Соединение пайкой и склеиванием
Соединения пайкой. При пайке детали соединяются посредством расплавленного присадочного материала (металла или сплава), называемого припоем. При пайке основной материал не расплавляется как при сварке, так как припой имеет более низкую температуру плавления. Нагрев припоя и детали осуществляют паяльником, газовой горелкой, токами высокой частоты и др.
Пайкой соединяют детали из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов, стекла и других материалов. В отличие от сварки пайкой можно соединять детали из разнородных материалов: стальные – с алюминиевыми, стеклянными, резиновыми.
Пайка находит широкое применение в приборостроении, электротехнике, радиотехнике. В настоящее время пайку широко применяют в авиастроении. Наблюдается тенденция перехода от клепаной алюминиевой обшивки к обшивке из тонких стальных листов с сотовым промежуточным заполнением. Эту обшивку изготовляют в виде панелей, паяных в термических печах (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Паяные панели
Паяные соединения используют также в случае, когда сварка недопустима из-за возможного прожога деталей.
Недостаток паяных соединений – меньшая механическая и термическая прочность по сравнению со сварными соединениями.
Используют припои легкоплавкие (мягкие) с температурой плавления tпл < 300° C и тугоплавкие (твердые) с tпл > 500° C.
Наиболее распространенные мягкие припои (ПОС30, ПОС40, ПОС61 и др., ГОСТ 21930-76) получают на основе олова или свинца. Отличаются незначительными твердостью и прочностью, но допускают пайку большинства металлов и поэтому широко используются для соединения малонагруженных деталей (радиосхем, герметических соединений).
Твердые припои на основе серебра, меди, цинка (ПСр40, ПСр72, ПН25) обладают достаточно высокой прочностью и термостойкостью. В некоторых случаях швы, паянные твердыми припоями, не уступают по прочности основному металлу.
Для растворения и удаления окисных пленок, а также в целях защиты паяного шва от окисления применяют специальные химические вещества – флюсы. Они подразделяются на кислотные (бура, хлористый цинк и др.) и бескислотные (канифоль, нашатырный спирт). Кислотные флюсы вызывают коррозию металлов, поэтому детали после пайки тщательно промывают.
Пайкой выполняют соединение листов встык (рис. 5.11, а) и внахлестку (рис. 5.11, б), соединение труб (рис. 5.11, в). Для проникания припоя между деталями оставляют зазор (0,05-0,15 мм).
Рис. 5.11. Соединения пайкой
Расчет прочности паяных соединений аналогичен расчету сварных. Для стыковых соединений
= F/(b) ['], (5.5)
для нахлесточных соединений
= F/(bl) ['], (5.6)
где ['] и ['] – допускаемые напряжения в паяном шве.
При соединении стальных деталей прочность материала деталей обычно больше прочности материала шва. В подобных случаях условие равнопрочности можно обеспечить только для нахлесточных соединений. Значение нахлестки по условию равнопрочности (см. рис. 5.11, б)
l = [] / ['], (5.7)
где [] – допускаемое напряжение для материала деталей.
Соединение склеиванием. Склеивание – один из наиболее прогрессивных методов соединения деталей, получивший в последнее время широкое распространение после того, как были разработаны высокопрочные, термо- и водостойкие клеи, создано технологическое оборудование и проведены всесторонние исследования свойства клеевых соединений.
Имеются клеевые составы с избирательной адгезией к каким-либо определенным материалам – это специальные клеи (например, резиновые); с высокой адгезией к различным материалам (например, к металлам, керамике, дереву, пластмассам и др.) – это универсальные клеи.
В процессе склеивания выполняют ряд последовательных операций: подготовку поверхностей деталей, нанесение клея, сборку соединения, выдержку при соответствующих давлении и температуре. Подготовка поверхностей обычно заключается в их взаимной подгонке, образовании шероховатости путем зачистки наждачной шкуркой или пескоструйным аппаратом, удалении пыли и обезжиривании с помощью органических растворителей. Шероховатость увеличивает поверхность склеивания. Сравнительно длительная выдержка, необходимая для полимеризации, является одним из недостатков клеевых соединений.
Прочность клеевого соединения в значительной степени зависит от толщины слоя клея. Рекомендуемые значения 0,05…0,15 мм. Толщина слоя клея зависит от его вязкости и давления при склеивании. Клеевые соединения лучше работают на сдвиг, хуже на отрыв. Поэтому предпочтительны нахлесточные соединения. Для повышения прочности применяют комбинацию клеевого соединения с резьбовым, сварным или заклепочным.
В авиастроении склеивание применяют для соединения листов обшивки самолетов и вертолетов с элементами жесткости (стрингерами, нервюрами и др.), при изготовлении лопастей вертолетов, элеронов, рулей, закрылков, щитков, крышек люков, панелей полов.
Расчеты на прочность производят по тем же формулам, что и для паяных соединений. Качество клеевого соединения характеризуется не только его прочностью, но также водостойкостью, теплостойкостью и другими показателями.
Заклепочные соединения
Заклепочное соединение – неразъемное. В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокатных профилей. В авиастроении заклепочные соединения являются одним из основных видов соединений деталей планера самолета и фюзеляжа вертолета. Процесс клепки механизирован, для замыкания заклепок широко применяются автоматические прессы.
При расклепывании вследствие пластических деформаций образуется замыкающая головка, а стержень заклепки заполняет зазор в отверстии. Силы, вызванные упругими деформациями деталей и стержня заклепки, стягивают детали.
Типы заклепок. Виды соединений. В авиастроении применяют в основном заклепки (рис. 5.4) из алюминиевых сплавов Д18П, В65 диаметром от 2 до 10 мм.
Рис. 5.4. Типы заклепок
В самолетостроении наиболее распространены соединения внахлестку (рис. 5.5, а) и стрингерные (рис. 5.5, г). Там, где по условиям аэродинамики нельзя использовать соединения внахлестку или встык с двумя накладками (рис. 5.5, в), приходится применять обладающие меньшей прочностью соединения встык с одной накладкой (рис. 5.5, б).
Рис. 5.5. Виды соединений
Для образования замыкающих головок заклепок применяют в основном прессование, которое обеспечивает большую прочность и однородность соединения при значительно меньшей трудоемкости по сравнению с ударной клепкой. В тех случаях, когда прессование применять нельзя, используют ручную клепку пневматическим инструментом, а для трубчатых заклепок – раскатывание. Замыкающую головку по возможности располагают со стороны более прочной детали
Резьбовые соединения
Резьбовыми называют соединения деталей с помощью резьбы. Они являются наиболее распространенным видом разъемных соединений. Резьбу имеют свыше 60 % деталей, применяемых в авиадвигателе. В конструкцию планера входит также большое число резьбовых деталей (например, при сборке планера тяжелого магистрального самолета используется свыше 150 тыс. болтов и винтов).
Резьба (рис. 5.12) – выступы, образованные на основной поверхности винтов и гаек и расположенные по винтовой линии.
Рис. 5.12. Резьбовое соединение
По форме основной поверхности различают цилиндрические и конические резьбы. Наиболее распространена цилиндрическая резьба. Коническую резьбу применяют для плотных соединений труб, масленок, пробок и т.п.
По профилю резьбы различают треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые и другие резьбы (рис. 5.13).
По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы. У правой резьбы винтовая линия идет слева направо и вверх, у левой – справа налево и вверх. Наиболее распространена правая резьба.
По числу заходов – однозаходная и многозаходная резьбы. Наиболее распространена однозаходная резьба.
Резьбу получают (формируют) методом резания, накатыванием (обработкой давлением), литьем и прессованием (композиционных материалов, порошков).
Основные геометрические параметры цилиндрических резьб включают: наружный d, средний d2 и внутренний d1 диаметры резьбы, шаг резьбы р, угол профиля и число заходов n.
Метрическая резьба – основной вид резьбы крепежных деталей с углом профиля = 60°. Она бывает с крупным и мелким шагом. Чаще всего выполняют наиболее износостойкую и технологичную резьбу с крупным шагом. Резьбы с мелким шагом характерны для тонкостенных изделий.
Трубные резьбы (цилиндрическая и коническая) служат для соединения труб и арматуры.
Трапецеидальная резьба технологична, отличается высокой прочностью витков и является основной для винтовых механизмов.
Упорная резьба имеет несимметричный профиль витков и выполняется на винтах, воспринимающих значительную одностороннюю нагрузку.
Прямоугольная резьба сложна в изготовлении и применяется редко.
Геометрические параметры резьб (кроме прямоугольной) и их допуски стандартизованы.
Материалы для изготовления крепежных деталей. Стандартные крепежные изделия изготавливают из мало- и среднеуглеродистых сталей Ст3кп, Ст5, 10, 15, 20, 30, 45 и др. Для ответственных конструкций (при ударных нагрузках, высоких температурах) применяют легированные стали 40Х, 38ХА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХНМА. Для повышения прочности и коррозионной стойкости крепежные детали подвергают механическому упрочнению или термической обработке.
Механические характеристики материалов крепежных деталей нормированы ГОСТ. Для стальных болтов, винтов и шпилек предусмотрено 12 (3.6, 4.6, 4.8, …, 14.9), а для гаек – 7 классов прочности и соответствующие им марки сталей. Первое число в обозначении болтов, винтов и шпилек, умноженное на 100, равно минимальному значению предела прочности стали в МПа; произведение чисел, разделенных точкой, умноженное на 10, определяет предел ее текучести. Например, для болта класса 4.6 вmin = 4100 = 400 МПа, Т = 4610 = 240 МПа. Такие механические характеристики обеспечивает сталь 20. Гайки изготавливают, как правило, из стали Ст3.