Разработка технологического процесса изготовления деталей с упругими чувствительными элементами - сильфонами

Министерство науки  и образования

Днепропетровский национальный университет

 

 

 

 

 

 

Физико-технический институт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовое задание

по технологии приборостроения:

«Разработка технологического процесса изготовления деталей с  упругими чувствительными элементами - сильфонами»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ТК – 05 – 1

 

__________Алиньков А. Л.

 

Принял:     

 

____________Манько Т. А.

 

 

 

 

 

 

 

2006 г.

Техническая характеристика объекта производства

 

Технологической характеристикой  объекта производства, для которого разрабатывается данный технологический процесс, является упругий чувствительный элемент – сильфон.

Сильфон, или гофрированная коробка, представляет собой цилиндрический тонкостенный гофрированный металлический сосуд. Благодаря боковым складкам (гофрам) сильфон может удлиняться или сжиматься в осевом направлении под действием осевого усилия Р или разности давлений между внутренней плоскостью и окружающей средой. Сильфоны применяют в качестве упругих чувствительных элементов в различных приборах для измерения уровня жидкости в резервуарах, расхода жидкости и газов, в виде температурных компенсаторов и т. д., их используют также в качестве подвижных уплотнений, например, для упругого соединения труб. Сильфоны способны совершать также и отклонения от оси симметрии. Такие угловые отклонения в частности могут быть использованы для передачи вращательного движения на стрелки показателей приборов. Указанные здесь свойства сильфонов обеспечили им широкое применение в самых различных областях техники и особенно в приборостроении.

Применяются сильфоны в качестве чувствительных элементов в автоматических и измерительных устройствах и приборах, расходометрах, дифференциальных манометрах, в трубопроводной арматуре и т. д.

По конструктивному  признаку металлические сильфоны могут быть подразделены на следующие две группы:

а) поперечношовные, сваренные из мембран;

б) бесшовные или продольношовные, сформованные из тонкостенных заготовок.

Сильфоны первой группы состоят из набора кольцеобразных мембран  фасонного профиля, соединенных между собой посредством сварки. Сварные сильфоны имеют целый ряд преимуществ перед бесшовными. Основными из них являются:

• возможность изготовления их из любых материалов, способных хорошо свариваться
• более высокая их чувствительность, связанная с возможностью получения более глубоких гофр
• более стабильные упругие свойства, вследствие возможности строго выдержать геометрические их параметры в процессе изготовления
• возможность получения сильфонов любых габаритных размеров.

Недостатком этих сильфонов является наличие большого числа сварных швов, которые должны быть тщательно выполнены. Кроме того, сварные швы, как правило, обладают пониженной стойкостью против коррозии.

Величина эффективной  площади этих сильфонов практически  не зависит от положения сварного шва.

Рассмотрим другую конструкцию сварного сильфона с так называемыми складывающимися гофрами. Мембраны такого сильфона одинаковы по своему профилю, благодаря чему сильфон может быть сжат до полного прилегания контура мембран, выдерживая большую нагрузку наружного давления. Для особо чувствительных сильфонов применяют мембраны с концентрическими гофрами.

Бесшовные сильфоны изготовляются  из тонкостенных цельнотянутых металлических  трубок. Получение тонких трубок при  малых допусках на толщину представляет значительные трудности, поэтому в некоторых случаях для неответственных сильфонов, трубки изготовляются сваркой из листового материала. Недостатком сильфонов из сварных трубок является уменьшение прочности, упругих свойств и коррозийной стойкости.

При значительных давлениях, когда прочность тонкостенного сильфона оказывается недостаточной, применяют многослойные сильфоны. Оболочка многослойных сильфонов состоит из набора вставленных одна в другую тонкостенных гофрированных трубок.

Другой конструкцией сильфонов, применяемых для работы при высоких давлениях, являются однослойные или многослойные сильфоны, армированные наружными или внутренними кольцами. Следует отметить, что армирующие кольца значительно сокращают рабочий ход сильфона, что является серьезным их недостатком.

 

Материалы

 

Материалы, идущие на изготовление сильфонов должны обладать следующими свойствами:

• Достаточно высоким удлинением;
• Достаточным пределом прочности при разрыве;
• Однородностью механических свойств;
• Устойчивостью против коррозии;
• Способностью хорошо спаиваться или свариваться;
• Хорошей пластичностью;
• Малым температурным коэффициентом модуля упругости;

 

 

Анализ технологичности

 

Технологичной называют конструкцию, которая при минимальной  себестоимости наиболее проста в изготовлении. Технологичная конструкция должна предусматривать:

• Максимально широкое использование унифицированных узлов, стандартизованных и нормализованных деталей и элементов деталей;
• Возможно меньшее количество деталей оригинальной и сложной формы, различных наименований большую повторяемость одноименных деталей;
• Создание деталей наиболее рациональной формы и легкодоступные поверхности для обработки с достаточной жесткостью с целью уменьшения трудоёмкости и себестоимости изготовления, как детали, так и всего изделия в целом;
• Рациональным должно быть назначение точности и класса шероховатости поверхности
• Наиболее рациональный способ получения заготовки для деталей с размерами и формами, близкими к готовым, т. е. обеспечивающим наиболее высокий коэффициент использования материала и наименьшую трудоёмкость обработки;
• Полное устранение или возможно меньшее применение слесарно-пригоночных работ при сборке путём использования взаимозаменяемых деталей;
• упрощение сборки и возможность выполнения параллельно во времени и пространстве сборки отдельных сборочных единиц;
• конструкция должна легко разбираться и собираться, а также обеспечивать доступ к любому её механизму для сборки, контроля и ремонта.

 

Разработанная конструкция  является технологичной, поскольку  в ней предусматривается:

 

• создание деталей наиболее рациональной формы с легко доступными для обработки поверхностями и достаточной жесткостью с целью уменьшения трудоёмкости.
• рациональное назначение класса точности размеров и шероховатостей поверхностей.
• наличие на деталях базирующих поверхностей.
• наиболее рациональный способ получения заготовок с размерами и формами как можно более близкими к готовым деталям, т.е. обеспечивающих более высокий коэффициент использования материала и наименьшую трудоёмкость.

 

 

Технологический маршрут изготовления

 

Типовой технологический  процесс изготовления сильфонов состоит из следующих операций:

• Подготовительная;
• Подготовка материала к гофрированию;
• Формирование (гофрирование);
• Сушка;
• Стабилизация;
• Контроль.

 

Детальное описание операций

 

Технологические процессы изготовления. Рассмотрим типовой технологический процесс изготовления сильфона из бериллиевой бронзы.

У готовой тонкостенной трубки проверяют разностенность, отсутствие внешних дефектов и точность размеров. Для придания однородных свойств металлу и снятия нагартовки (внутренних напряжений) обрезанная по длине трубка (заготовка) термообрабатывается в шахтной электропечи с защитной аммиачной средой при температуре 760 – 780 °С. После термообработки сильфон гофрируют механическим, гидравлическим или смешанным способом.

Наиболее прогрессивным  является гидравлический способ, при  котором обеспечиваются одинаковые размеры и механические свойства сильфонов. Кроме того, при этом способе  можно обнаружить случайные дефекты  заготовки и обеспечить герметичность сильфонов. Этот способ наиболее производителен и может широко применяться в серийном и массовом производстве.

Внутренний диаметр заготовки  при гидравлическом способе гофрирования должен быть равен внутреннему диаметру готового сильфона. Устройство для гофрирования показано на рис. 1 а. Процесс гофрирования состоит из нескольких этапов. Вначале устройство подготавливают к закладыванию заготовки: пластинчатые матрицы 5 устанавливают на равном расстоянии друг от друга клиньями 2. Далее в устройство закладывают заготовку 6 открытым концом к зажиму 3. Открытый конец заготовки крепят в зажиме 3, а пластинчатые матрицы подводят так, чтобы они плотно охватывали заготовку. В заготовку подается давление, при этом она несколько расширяется, чем достигается более плотное прилегание ее к пластинчатым матрицам. Далее выводят клинья 2. Давление поступившей в цилиндр жидкости вызывает перемещение штока, что приводит к деформации заготовки. Заготовка, испытывая созданное таким образом осевое давление при одновременном действии давления изнутри, сокращается по длине и заполняет свободные промежутки между пластинчатыми матрицами (рис. 1 б). В процессе сокращения длины заготовки матрицы перемещаются по направляющим 7, и трубка складывается в гофры. Избыточное давление жидкости, создаваемое в трубке благодаря уменьшению ее объема в процессе изготовления, сбрасывается предохранительным клапаном, а лишняя жидкость стекает в бак.

Рис. 1

На этом заканчивается гофрирование сильфона. Давление жидкости снимается, и шток устройства возвращается в исходное положение. Конец заготовки освобождают из зажима, открывают пластинчатые матрицы и извлекают изготовленный сильфон.

Формование производят с использованием чистой воды, различных эмульсий или  масла.

Прогрессивными и более точными методами гофрирования сильфонов следует считать методы штамповки резиной при повышенных давлениях. В этом случае роль пуансона выполняет эластичная или эластично-жидкостная среда, а разъемная матрица выполнена жесткой и является носителем геометрии детали. Последовательность процесса следующая: один гофр за другим последовательно оформляются в жесткой разъемной матрице давлением изнутри со стороны резинового пуансона, на который давит поршень.

Рис 2

На рис. 2 представлена схема, где внутреннее давление для формообразования создает жидкость 5, под давлением подаваемая по каналу в резиновый мешок (оболочку) 2. Отличительной особенностью данного метода является то, что образование волны гофра производится не одновременно по всей длине трубки, а последовательно, один гофр за другим. При этом образование волны гофра происходит не за счет двухосного растяжения материала заготовки на участках гофрирования, а за счет втягивания свободной части заготовки в полость матрицы. При таких условиях формования почти отсутствует уменьшение толщины стенки трубы, а за счет равномерного давления не наблюдается вмятин, наклепа и порывов поверхности. По мере того как один гофр отформирован, формирующий пуансон перемещается на один шаг в сторону свободной части заготовки (вверх) и формовка повторяется. Для того чтобы не происходило утяжки материала из отформованного гофра и не искажалась его геометрия, высота формующей головки пуансона должна быть равной двойному шагу. В таком случае всякий раз в выполненный гофр при формовке повторно затекает эластичный пуансон и прочно фиксирует его относительно матрицы, одновременно осуществляя его калибровку. Потребное давление, необходимое для формообразования гофра, зависит от механических свойств и толщины материала, внутреннего радиуса сильфона, высоты гофра и радиуса закругления гофра у вершины. Описанная штамповка производится на полуавтоматических установках с большой производительностью и точностью. После формования сильфоны промывают в горячей воде и сушат в термостате при 100 °С.

Если гидравлический способ гофрирования обеспечивает герметичность сильфонов, то после механического способа необходима проверка на герметичность в специальных приспособлениях. При проверке сильфон зажимают между двумя фланцами винтом. Под давлением Па воздух подают через штуцер вовнутрь сильфона. Затем приспособление опускают в ванну с дистиллированной водой и следят за выделением пузырьков.

После первичной проверки герметичности  сильфоны сушат в термостате при  температуре 80 °С, обезжиривают в 20 %-ном  растворе каустической соды при температуре 80 °С в течение 1 ч с последующей промывкой в холодной и горячей воде, отбеливают в растворе хлористого ангидрида и пассивируют.

Для придания сильфонам высоких  упругих и механических свойств  их укладывают в приспособления, фиксирующие конфигурацию изделия, шаг и длину. Термообработка выполняется при температуре (320 ± 10) °С и выдержке в течение 2ч с последующим охлаждением сильфона в приспособлении на воздухе.

Контрольные операции включают проверку герметичности, качества пассивирования и жесткости. Сильфон закрепляют на столе и сжимают сосредоточенной нагрузкой, приложенной к шпинделю индикатора. Величина сжатия измеряется индикатором, укрепленным на кронштейне.

Для обеспечения определенной характеристики сильфона при заданной его длине производят калибровку. При калибровании сильфон сжимают до соприкосновения гофров: операция выполняется вручную на ручном прессе. После сжатия проверяют длину и характеристику сильфона.

 

Литература:

 

1. Технологические процессы изготовления деталей приборов. Под редакцией В.А. Остафьева. – К.: Вища школа. Головне изд-во. 1983. – стр. 166 - 170.
2. Водяник В.И. приборы чувств элем. М., «Машиностроение», 1974, 136 стр.
3. Гаврилов А.Н. Основы технологии приборостроения. М., 1976.
4. Чурабо Д.Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет. М., «Машиностроение», 1975.