланцевый стык с закладными болтами. Рисунок 4.3 - Конструкция фланцевого стыка с закладными болтами Болты вставляют в пазы приливов шпангоутов. Головка болта имеет форму, предотвращающую его проворачивание. Гайка имеет цилиндрический поясок, которым она садится при закручивании в специальное гнездо шпангоута и препятствует выпадению болта из прорези. Шпангоуты отсеков обрабатывают по сопрягаемым поверхностям на токарном станке, а пазы под закладные болты фрезеруют на станке с ЧПУ. Место под направляющий поясок гаек обрабатывают обратной циковкой. 22 Как и в первом случае 2-3 болта и пазы под них сопрягаются по скользящей посадке, обеспечивая координацию отсеков от закручивания. В радиальном направлении центровка осуществляется за счёт скользящей посадки выполненной по 8-му квалитету точности. Герметичность стыка обеспечивается за счёт уплотнительного резинового кольца и защитной ленты закрывающей место стыка отсеков. Так же имеет место применение фланцевых стыков с радиальным расположением винтов (рис. 4.4) и с внутренним доступом к соединительным элементам. В этом случае соединение стыковых шпангоутов осуществляется сухарями с конусными поверхностями и винтами, стягивающими фланцы шпангоутов по соответствующим конусным поверхностям. Конусные поверхности шпангоутов и сухарей выполнены под углом 180301 . Стяжной болт ввинчивают в сухарь до момента соединения отсеков, так чтобы сухарь не мешал их соединению. Герметизация обеспечивается установкой резиновой прокладки между сухарями и внутренней поверхностью отсеков. Центровка осуществляется по сопрягаемым цилиндрическим поверхностям отсеков скользящей или ходовой посадке. Рисунок 4.4 - Конструкция фланцевого стыка с радиальным расположением винтов. Данный вид соединения занимает промежуточное положение между точечным и контурным стыком. Исходной заготовкой для сухарей является труба, из которой на токарном станке изготавливают кольцо. Профиль кольцевой выточки соответствует размерам и профилю конусных поверхностей фланцев шпангоутов, обеспечивающих плотное стягивание соединяемых отсеков. Разрезая кольцо на части получают сухари требуемого размера. Хомутовый фланцевый стык двух отсеков, представленный на рис. 4.5, состоит из стыковых шпангоутов, сочлененных между собой посадкой по 23 гладкой цилиндрической поверхности. На торцевых поверхностях шпангоутов выполнены трапецеидальные кольцевые выступы имеющие скос с одной из сторон под углом 18°30'. Аналогичные углы скоса имеет кольцевая выточка хомута. Соединение корпусов осуществляется при стягивании хомута стяжным болтом. При стягивании болтов в осевом направлении скосы хомута перемещаясь по скосам трапецеидальным выступов шпангоутов стягивают их с усилием, необходимым для предотвращения появления зазора при эксплуатационных нагрузках. Для диаметров корпусов до 120 мм применяется хомут, состоящий из собственного хомута и стяжного винта. Рисунок 4.5 - Конструкция хомутового стыка При соединении корпусов диаметром более 200 мм используются хомуты, состоящие из двух половин и двух стяжных винтов. Соединение достаточно надежно с точки зрения эксплуатации, но имеет недостаток, состоящий в том, что наличие стяжных винтов заставляет развивать элементы хомутов, выходящие за пределы калибра изделия, отрицательно влияющие на аэродинамические характеристики. При таком типе соединения нагрузка с одного отсека на другой передается по всему периметру, заставляя обшивку работать полностью и равномерно. Телескопические стыки применяются на ракетах малых и средних диаметров (D<650 мм). Шпангоуты стыкуемых отсеков в местах соединения с обшивками в этом случае имеют меньший перепад жесткости, чем у точечных фланцевых стыков и, следовательно, меньшую концентрацию напряжений. Точность по смещению ∆α осей отсеков обеспечивается обработкой наружной поверхности ракеты, сверление отверстий под винты по 24 кондуктору обеспечивает точность по закручиванию ∆ψ. Для получения требуемой точности по перекосу ∆φ плоскость осей винтов должна быть нормальна к продольной оси отсека с допуском на неперпендикулярность порядка 0,05/100. На рис.4.6 приведена конструкция одного из телескопических стыков. Стык представляет собой телескопическое соединение двух цилиндрических деталей скрепленных между собой 12ю винтами и гайками направленных радиально к центру и равномерно расположенных по окружности. Особенностью рассматриваемого стыка является следующее: охватываемый элемент стыка представляет собой набор из 3 листовых деталей, соединенных между собой контактной сваркой без последующей механической обработки посадочного диаметра. На внутреннем кольце имеются 12 равнорасположенных отверстий, три из которых (1, 2, 3) выполнены по 9-му квалитету и являются определяющими плоскости стыковки и центрирования корпусов. Учитывая, что листы, из которых изготовлены обечайки и кольца набора имеют допуски в минус, а сами кольца и обечайка изготавливаются закаткой с последующей сваркой и термокалибровкой, отклонения от геометрической формы и размеров могут быть значительными. С целью компенсации вышеуказанных погрешностей, посадочная часть внутреннего кольца выполнена разрезанной на 12 лепестков, в середине которых точечной сваркой крепятся 12 гаек соосно с отверстиями. В случае, когда наружный диаметр охватываемого кольца больше внутреннего диаметра охватывающего элемента за счет деформации лепестков возможно соединение по этим диаметрам. В случае, когда имеется большой зазор в телескопическом стыке, за счет затяжки винтами нежестких лепестков происходит надежное жесткое соединение стыка. Рисунок 4.6 - Конструкция одного из телескопических стыков 25 На рис. 4.7 б показана конструкция телескопического стыка на винтах. Число винтов выбирается из условий прочности (шаг винтов ориентировочно 30…60 мм), причем все винты ставятся в отверстие с зазором. Люфты при этом не возникают, т.к. имеется разброс зазоров в разные стороны. Герметичность стыка обеспечивается резиновыми прокладками или жгутами. Торцевая поверхность отсека должна быть перпендикулярна его оси , отклонение от перпендикулярности допускается не более 0,1 мм. Смещение осей в заданных пределах достигается точностью обработки сопрягаемых диаметров, обычно точность соответствует 8-9 квалитету. Описанное соединение хорошо передает изгибающий и крутящий моменты и осевую силу. От их действия винты соединения работают на срез, а материал шпангоута под винтами - на смятие. Перерезывающая сила с одного отсека на другой передается при работе шпангоута на срез. Винты вследствие наличия зазоров нагружаются неодинаково. Поэтому в расчетах надо вводить коэффициент неравномерности работы винтов (0,3...0,7). Особой разновидностью телескопических стыков являются резьбовые соединения (рис. 4.7 а). Их целесообразно применять для корпусов малых диаметров (D<200 мм), так как при больших диаметрах и мелкой резьбе возможен ее срыв. Торцевые поверхности на соединяемых отсеках обеспечивают точность по перекосу ∆φ. Цилиндрические поверхности, называемые ведущими поясками, обеспечивают точность по смещению ∆α. Поверхности на каждом отсеке выполняются за одну установку на станке. Добиться точности соединения на одной резьбе без поверхностей невозможно, так как резьба всегда несколько перекошена. Герметизация соединения выполняется резиновым кольцом. Для контровки служит винт. а б Рисунок 4.7 - Конструкция резьбового и телескопичекого стыков. 26 Байонетный стык представляет собой разновидность телескопических стыков. Одно из таких соединений представлено на рис. 4.8. Соединение состоит из вставляемых друг в друга охватывающего и охватываемого шпангоутов. На шпангоутах выполнены несколько рядов трапецеидальных зубьев, чередующихся в поперечной плоскости с монтажными выемками, необходимыми для сопряжения байонетного соединения. При стыковке корпусов, один корпус разворачивается относительно другого на угол обеспечивающий свободное прохождение зубьев одного шпангоута в монтажные выемки другого, с последующим поворотом на 45 0 до совмещения отверстий под радиальные фиксирующие винты. При этом боковые поверхности трапецеидальных зубьев охватывающего и охватываемого стыков плотно прилегают друг к другу и выбираются осевые и радиальные зазоры за счет нежесткости конструкции. В данном стыке элементы байонета хорошо передают изгибающий момент и осевую силу, а крутящий момент воспринимается винтами. Герметизация стыка обеспечивается резиновым уплотнением. Зубья шлицевого соединения изготавливают на токарном станке специальным инструментом, обеспечивающим точность профиля и шаг между зубьями в поперечном направлении. Выемки между выступами обрабатывают на фрезерном станке с ЧПУ. Рисунок 4.8 - Конструкция байонетного стыка На рис. 4.9 показана конструкция клинового телескопического стыка, состоящего из стыковых шпангоутов, в которых выполнены 27 кольцевые канавки прямоугольного сечения, а охватывающий шпангоут дополнительно снабжен монтажными окнами, через которые производится установка пакетов клиньев, состоящих из прокладки, прямого и обратного клиньев. Для ракет малых и средних диаметров оптимальным является 6 пакетов клиньев, устанавливаемых через три окна охватывающего шпангоута, выполненных под углом 120º. В каждое окно устанавливают по два пакета клиньев, по одному в каждом направлении. Для предотвращения углового перемещения корпусов относительно друг друга вокруг оси ∆ψ, в охватываемой части стыка предусмотрен цилиндрический фиксатор, а в охватывающей части стыка имеется паз, выполненный по соответствующей посадке на фиксаторе. Герметизацию стыка обеспечивает резиновое кольцо. Необходимое стыковочное усилие достигается за счет монтажа (забивания) прямого клина в зазор между прокладкой и обратным клином. Установка запорных элементов - клиньев осуществляется пневмопистолетом, оснащенными спецнасадками, при давлении воздуха 4 атм. Изгибающий момент и осевая сила от одного отсека на другой передаются через шпангоуты пакетами клиньев, а крутящий момент за счет значительных усилий трения на контактирующих торцевых поверхностях шпангоутов и боковых поверхностях клиньев. Для исключения появления деформаций и механических повреждений элементов соединения, данный стык рекомендуется применять в конструкциях корпусов изделия, изготовленных из материала с в > 70кгс/мм2. Рисунок 4.9 - Конструкция клинового стыка Особенностью данного соединения является максимальное проходное сечение шпангоута, достигаемое за счет небольшой толщины его стенок, а 28 так же высокая точность стыковки, что является необходимым условием для ракет с малым диаметром корпуса и высокой плотностью компоновки. Соединения стыковых шпангоутов с обшивкой в большинстве практических приемов выполняется герметической шовной сваркой (газовой, электродуговой, роликовой) или в дискретных точках (точечной сваркой, клепкой, винтами). При дискретной заделке шпангоута в обшивке шаг шва или заклепок выбирается из условий прочности и отсутствия коробления (хлопунов) между точками крепления. На рис. 4.10 изображен эксцентриковый стык, обеспечивающий надежное, прочное и герметичное соединение отсеков корпуса ракеты. Стык состоит из запирающего элемента, стопорного кольца и шплинта. Герметизацию стыка обеспечивают уплотнительные резиновые кольца. Для соединения отсеков аппаратурной части применяются по шесть запирающих элементов, для соединения аппаратурной части и БЧ, БЧ и двигателя – по двенадцать запирающих элементов. Эксцентрики создают расчетный осевой натяг в соединении между отсеками, за счет эксцентриситета рабочих диаметров на эксцентриках. После установки они разворачиваются на 180º в закрытое положение. Эксцентрики устанавливаются в запирающее положение тарированным ключом с моментом затяжки (Мз=150кгс/см), фиксируются от разворота стопорным кольцом и крепится шплинтом. При этом шлицы располагаются перпендикулярно оси ракеты. С целью многократного использования блока, эксцентрики изготавливаются через 0,05 мм на размеры рабочих диаметров, что обеспечивает гарантированное запирание стыка, ранее применяемого блока. Прочность соединения отсеков обеспечивается за счет эксцентричности верхней и нижней частей запирающих элементов. Кольцевой буртик в средней части запирающего элемента исключает возможность его выпадения после установки. 29 Рисунок 4.10 - Конструкция эксцентрикового стыка Вопросы: 1. Укажите основные требования к стыковым соединениям при изготовлении ракет воздух-воздух. 2. Какие стыковые соединения являются наиболее распространенными и почему? Опишите одну из схем данного стыкового соединения. 3. Опишите соединение, которое носит промежуточное положение между точечным и контурным стыком. 4. Какие стыковые соединения применяются для малых диаметров отсеков? Укажите параметры точности изготовления данного вида соединения. 5. Укажите основные особенности телескопических стыков. 6. Как обеспечивается герметизация байнетного соединения? Укажите его отличительные особенности. 7. Что предусмотрено для предотвращения углового перемещения в конструкции клинового стыка? Укажите его отличительные особенности данного стыкового соединения. 30 8. За счёт чего обеспечивается использовании эксцентрикового стыка? прочность соединения при 31