Ракетно-космическая техника за период своего существования претерпела огромное количество изменений и преобразований, проведено огромное количество различных опытов и экспериментов, связанных с применяемыми конструкционными материалами. прежде всего Это, обосновано спецификой эксплуатации ракетной техники. Обеспечение максимальных прочностных характеристик при минимуме веса — вот одно из главных требований к материалам.
В ракетно-космической технике все большее значение приобретает использование композиционных материалов (КМ) и, в частности, неметаллических на основе полимерной матрицы, армированной углеродными или армидными волокнами. Детали, изготовленные из полимеров, обеспечивают необходимую прочность и жесткость конструкции, обладают малым весом и не подвержены коррозии, а также дают возможность создавать изделия практически любой геометрии. Тем не менее большую часть силовых элементов изготавливают из сплавов алюминия, титана, меди.
В связи с этим возникает необходимость в соединении металлических элементов с композиционными. Помимо механического крепления (в частности, болтового) широкое применение получили клеевые соединения.
Клеи применяют для соединения разнородных материалов, например, склеивание обшивок с сотовым заполнителем в трехслойной силовой оболочке; приклеивание основания солнечных панелей; клеевое соединение алюминиевых силовых элементов с панелями из КМ. Клеи имеют ряд достоинств: равномерное распределение напряжений при склеивании, отсутствие больших остаточных напряжений, высокую прочность при сдвиге.
В новом корабле применяются комбинированные конструкции: сочетание металлических элементов с неметаллическими элементами, соединенными между собой клеевым соединением. В подобных конструкциях для обеспечения технических требований предполагается обработка элементов в составе сборочной единицы.
Рис. 1. Корпус двигательного отсека
Рис. 2. Элементы корпуса двигательного отсека, установленные с помощью клеевого соединения
Рис. 3. Элементы в склеенных заготовках, полученные фрезерованием
В фитинге, представленном на рис. 3, в соответствии с конструкторской документацией необходимо выполнить отверстие. Данное отверстие будет получено фрезерованием. В связи с этим возникает необходимость в расчете силовых характеристик процесса резания на стадии проектирования механической операции. Расчет позволит вычислить предполагаемые силы при лезвийной обработке.
Исходя из значения сил и прочности клеевого соединения будет сформирован оптимальный технологический процесс механической обработки данной детали. На основании данного расчета будут скорректированы режимы резания, используемый режущий инструмент, оборудование.
Пример расчета усилий резания, возникающих при фрезерной обработке.
Исходные данные:
D = 32 мм — диаметр фрезы,
z = 2 — число зубьев фрезы,
ae = 32 мм — ширина фрезерования,
Sмин = 900мм/мин — минутная подача,
n = 4200 об/мин — частота вращения шпинделя,
mc = 0,23 — поправочный коэффициент,
Kc.1.1 = 830Н удельная сила резания для стружки поперечным сечением 1 мм2.
1) Рабочее зацепление:
2) Подача на зуб:
3) Средняя толщина стружки:
где: fz — подача на зуб, мм; ae — ширина резания, мм; D — диаметр резания, мм
4) Удельная сила резания (удельное давление)
где: y — рабочее зацепление, мм
hm — средняя толщина стружки, мм
mc, kc1.1 — коэффициенты (табличные значения).
5) Среднее поперечное сечение срезаемого слоя:
6) Окружная сила резания:
Pок. = Kc ∙ Fср. = 1158,3 ∙ 1,76 = 2815,3Н = 2,038 кН
7) Составляющие сил резания:
Pг = 1,1 ∙ Pок. = 1,1 ∙ 2,038 = 2,2418 кН
Pв = 0,25 ∙ Pок. = 0,25 ∙ 2,038 = 0,51 кН
Pр = 0,35 ∙ Pок. = 0,35 ∙2,038 = 0,71 кН
Далее необходимо провести расчет предельно допустимых усилий при сдвиге клеевого соединения данного изделия.
Рис. 4. Эскиз операции с составляющими силы резания, где Рок — окружная сила, имеет наиболее важное значение, так как производит основную работу резания; Рг — горизонтальная составляющая сила резания; Рв — вертикальная составляющая; Рр — радиальная сила резания.
Рис. 5. Расчет площади склеиваемой поверхности
Площадь клеевого соединения 2227,054 см2.
Данные по прочностным характеристикам для клеевого соединения с применением клея ВК9.
| Марка клея | Склеиваемые материалы |
Температура испытаний, °С |
Предел прочности при сдвиге, МПа (кгс/см2) |
| ВК9 | Углепластик и алюминиевый сплав | 20 | 9,0 (90) |
Предельное усилие при сдвиге данного элемента:
Fсдв. = 90 ∙ 2227,054 = 200434,86 кг∙с = 1965586,1Н = 1965,59 кН
В данном случае из-за большой площади клеевого соединения механическая обработка не оказала влияния на прочность клеевого соединения.
В общем случае необходимо проводить прочностной расчет для клеевых соединений других заготовок, подвергаемых обработке резанием. На основании расчета должен быть оценен запас прочности клеевого соединения и сформирована технологическая операция.
В приведенном выше примере обрабатываются наружные поверхности приклеенных деталей, но в космической технике имеется класс деталей, которые устанавливаются при помощи клеевого соединения внутрь трехслойных композиционных панелей.
Обеспечить механическое крепление не представляется возможным из-за особенности конструкции, прочность закрепления обеспечивается только прочностью клеевого соединения.
Рис. 6. Втулка, установленная при помощи клеевого соединения в композиционную панель
Данные детали подлежат механической обработке в составе сборки для обеспечения всех технических требований чертежа. В таком случае при разработке КД конструктор должен учитывать прочность клеевого соединения, непосредственно влияющего на технологию механической обработки в сборе, и исходя из этого назначать технические требования на сборочную единицу.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2021
