Способ изготовления многослойных трубчатых изделий

 

Использование: при изготовлении трубчатых многослойных изделий, преимущественно штоков гидрои пневмоцилиндров. Сущность: способ предусматривает установку заготЪвкй из композиционного Mate- риала внутрь Трубчатой металлической заготовки , предварительно Нагретой до температуры Т ТР+20...30°С, где Тр - максимальная рабочая температура, и последующее совместное охлаждение металлической и углёпластиковой частей. Углепластиковая заготовка вылолнена с наружным диаметром, выбранным из усло « d do{1+(«M - «kKT-ToM где 1о .внутренний диаметр металлической части штока; а .ма -разность коэффициентов теплового линейного расширения металла И композита; Т-То - изменение . температуры металлической части шток-а в ; процессе работы; k - коэффициент, учитывающий разброс тёплофизических свойств мз терйалов ,0...1,1. 2 йл. .. «О е

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я. „„1810260 А1 (я)з В 23 К 20/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

g ;а

Lг й@ у

" :"ы, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 2 (21) 4891756/27 ..: новку заготовки из кбмпозиционного ма ге(22) 16.11.90 .:::; риала внутрь трубчатой металлической заго(46) 23,04,93. Бюл. ¹ 15 ........ товки, предварительно йатретой до (71) Челябинский политехнический институт температуры Т=Тр+20...30 С, где Тр — максиим. Ленинского комсомола и Павловский .. мальная рабочая температура, и последуюмашиностроительный завод "Восход" - - щее совместное охлаждение металлической (72) A,В. Амбарников, В,Б, Василегин, С.Б. и углепластиковой частей. Углепластиковая

Сапожников, IO.A. Староверов и Л.Б. Шнай-: .: заготовка выполнена с наружным диаметром, дер .::-: выбрайнымиэусловиядчЦ1+(а„— а4ХОНЩ (56) Справочнйк по композиционным мате- täå dp — внутренний диаметр мвталлической риалам. Под ред, Дж, Дюбина. — М.: Маши- частиштока; а -. а k-разностькоэффици- . ностроение, 1988. с. 156. .. ентов теплойого линейного расширения ме- (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГО-: талла и композита; Т-Т - изменение

СЛОЙНЫХТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ, температуры металлической части штока в (57); при изготовлении труб- .. процессе работы; к — коэффициент, учитывачатых многослойных изделий, преимущест- ющий разброс теплофизических свойств ма венно штоков гидро- и пневмоцилиндров. териалов К-1,0.. 1,1. 2 ил.

Сущность. способ предусматривает уста-!

d-do j 1+(ам- а@(Т-To)k

Нагревают металлическую часть штока до температуры на 20„.30 С выше максимальной рабочей (+140 С) для гарантии собираемости, а затем в нее устанавливают с минимальным зазором композитную часть, снятую с разборной. оправки. Охлаждают

Изобретение относится к области изготовления трубчатых изделий, в частности многослойных, преимущественно штоков гидро-,и и невмоцйлиндров, Целью изобретения является повышение прочности конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках за счет создания поля требуемых остаточных напряжений, снижение массы изделия и упрощение способа изготовления.

Способ осуществляют следующим образом, Шток гидроцилиндра выполняют из металлической и композитной частей. В качестве композита может быть взят жгутовый .углепластик КМУ-9 (волокно УКН-5000) поскольку он обладает наибольшими характеристиками удельной прочности î e/ð жесткости Е / р (где р — плотность, а

)» ъг — предел прочйости, Š— модуль упругостй) . среди известных конструкционных матери- в алов. На разборную оправку наматывают в р окружном направлении углепластик до получения необходимой толщинй отверждавт связующее и производят механическую обработку, ч гобы наружный диаметр углепластикового Слоя был несколько больше 0 . внутреннего диаметра металлической части О штока при комнатной температуре

1810260

После охлаждения собранного иэделия с Т=160 С напряжения в металле (сталь) ам=12 ° 10 град/м, а «=О, пусть при

-6 о м-2,5 мм 6=3 мм.

18,7 кгс/мм

После приложения рабочего давления Р

= 2,8 кгс/мм

0 = фРм

15 -6 кгс/мм . г

Таким образом, коэффициент запаса (о1 20 / увеличился с n- — 1,07 до n ".

С рм 18,7

20 Ы «20 барм 6

= — = 3,3, т.е. почти в 3 раза, Изготавливая штоки гидроцилиндров предлагаемым образом, обеспечивается не только их прочность, но и снижение массы.

25 Масса единицы длины цельнометаллического варианта пропорциональна mp= p.м, а комбинированного (многослойного) m= p мх х д м+ р «д «. Экономия массы где д м и д « — толщины металла и компо- 30 зита в стенке штока, а результирующие напряжения равны;

Рм

+1 & м . А

dp.= ф.. >+ + 35

В соответствии с предлагаемым способом в лаборатории Челябинского политехнического института были изготовлены и испытаны штоки гидроцилиндров по предлагаемому способу и известному(цельнометаллический mToK).Исходные paHHve: бштока

= 50 мм, продольное усилие нагружения N=8 тс, рабочее давление Р=280 кгс/см .

У известного цельнометаллического варианта толщина стенки равна д <= 5 мм, материал-сталь30хГСА, о =110кгс/мм, .

2 гтт=100 кгс/мм (ам)=20 кгс/ммг, Е=20000 кгс/мм . Углепластик КМУ-9, E=18000 кгс/мм, сто=150 кгс/мм,(о t< =80êãñ/MM .

Плотность стали р м=7,8 гlсм, композита р «=1,6 г/см

После намотки и отверждения углепластика заготовку обрабатывают до следую- 55 щего размера

Ьгпф38 $ собранное изделие до комнатной температуры, Поскольку тепловое расширение углепластика почти отсутствует (а«0), то охлаждение металла приводит к обжатию компоэита и растяжению металла, что обеспечивает существенное увеличение прочностй штока при действии рабочего давления в гидроцилиндре. После охлаждения производят механическую обработку наружной поверхности штока (под хромирование или др,) до требуемого размера.

На фиг. 1 дан эскиз штока гидроцилиндра, получаемого предлагаемым способом, где 1 — металлическая часть штока, 2 — композитная часть штока; на фиг. 2а — напряженное состояние после охлаждения изделия, на фи г. 2б — напряженное состояние при действии рабочего давления Р, при этом из рассмотрения условий равновесия в окружном направлении и совместности деформирования металлической и углепластиковой частей получим, что остаточные напряжения в металле в окружном направлении равны.

d=50 (1+ а м- а «)(160 С-Т„) k) 50x

xjl+(12 — О) 10 6(160 С-20 С) 1,1 50,092 мм

P d 2.8 %

2тдм бк) 2 25 +30)

Ьа= — +1 — . = -О 5+ 1— 25 16 3

5 7,8 5

-G,246= 0,38

Таким образом, использование предлагаемого способа изготовления многослойных цилиндрических изделий, в частности штоков гидроцйлийдров, один из слоев которого — внутренний, выполнен из углепластика, позволяет получить следующие преимущества: увеличение более чем в 3 раза прочности металлической части изделия, а значит и самого штока гидроцилиндра в целом; снижение массы гладкой части штока на

35 — 38 j>", упрощение изготовления изделия из двух слоев: металлической и композиционной.

Следует отметить также, что примвненив данного способа изготовления фальшштоков.(без осевого усилия) позволяет использовать тонкостенные комбинирован1810260

Фиг; 7 ные штоки (д м 0,3 мм), а экономия массы составляет 60...70% от массы цельнометал. лического варианта.

Формула изобретения

Способ изготовления многослойных 5 трубчатых изделий, включающий изготовление заготовки намоткой на оправку композиционного волокнистого материала, отверждение связующего и механическую обработку, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с 10 целью повышения качества изделий за счет увеличения его прочности, снижения массы и упрощения способа преимущественно при изготовлении штока гидроцилиндра, в качестве композиционного волокнистого 15 материала используют углепластик, механическую обработку углепластиковой составляющей заготовки осуществляют до наружного диаметра, определяемого из выражения 20 д=б,(1 1+(а - аЦГр-To)k) где до — внутренний диаметр металлической части штока а — а — разность коэффициентов теплового линейного расширения металла и ком позита;

Тр — То — изменение температуры металлической части штока в процессе работы, К вЂ” коэффициент, учитывающий разброс теплофизических свойств материаллов, К =

=1,0...1,1, снимают углепластиковую составляющую с оправки и устанавливают ее внутрь трубчатой металлической заготовки штока, предварительно нагретой до температуры T=Tp+20...30ОС, где Tp — максимальная рабочая температура, после чего осуществляют их совместное охлаждение.

1810260

Составитель O.Несмеянова

Техред 5А.Моргентал Корректор И.Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. умгород, ул. Гвгеринв, 1бу

Заказ 1415 . Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенйям и открытиям пои ГКНТ СССР

113Щ, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5