Materials and technology for fabricating mechanical connectors by cold plastic deformation

Full Text

Введение

В статье анализируются материалы и современные технологии производства неразъемных механических соединений методом холодной пластической деформации.

Формирование механических соединений методом холодной пластической деформации является альтернативным методом традиционным технологиям соединения различных материалов и компонентов, производимых путем сварки, пайки и нарезанием резьбы.

Анализируемые типы соединений, получившие известность как MAF-соединения (mechanically attached fitting), широко применяются в авиации, судостроении, производстве гидравлических систем, линий высоковольтных передач и заземлений.

Типы и методы изготовления механических соединений (MAF)

Следующие типы механических соединений, формируемые методом холодной пластической деформации, получили наибольшее распространение:

- радиально сжатые соединения;

- аксиально сжатые соединения;

- радиально – аксиально сжатые соединения.

Рассмотренные механические соединения образуются путем холодной пластической деформации трубы и фитинга, которые работают в непосредственном контакте. Обычно  используется стандартная технология, которая основана на деформации контактирующих пар в специальных  пресс-формах, в которых размеры компонентов изменяются под действием сжимающей нагрузки [1 - 6].

Приведенные ниже методы пластического деформирования для изготовления механических соединений являются наиболее распространенными:

Радиальное сжатие

Механические соединения высокого качества производятся методом радиального обжатия, которое приводит к радиальной деформации определенной величины (радиально сжатые MAF соединения).

Эта технологическая схема используется для производства неразъемных соединений трубопроводов. Радиальная деформация достигается одновременным обжатием фитинга и трубы по всей длине окружности (360^о).

Контактное взаимодействие поверхностей фитинга и трубы обеспечивает высокую адгезию (сцепление) между ними и гарантирует отсутствие течи в процессе эксплуатации систем трубопроводов (рис. 1).

 

Рис. 1. Механическое соединение, полученное радиальным сжатием

 

Осевое сжатие

Пластическая деформация достигается путем перемещения специального V-образного кольца (наконечника) по поверхности фитинга в осевом направлении, что создает радиальные сжимающие напряжения во взаимодействующих зонах фитинга и трубопровода, и таким образом обеспечивает необходимую герметичность контакта (аксиально сжатые  MAF) (рис. 2).

 

Рис. 2. Механическое соединение, полученное аксиальным сжатием

 

Радиально-осевое сжатие (аксиальное обжатие концевого фитинга с раструбом торцевой части трубы)

Эта технология используется для изготовления фитингов, установленных на конце трубы. В этом случае пластическая деформация достигается за счет осевого перемещения фитинга и трубы в специальной пресс-форме, что делает возможным образование сжимающих радиальных напряжений в фитинге и в концевой части трубы. Расширенный конец трубы (раструб) обеспечивает высокую герметичность соединения (рис. 3).

 

Рис. 3. Механическое соединение, полученное радиально-аксиальным сжатием

 

Рассмотренные механические соединения гарантируют воздухонепроницаемое состояние в зонах контакта, обеспечивая тем самым высокую производительность соединений в гидравлических трубах под высоким давлением (до 4000 - 5000 psi).

Эта технология используется в производстве новых трубопроводов, а также для ремонта эксплуатационных линий трубопроводов.

Экономическая эффективность соединений обусловлена простотой их монтажа, осмотра, а также возможностью использования труб из различных металлических материалов.

Согласно Subtek [2], производительность рассматриваемой технологии более, чем в два раза выше по сравнению с методом сварки. Кроме того, трудоемкость изготовления таких соединений сокращается на 50%.

Теоретические основы формирования механических соединений

Технология основана на различии механических свойств (упругое последействие) материалов, используемых в контактирующих деталях.

Степень упругого последействия фитинга и трубы, которое возникает после снятия сжимающей нагрузки отвечает за формирование плотного стыка металл-металл. Упругое последействие трубы должно быть больше, чем упругое последействие фитинга в области произведенного обжатия.

Рис. 4 показывает образование механического соединения под действием радиальной сжимающей нагрузки, и упругие последействия контактирующих материалов когда упругое последействие трубы выше упругого последействия фитинга. Поперечные сечения фитинга - трубы представлены на разных этапах формирования механического соединения.

 

Рис. 4. Взаимосвязь упругого последействия трубы и фитинга

 

Позиция "а" показывает начальную стадию деформации, в которой фитинг и труба не имеют прямого контакта, и сжимающая нагрузка (P_S) равномерно распределена по внешней поверхности фитинга.

Деформация фитинга, которая сопровождается его сжатием, приводит к непосредственному контакту внутреннего диаметра фитинга и внешнего диаметра трубы. Дальнейшее действие сжимающей нагрузки вызывает деформацию трубы. В этом случае сопротивление сжимаемых материалов действию внешней нагрузки растет и возникает эффект упругого последействия материалов фитинга и трубы (P^B_S.B.).  Рисунок 4 (позиция "б") показывает позицию контактирующей пары на этой стадии деформации.

После того, как действие внешней сжимающей нагрузки прекращается упругое последействие внутренних напряжений материалов фитинга и трубы приводит к обратному перемещению деформированных слоев деталей, которое сопровождается расширением фитинга и трубы.

Когда упругое последействие материала фитинга ниже упругого последействия материала трубы, возникает прямой контакт внутренней поверхности фитинга и внешней поверхности трубы, что приводит к высокой адгезии (сцеплению) контактирующих поверхностей (положение "с").

Изменение размеров в результате упругого последействия может быть определено согласно методу, представленному в работе [7]. Степень упругого последствия пропорциональна отношению YS / (t•E), где YS - предел прочности, Е - модуль упругости и t - толщина стенки детали [7].

Для контактирующих деталей упругое последействие является функцией предела величин предела текучести и модуля упругости материалов, используемых в трубе и фитинге. При этом, степень уплотнения определяется, по формуле (1):

$I=\frac{Y{S}_t}{Y{S}_f}\cdot \frac{E_f}{E_t}$  (1)

Где:        I -        степень уплотнения;

              YS_t  -  предел текучести материала трубы;

              YS_f  -  предел текучести материала фитинга; 

              E_{f   -}     модуль упругости материала фитинга;

              E_t  - модуль упругости  материала трубы

Рекомендуемые материалы для формирования механических соединений

Для производства фитингов рекомендуется использовать нержавеющую сталь (преимущественно аустенитного класса), алюминиевые сплавы, технически чистый титан, титановые сплавы с 6% алюминия и 4% ванадия.

Из алюминиевых сплавов, главным образом, используется сплав АД 33 по ГОСТ 4784-97 (6061-Т6, AMS 4127J и AMS 4150L ), из аустенитных нержавеющих сталей используется сталь 03Х17Н14М3 по ГОСТ 5632-72 (21-6-9 AMS 5595 и 316L, AMS 5524 и AMS 5507), из дисперсионно  твердеющих сталей -  - сталь 07Х16Н4Д4Б, ГОСТ 5632-72  (17-4PH, AMS 5622 и AMS 5643).

Химический состав материалов, а также их термообработка должны обеспечить максимальную пластичность материала при холодной деформации; поэтому, в соответствии со стандартом SAE AS4459 (4) для материала фитингов введен контроль диапазона текучести при растяжении, а для технически чистого титана - содержания водорода.

Для алюминиевого сплава АД 33 (ГОСТ 4784-97) значение предела текучести при растяжении должно находиться в диапазоне от 193 до 227 МПа, что достигается при применении дополнительной термической обработки (перестаривание).

Аустенитные нержавеющие стали должны быть в отожженном состоянии и их предел текучести не должен превышать 448 МПа для 21-6-9SS и 310 МПА для стали 316L.

Предел текучести технически чистого титана (CP) должен соответствовать диапазону от 482 до 655 МПа. Кроме того, операция отжига заготовок фитинга должна проводиться в вакууме, с тем, чтобы максимальное содержание водорода не превышало 10 ppm

Независимо от схемы пластической деформации, наилучшие результаты для образования плотного контакта "металл-металл" обеспечивают следующие комбинации материалов для фитингов и труб:

- для титанового фитинга (ВТ1-0) использовать трубы из титанового сплава Ti-3Al-2.5V (AMS4944, AMS4945).

- для алюминиевого фитинга использовать трубы из алюминиевого сплава АД 33 по ГОСТ 4784-97, для фитинга из нержавеющей стали 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (сталь 21-6-9, AMS5561) использовать трубы из следующих материалов: алюминиевый сплав АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6 Al), или сталь 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 ( 21-6-9 SS, AMS 5561),  или титановый сплав  Ti-3Al-2.5V,  или сталь  08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD SS) 

Более подробная информация о сочетании материалов фитингов и труб для различных схем пластической деформации представлены в таблицах 1- 3 [8-12].

 

Табл. 1. Материалы для радиально сжатых соединений

Вид материала фиттинга	Материал фиттинга*	Материал трубы*	Максимальное рабочее давление, psi  (МПА)**
	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561)
	(21-6-9, AMS5656)	08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564)	3000  (20,70)
Нержавеющая сталь		Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944)
		АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083)
	03Х17Н14М3 ГОСТ 5632-72   (316L, AMS5648)	08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564)	3000 (20,70)
		08Х18Н12Т, 08Х18Н10Т, ГОСТ 5632-72 (321, AMS5556)	3000  (20,7)
Алюминиевый сплав	АД33,  ГОСТ 4784-97 (6061-T6, overage)	АД33,  ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083)	1500  (10,3)
Титан	Титан  (CP-Titanium, AMS 4941)	Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944)	4000   (27,6)

* в скобках приведена маркировка США

** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы

 

Табл. 2. Материалы для аксиально обжатых MAF-соединений

Вид материала фиттинга	Материал фиттинга*	Материал трубы*	Максимальное рабочее давление, psi (МПА) **
	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561)	4000  (27,6)
	(21-6-9, AMS5656)	08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564)	3000 (20,7)
Нержавеющая сталь		Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944)	5000 (34,5)
		АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083)	1500 (10,3)
Алюминиевый сплав	АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, overage)	АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083)	1500 (10,3)
Титан	Титановый сплав   (Ti-6Al-4V, AMS 4928)	Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944)	4000  (27,6)

* в скобках приведена маркировка США

** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы

 

Табл. 3. Материалы для радиально-аксиально  сжатых соединений

Вид материала	Материал фиттинга*	Материал трубы*	Максимальное рабочее давление, psi (МПА) **
	07Х16Н4Д4Б, ГОСТ 5632-72 (17 – 4PH, AMS5643)	Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945)	2000 – 4000 (13,8 – 27,6)
	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72	07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561)	3000 (20,7)
Нержавеющая сталь		304 1/8HD  (AMS5564)	1500 – 3000 (10,3 -20,7)
	(21-6-9, AMS5656)	Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945)	500 – 5000 (3,4-34,4)
		Титан (CP-Titanium, ASTM B338)	750    (5,2 )
		АД33,  ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083)	500 – 1500 (3,4-10,3)
Титан	Титановый сплав  (Ti-6Al-4V, AMS 4928)	Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945)	3000 (20,7)

* в скобках приведена маркировка США

** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы

 

Выводы

1. Представлен анализ материалов и современных технологий производства неразъемных соединений методом холодной пластической деформации
2. Обсуждены теоретические основы формирования механических соединений и роли фактора упругого последствия.
3. Представлен анализ сочетаний материалов для контактирующих пар, используемых для формирования механических соединений, которые гарантируют высокую надежность гидравлических трубопроводов высокого давления (27,6-34,5 МПа).

About the authors

Yakov D. Kogan

AR Materials Solution, Inc

Author for correspondence.
Email: yakovkogan@sbcglobal.net

Doctor of Technical Sciences

United States

Natal'ya V Bogdanova

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: nabo146@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of TMM

Russian Federation

References

Supplementary files