Способ изготовления тонкостенных осесимметричных оболочек

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении из высокопрочных сплавов тонкостенных оболочек ракетных двигателей с внутренним диаметром более 120 мм.

В машиностроении известен способ изготовления неразъемной сборки из двух деталей, включающий обработку резанием и упрочняющую термообработку первой детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности типа «вал», обработку резанием и упрочняющую термообработку второй детали с формированием цилиндрической посадочной поверхности, типа «отверстие», с номинальным диаметром, меньшим диаметра «вала» первой детали, нагревание второй детали до температуры несколько ниже температуры низкого отпуска материала, из которого она изготовлена, сборку первой и второй детали по посадочным поверхностям и охлаждения сборки до нормальной температуры, при этом максимальные значения сопротивления сдвигу осевой силой получают при выполнении горячей посадки с большим натягом. Способ эффективно используется для соединения толстостенных, жестких деталей (Решетов Д.Н., «Детали машин», Машиностроение, 1964 г., стр. 91-93).

Недостатками аналога являются:

1. Для соединения тонкостенных деталей большие натяги, обеспечивающие максимальное сопротивление сдвигу, неприемлемы, в том числе из-за быстрого охлаждения охватывающей детали в процессе сборки.

2. Соединение тонкостенных деталей с малым натягом снижает давление в соединении и, как следствие, снижается сопротивление сдвигу. Для увеличения сопротивления сдвигу необходимо увеличить длину посадочных поверхностей, что значительно увеличивает расход металла, а также (при большой длине посадочных поверхностей) делает соединение невозможным.

Известен способ изготовления, с минимальным расходом металла, тонкостенного осесимметричного сосуда сложной формы, состоящего из цилиндрического элемента, соединенного с криволинейным донным элементом, включающим раздельное изготовление из листовых заготовок двух простых, по сравнению с тонкостенной осесимметричной оболочкой, элементов - цилиндрического элемента и донного элемента, изготовление неразъемного осесимметричного полуфабриката сложной формы путем сварки встык кольцевым швом цилиндрического и донного элементов, термообработку полуфабриката для снятия напряжений, полученных при сварке, контроль качества сварного шва, ротационную вытяжку цилиндрического элемента полуфабриката совместно со сварным швом с получением тонкостенной оболочки и окончательную обработку оболочки (патент RU 2131787, МПК B21D 51/10, B21D 22/16, опубл. 20.06.1999). Способ принят за прототип.

Недостатками прототипа являются:

1. Прочностные характеристики металла в зоне сварного шва меньше, чем в основном металле, на 10…15%.

2. После сварки необходимо производить термообработку для снятия напряжений, а также оценку качества сварного шва ответственных полуфабрикатов рентгенографическим контролем, магнитной дефектоскопией, гидро- или пневмоиспытаниями.

3. При изготовлении данным способом оболочек, типа тонкостенной камеры ракетного двигателя малогабаритной ракеты, из высокопрочных сплавов ее необходимо упрочнять термообработкой, при этом требуется обеспечить высокую геометрическую точность оболочки.

Для получения высокой геометрической точности (отклонение от круглости и прямолинейности) оболочки подвергаются термоправке:

- оболочки из высокопрочных стальных сплавов, упрочняемых закалкой с последующим мартенситным старением в процессе закалки на аустенитной оправке;

- оболочки из высокопрочных стальных сплавов упрочняемых закалкой с отпуском в процессе охлаждения после закалки на разжимной оправке, при этом сборка оболочки с оправкой должна осуществляться за малый отрезок времени.

Оболочки со сложной внутренней поверхностью термически обработать с использованием оправки для термоправки удается не всегда, поэтому термообработка таких оболочек осуществляется в свободном состоянии, при этом оболочки приобретают значительные отклонения от круглости и прямолинейности, часть оболочек выбраковывается.

Предлагаемым изобретением решается задача изготовления неразъемной тонкостенной осесимметричной оболочки со сложной внутренней поверхностью, типа корпуса двигательной установки малогабаритной ракеты, состоящей из 2…3 элементов, изготовленных из высокопрочных сплавов.

Технический результат - обеспечение заданной геометрической точности тонкостенной осесимметричной оболочки сложной формы. Возможность изготовления осесимметричной оболочки сложной формы из элементов, выполненных из разных высокопрочных сплавов с разными механическими характеристиками (σ_В; σ₀₂; σ и т.д.).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенной осесимметричной оболочки со сложной внутренней поверхностью, включающем раздельное изготовление нескольких простых элементов и последующее соединение раздельно изготовленных элементов оболочки в неразъемную блочную тонкостенную осесимметричную оболочку, новым является то, что элементы оболочки изготавливают с проведением окончательной упрочняющей термообработки и с посадочными поверхностями у торцов, у первого элемента - с охватывающими поверхностями, а у второго (второго и третьего) элемента - с ответными им охватываемыми поверхностями с размерами, обеспечивающими гарантированный натяг и герметичность в соединении, а соединение элементов оболочки в неразъемную блочную конструкцию осуществляют с нагревом первого элемента с охватывающими посадочными поверхностями до температуры, обеспечивающей сохранение прочностных свойств сплава, из которого изготовлен элемент, и гарантированное превышение размеров охватывающих посадочных поверхностей первого элемента над ответными им размерами охватываемых посадочных поверхностей второго (второго и третьего) элемента.

Посадочные поверхности элементов выполняют из сочетания кольцевых выступов и канавок, когда кольцевые выступы и канавки охватывающей поверхности первого элемента соответствуют ответным им кольцевым канавкам и выступам охватываемой поверхности второго (второго и третьего) элемента.

При использовании элементов, изготовленных из нескольких деталей, соединение элементов в неразъемную оболочку осуществляют с угловой фиксацией элементов относительно друг друга.

Изготовление тонкостенной оболочки сложной формы в виде неразъемной блочной конструкции из двух, трех элементов (в том числе состоящих из нескольких деталей), предварительно термически упрочненных и механически обработанных, соединением между собой по посадочным поверхностям с натягом позволяет значительно упростить технологию изготовления тонкостенной оболочки сложной формы и повысить ее геометрическую точность.

Изготовление у первого элемента охватывающих посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых выступов и канавок, а у второго (второго и третьего) элементов охватываемых посадочных поверхностей в виде сочетания кольцевых канавок и выступов позволяет уменьшить гарантированный натяг до величины, обеспечивающей герметичность оболочки, при этом противостоять осевой сдвигающей силе, действующей на соединение, будет сумма усилия, полученного от сборки элементов с натягом и усилия сопротивления деформации кольцевых выступов (срез, смятие).

Изготовление элементов термически упрочненными, до получения оптимальных прочностных свойств металла, каждого элемента позволяет упростить изготовление оболочки сложной формы, т.к. значительно упрощается технология термообработки и используемые при этом оправки.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 показан тонкостенный элемент 1, выполненный из нескольких деталей с охватывающими посадочными поверхностями по торцам элемента из сочетания кольцевых выступов и канавок с размерами D, D₁, L и Н и с внутренним диаметром ∅;

- на фиг. 2 показан тонкостенный элемент 2, выполненный из нескольких деталей с внутренними диаметрами ∅ и ∅₁ и с охватываемыми посадочными поверхностями на торце элемента из сочетания кольцевых выступов и канавок с размерами d, d₁, l и h;

- на фиг. 3 показан тонкостенный элемент 3, выполненный из нескольких деталей с внутренними диаметрами ∅₁ и ∅ и с охватываемыми посадочными поверхностями на торце элемента из сочетания кольцевых выступов и канавок с размерами d, d₁, l и h;

- на фиг. 4 показана тонкостенная оболочка сложной формы, полученная сборкой из элементов 1, 2, 3.

Пример использования предлагаемого решения

Требуется изготовить тонкостенную оболочку сложной формы, состоящую из трех элементов, как на фиг. 4: элемент 1 - дно в сборе; элемент 2 - камера стартовая в сборе; элемент 3 - камера маршевая в сборе. Элементы изготавливают раздельно.

Изготавливают элемент 1 с внутренними полостями диаметром ∅=194 мм. При конструктивной необходимости на наружную поверхность дна приваривают детали А и Б. После сварки и предварительной обработки резанием элемент 1 подвергают упрочняющей термообработке в виде закалки с отпуском. После выдержки при закалочной температуре элемент 1 собирают с разжимной оправкой по диаметру ∅ и быстро охлаждают до нормальной температуры, при этом диаметр ∅ приобретает отклонение от круглости ≤0,1 мм. Производят отпуск. После отпуска обрабатывают резанием охватывающие посадочные поверхности у торцов в виде сочетания кольцевых выступов и канавок с размерами D=196,1^+0.1 мм; D₁=196,5^+0.1 мм; L=4^-0.03 мм; H=4^{+0 03} мм.

Последовательным выполнением операций пластической деформации (холодная штамповка, ротационная вытяжка); промежуточная термообработка для снятия напряжений, обработка резанием и др., из листовых заготовок изготавливают тонкостенную стартовую камеру с внутренними диаметрами ∅=194 мм и ∅₁=190 мм длиной 380 мм и тонкостенную маршевую камеру с внутренними диаметрами ∅=194 мм и ∅₁=190 мм длиной 620 мм. При конструктивной необходимости на наружную поверхность камер в зоне диаметров ∅₁ приваривают детали В, Г и Д. После сварки и предварительной обработки резанием элементы 2 и 3 подвергают упрочняющей термообработке в виде закалки с отпуском. После выдержки при закалочной температуре элементы 2 и 3 собирают с разжимными оправками по диаметру ∅ и быстро охлаждают до нормальной температуры, при этом диаметр ∅ приобретает отклонение от круглости ≤0,15 мм, отклонение от прямолинейности ≤0,3 мм на всей длине поверхности с диаметром ∅. Производят отпуск. После отпуска обрабатывают резанием охватываемые посадочные поверхности у торцов в виде сочетания кольцевых канавок и выступов с размерами d=196,8_-0.1 мм; d₁=196,4_-0.1 мм; h=4_-0.03 мм; д=4^+0.03 мм.

Исходя из размеров посадочных поверхностей элементов 1, 2 и 3 минимальный гарантированный натяг в соединении будет:

Δ_min=(D_1max-d_min)=(196,5+0,1)-(196,8-0,1)=-0,1 мм;

Δ_min=(D_max-d_1min)=(196,1+0,1)-(196,4-0,1)=-0,1 мм.

Элемент 1 нагревают до температуры (330-350)°С, при этом охватывающие поверхности увеличиваются на (0,8-0,9) мм. Устанавливают в элемент 1 элементы 2 и 3. При наличии на элементах приваренных конструктивных деталях элементы 2 и 3 фиксируют относительно элемента 1 по углам. Охлаждают элемент 1 до нормальной температуры и получают неразборную тонкостенную оболочку сложной формы, как на фиг. 4. Производят окончательную обработку резанием оболочки согласно требованиям КД.