Технология производства высокопрочных болт-заклепочных соединений

Введение

В современном авиастроении и других высокотехнологичных отраслях всё более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Углепластики на эпоксидном связующем, термопластичные углепластики и органопластики позволяют существенно уменьшить вес конструкции, повысить её живучесть и улучшить лётно-технические характеристики. Однако применение ПКМ предъявляет особые требования к крепёжным системам. В отличие от металлических конструкций, композиты чувствительны к сжимающим нагрузкам, а предел прочности на смятие поперёк волокон составляет лишь 1–3% от прочности вдоль волокон. Кроме того, межслойное расслоение может значительно снизить статическую прочность соединения.

В этих условиях на первый план выходят крепёжные системы из титановых сплавов, изготовленные методом холодной пластической деформации. Особого внимания заслуживают болт-заклепочные соединения, которые обеспечивают надёжную фиксацию деталей из ПКМ даже при одностороннем доступе к месту монтажа.

Что такое болт-заклепочное соединение и где оно применяется

Болт-заклепочное соединение — это разновидность неразъёмного крепления, сочетающая принципы болтового и заклёпочного соединений. Конструктивно оно представляет собой стержень с закладной головкой (болт-заклепку), который устанавливается в соосные отверстия соединяемых деталей, после чего с противоположной стороны формируется замыкающая головка.

Основная область применения таких соединений — авиационная и аэрокосмическая промышленность. Из ПКМ в конструкции летательных аппаратов изготавливают рули высоты, стабилизаторы, законцовки крыла, элементы мотогондол и даже целые крылья. Болт-заклепочные соединения используются также в судостроении, автомобилестроении и производстве спортивного инвентаря из композитов.

Выбор материалов: титановые сплавы ВТ16 и ОТ4-0

По коррозионной стойкости углепластики совместимы только с титановыми сплавами и коррозионно-стойкими сталями. Однако для высоконагруженных авиационных конструкций предпочтение отдаётся именно титану благодаря его высокой удельной прочности и совместимости с ПКМ.

Для изготовления болт-заклепок применяется термоупрочнённый титановый сплав ВТ16. Этот материал обеспечивает высокую прочность при малом весе и предназначен для работы при температурах до 350°C. Сплав ВТ16 используется для изготовления болтов, винтов, заклёпок и резьбовых деталей ответственного назначения.

Для замыкающего кольца, которое деформируется при формировании замыкающей головки, применяется более пластичный титановый сплав ОТ4-0. Это позволяет кольцу надёжно обжимать конусную часть втулки корпуса, создавая прочное и герметичное соединение.

Применение титановых сплавов исключает процессы гальванической коррозии в контакте с углепластиками, что критически важно для долговечности авиационных конструкций.

Конструктивные особенности болт-заклёпки

В конструкции болт-заклёпки выделяются следующие основные элементы:

• Стержень с закладной головкой (обычно шестигранной) и продольными лысками для фиксации от вращения;
• Втулка-корпус с внутренней резьбой и конусной частью на нижнем конце;
• Кольцо из титанового сплава ОТ4-0, установленное между головкой стержня и конусом втулки.

Втулка и стержень образуют винтовую пару с левой резьбой. Это позволяет после установки заклёпки в отверстия стягивать соединяемые детали в единый пакет, повышая надёжность и прочность соединения. Длина цилиндрической части втулки с резьбой равна суммарной толщине соединяемых деталей.

Технология изготовления

Производство высокопрочных болт-заклёпок из титановых сплавов осуществляется методом холодной объёмной штамповки (холодной высадки) с последующим редуцированием и накатыванием резьбы. Технологический процесс включает:

1. Подготовку поверхности заготовки (нанесение твёрдого оксалатного покрытия для улучшения смазки);
2. Холодную высадку головки изделия;
3. Редуцирование стержня (обжатие для получения точных размеров);
4. Накатывание резьбы на внутренней поверхности втулки.

Важно отметить, что деформационное упрочнение (холодная высадка) обеспечивает более стабильный комплекс механических свойств по сравнению с термическим упрочнением. При термической обработке возникает большой разброс значений прочности из-за неравномерного нагрева мелких деталей в печи, а при холодной высадке этот недостаток устраняется.

Преимущества титановых болт-заклёпок перед алюминиевыми

Традиционно для замыкающих колец болт-заклёпок применялись алюминиевые сплавы типа В65 и Д16Т. Однако замена их на титановый сплав ОТ4-0 даёт существенные преимущества:

Устойчивость к клиновидности

Клиновидность — это отклонение от параллельности поверхностей соединяемых деталей. Для ПКМ, в связи с особенностями технологии изготовления, достаточно трудно избежать клиновидности при выполнении соединений.

Исследования показывают, что крепёжные системы из титановых сплавов не чувствительны к клиновидности соединяемых изделий из ПКМ до 7°. Это имеет принципиально важное значение, так как позволяет компенсировать технологические погрешности изготовления композитных деталей и обеспечивает надёжность соединения даже при значительных перекосах.

Рекомендации эксперта

Егоров Дмитрий Александрович, инженер-строитель, специалист по монтажным системам:

«В своей работе с композитными конструкциями я часто сталкиваюсь с проблемой выбора крепежа. Многие ошибочно полагают, что для ПКМ подойдут обычные стальные или алюминиевые заклёпки. Это заблуждение может дорого стоить — гальваническая коррозия в паре «алюминий-углепластик» разрушает соединение за считанные месяцы.

Я рекомендую для ответственных узлов из композитов использовать только титановый крепёж. Болт-заклёпки из ВТ16 с кольцами из ОТ4-0 — это проверенное решение для авиации, которое сейчас всё чаще применяется и в гражданском строительстве, особенно в мостах и большепролётных конструкциях с композитными элементами.

При монтаже обращайте внимание на правильную затяжку — левая резьба в таких соединениях требует особого внимания. И всегда проверяйте, чтобы кольцо из ОТ4-0 полностью сформировало замыкающую головку без трещин и надрывов. Это гарантия того, что соединение прослужит весь расчётный срок эксплуатации.

И главный совет: не экономьте на качестве крепежа. Экономия в копейках на одном болт-заклёпке может обернуться миллионными потерями при разрушении конструкции.»

Заключение

Высокопрочные болт-заклёпочные соединения из титановых сплавов ВТ16 и ОТ4-0 являются оптимальным решением для соединения деталей из полимерных композиционных материалов в авиастроении и других высокотехнологичных отраслях. Применение термоупрочнённого титана для стержня и пластичного титана для замыкающего кольца обеспечивает:

• Коррозионную совместимость с углепластиками;
• Высокую удельную прочность соединения;
• Устойчивость к клиновидности до 7°;
• Возможность монтажа при одностороннем доступе;
• Долговечность и надёжность в сложных эксплуатационных условиях.

Технология холодной высадки и деформационного упрочнения гарантирует стабильность механических свойств, что критически важно для ответственных элементов конструкций. Именно поэтому болт-заклёпочные соединения из титановых сплавов становятся стандартом для современных композитных конструкций.