RU2337036C1 - Method of producing underwater vehicle solid hull cylindrical enclosure - Google Patents

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention consists in that the underwater vehicle solid hull cylindrical enclosure is made from a glass layer lined with a metal coating representing an outer, an inner and an end face plating with coefficient of thermal expansion exceeding that of glass. The outer and the end face metal plating are placed in a split form to be placed into a centrifuge. The said centrifuge is cut in and melt of glass mass is fed into the inner space of the outer metal plating. The centrifuge helps form the required thickness of a glass layer onto the inner surface of the outer metal plating. The glass layer temperature is decreased to the temperature allowing the layer diffusion welding with the metal outer plating. Now, the metal melt is fed onto the glass layer and use the said centrifuge to form the required thickness of the inner metal plating. The cylindrical enclosure temperature is reduced to the temperature of glass layer vitrification temperature, the centrifuge is cut out, the said cylindrical enclosure is tempered till a complete strain relaxation and glass layer stabilisation. The split form temperature is reduced to ambient temperature, and the enclosure is withdrawn from the form.

EFFECT: reliable junction of plating, simpler manufacture and better manufacturability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к морской технике и касается изготовления прочных корпусов подводных аппаратов, контейнеров и других подводных сооружений.The invention relates to marine engineering and for the manufacture of durable hulls of underwater vehicles, containers and other underwater structures.

Известен способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата путем сборки из отдельных стеклянных элементов, склеенных между собой (Прочные оболочки из селикатных материалов. Под ред. Писаренко Г.С.; АН УССР. Ин-т проблем прочности, - Киев: Наукова Думка, 1989.).There is a method of manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle body by assembling from separate glass elements glued together (Strong shells of selicitous materials. Edited by G. Pisarenko; USSR Academy of Sciences. Institute of Strength Problems, - Kiev: Naukova Dumka, 1989.).

Недостатки известного способа заключаются в том, что получаемая оболочка обладает низкой контактной прочностью и малой ударостойкостью. Это существенным образом снижает эксплуатационную надежность прочного корпуса подводного аппарата и не позволяет в должной мере использовать высокую прочность стекла на сжатие.The disadvantages of this method are that the resulting shell has a low contact strength and low impact resistance. This significantly reduces the operational reliability of the robust hull of the underwater vehicle and does not allow the proper use of high glass compressive strength.

Известен также способ изготовления оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающий формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла (Патент РФ №2067060 МПК6 В63В 3/13. опубл. 27.09.1996, бюл. №27. - прототип). В известном способе формирование оболочки производится путем заливки расплавленной стекломассы в пространство, ограниченное металлическими облицовками, нагретыми до температуры, обеспечивающей надежное соединение их со стекломатериалом. За счет разницы в коэффициентах температурного расширения стеклянный слой при остывании оболочки обжимается, что в сочетании с соответствующим температурным режимом позволяет исключить образование поверхностных микротрещин в стеклянном слое и реализовать в промышленном масштабе известные закономерности многократного повышения прочности и ударостойкости стекломатериала.There is also known a method of manufacturing a shell of a durable underwater vehicle casing, comprising forming a cylindrical shell of a glass layer lined with a metal coating in the form of external, internal and end linings having a coefficient of thermal expansion exceeding its value in glass (RF Patent No. 2067060 MPK6 V63V 3/13 publ. 09/27/1996, bull. No. 27. - prototype). In the known method, the formation of the shell is carried out by pouring molten glass into a space bounded by metal claddings, heated to a temperature that ensures their reliable connection with the glass material. Due to the difference in the coefficients of thermal expansion, the glass layer is crimped during cooling of the shell, which in combination with the appropriate temperature regime eliminates the formation of surface microcracks in the glass layer and implements, on an industrial scale, the well-known laws of the multiple increase in strength and impact resistance of glass material.

Недостатки известного способа заключаются в необходимости использования жаростойких конструкционных металлов, имеющих химическое сродство со стекломатериалом композита, и в практической сложности равномерно плотного заполнения глубоких щелей, образуемых металлическими облицовками. Тем самым накладываются существенные ограничения на применяемые металлы и создаются дополнительные технологические сложности для обеспечения надежного соединения металлических облицовок со стеклянным слоем и формированием равномерно плотного стеклянного слоя.The disadvantages of this method are the need to use heat-resistant structural metals having chemical affinity for the glass material of the composite, and the practical difficulty of uniformly dense filling of deep gaps formed by metal linings. Thus, significant restrictions are imposed on the metals used and additional technological difficulties are created to ensure a reliable connection of metal facings to the glass layer and the formation of an evenly dense glass layer.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение надежного соединения металлических облицовок со стеклянным слоем и упрощение технологии изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата из стекломатериала, облицованного металлическими покрытиями.The problem to which the invention is directed, is to provide a reliable connection of metal facings with a glass layer and simplify the manufacturing technology of the cylindrical shell of a durable underwater casing made of glass material lined with metal coatings.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающем формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу, включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки, посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой стекла на внутренней поверхности внешней металлической облицовки, затем температуру стеклянного слоя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, после чего на стеклянный слой подают расплав металла и посредством центрифуги формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку цилиндрической оболочки, понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования стеклянного слоя и выключают центрифугу, отжигают цилиндрическую оболочку до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя, понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.This object is achieved by the fact that in the method of manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle body, comprising forming a cylindrical shell of a glass layer coated with a metal coating in the form of external, internal and end linings having a coefficient of thermal expansion exceeding its value in glass, external and end metal cladding is installed in a split mold and placed in a centrifuge, a centrifuge is turned on and molten glass is fed into the internal floor the outer metal cladding, by means of a centrifuge, the glass layer of glass of the required thickness is formed on the inner surface of the external metal cladding, then the temperature of the glass layer is lowered to a temperature that ensures its diffusion welding with the inner metal cladding, after which the metal melt is fed to the glass layer and the required thickness of the inner metal lining of the cylindrical shell, lower the temperature of the cylindrical shell to Glass transitions of the glass layer turn off the centrifuge, anneal the cylindrical shell to completely relax the stresses and stabilize the glass layer, lower the temperature of the cylindrical shell in a detachable form to the temperature of the environment and remove it from the mold.

В заявляемом способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:In the inventive method of manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle body, the common essential features for him and for his prototype are:

- цилиндрическую оболочку прочного корпуса подводного аппарата формируют из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием, в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок;- the cylindrical shell of the durable body of the underwater vehicle is formed from a glass layer coated with a metal coating in the form of external, internal and end facing;

- имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла.- having a coefficient of thermal expansion exceeding its value in glass.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие существенные отличительные признаки:A comparative analysis of the essential features of the proposed method for manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle body and prototype shows that the first, unlike the prototype, has the following significant distinguishing features:

- внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу;- the outer and end metal cladding is installed in a detachable form and placed in a centrifuge;

- включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки;- turn on the centrifuge and supply molten glass to the internal cavity of the outer metal cladding;

- посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой на внутренней поверхности внешней металлической облицовки;- by means of a centrifuge a glass layer of the required thickness is formed on the inner surface of the outer metal lining;

- температуру стеклянного слоя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, после чего на стеклянный слой подают расплав металла и посредством центрифуги формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку цилиндрической оболочки;- the temperature of the glass layer is lowered to a temperature that ensures its diffusion welding with the inner metal lining, after which the metal melt is fed to the glass layer and the inner metal lining of the cylindrical shell is formed by the required centrifuge;

- понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования стеклянного слоя и выключают центрифугу;- lower the temperature of the cylindrical shell to the glass transition temperature of the glass layer and turn off the centrifuge;

- отжигают цилиндрическую оболочку до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя;- annealing the cylindrical shell until complete relaxation of stress and stabilization of the glass layer;

- понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.- lower the temperature of the cylindrical shell in detachable form to the temperature of the external environment and remove it from the form.

Данная совокупность существенных отличительных признаков заявленного способа позволила:This set of essential distinguishing features of the claimed method allowed:

- предотвратить коробление внешней и торцевых металлических облицовок;- prevent warpage of the outer and end metal facings;

- обеспечить формирование равномерного и плотного стеклянного слоя требуемой толщины и его диффузионную сварку с внешней и торцевыми металлическими облицовками цилиндрической оболочки;- to ensure the formation of a uniform and dense glass layer of the required thickness and its diffusion welding with the outer and end metal facings of the cylindrical shell;

- обеспечить формирование внутренней металлической облицовки цилиндрической оболочки, причем заданной толщины;- to ensure the formation of the inner metal lining of the cylindrical shell, and the specified thickness;

- обеспечить диффузионную сварку внутренней металлической облицовки со стеклянным слоем;- to provide diffusion welding of the inner metal lining with a glass layer;

- обеспечить релаксацию напряжений в цилиндрической оболочке перед ее остыванием.- provide stress relaxation in the cylindrical shell before cooling.

Таким образом, в заявленном способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата надежное соединение металлической облицовки со стеклянным слоем обеспечивается формированием равномерно плотного стеклянного слоя и диффузионной сваркой его с металлическими облицовками, а упрощение технологии изготовления цилиндрической оболочки обеспечивается применением центрифуги для нанесения на внешнюю металлическую облицовку стеклянного слоя и внутренней металлической облицовки на стеклянный слой.Thus, in the inventive method of manufacturing a cylindrical shell of a strong underwater vehicle body, a reliable connection of the metal cladding to the glass layer is ensured by the formation of a uniformly dense glass layer and diffusion welding of it with metal claddings, and the simplification of the manufacturing technology of the cylindrical shell is provided by the use of a centrifuge for applying glass to the outer metal cladding layer and inner metal lining on the glass layer.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для использования.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the invention, it has become possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step, i.e. it does not explicitly follow from the prior art and is suitable for use.

Предлагаемый способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса поясняется чертежом, на котором в схематическом виде приведена цилиндрическая оболочка прочного корпуса, сформированная на центрифуге. На чертеже обозначены: 1 - внешняя металлическая облицовка цилиндрической оболочки; 2 - торцевые металлические облицовки цилиндрической оболочки; 3 - внутренняя металлическая облицовка цилиндрической оболочки; 4 - стеклянный слой цилиндрической оболочки; 5 - разъемная форма; 6 - центрифуга.The proposed method of manufacturing a cylindrical shell of a durable housing is illustrated in the drawing, which in a schematic view shows a cylindrical shell of a durable housing formed in a centrifuge. The drawing indicates: 1 - the outer metal lining of the cylindrical shell; 2 - end metal cladding of a cylindrical shell; 3 - inner metal lining of the cylindrical shell; 4 - a glass layer of a cylindrical shell; 5 - split form; 6 - centrifuge.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно подготовленные для надежной диффузионной сварки со стеклянным слоем внешнюю металлическую облицовку 1 и торцевые металлические облицовки 2 устанавливают в разъемную форму 5 и помещают в центрифугу 6. Затем включают центрифугу 6 и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки 1 и посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой 4 на внутренней поверхности внешней металлической облицовки 1. Частоту и время вращения центрифуги 6 определяют расчетно-экспериментальным методом в зависимости от размеров цилиндрической оболочки, исходя из равномерно плотного нанесения стекломассы на внешнюю металлическую облицовку 1 и сохранения равномерной толщины стеклянного слоя 4 при остывании до температуры стеклования. При этом стекломассу можно наносить послойно и использовать различные рецептуры стекла для каждого промежуточного слоя. После чего температуру стеклянного слоя 4 понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, и на стеклянный слой 4 подают расплав металла. Посредством центрифуги 6 формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку 3 цилиндрической оболочки. При работающей центрифуге 6 остужают цилиндрическую оболочку до температуры стеклования стекломассы внутреннего слоя 4. При достижении в стеклянном слое 4 температуры стеклования центрифугу 6 отключают и производят отжиг цилиндрической оболочки при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя 4. После этого цилиндрическую оболочку остужают в разъемной форме 5 до температуры внешней среды и затем извлекают из формы 5.The method is as follows. The outer metal lining 1 and the end metal lining 2, preliminarily prepared for reliable diffusion welding with a glass layer, are installed in a detachable mold 5 and placed in a centrifuge 6. Then, a centrifuge 6 is turned on and the molten glass melt is fed into the inner cavity of the outer metal lining 1 and the required thickness is formed by means of a centrifuge a glass layer 4 on the inner surface of the outer metal lining 1. The frequency and time of rotation of the centrifuge 6 is determined by the calculation and experimental method House according to the size of the cylindrical shell, on the basis of a uniformly dense glass coating on the outer metal liner 1 and maintaining a uniform thickness of the glass layer 4 during cooling to the glass transition temperature. In this case, the molten glass can be applied in layers and use different glass formulations for each intermediate layer. After that, the temperature of the glass layer 4 is lowered to a temperature that ensures its diffusion welding with the inner metal lining, and molten metal is fed to the glass layer 4. By means of a centrifuge 6, the inner metal lining 3 of the cylindrical shell is formed of the required thickness. When the centrifuge 6 is operating, the cylindrical shell is cooled to the glass transition temperature of the glass melt of the inner layer 4. When the glass transition temperature 4 is reached, the centrifuge 6 is turned off and the cylindrical shell is annealed at the glass transition temperature until the stress is completely relaxed and the glass layer is stabilized. 4. After that, the cylindrical shell is cooled in detachable mold 5 to ambient temperature and then removed from mold 5.

Высокие показатели прочности и ударостойкости цилиндрической оболочки из стекломелкокомпозита достигаются в основном за счет исключения в стеклянном слое поверхностных микротрещин. Существенное значение имеет также равномерно плотное формирование стеклянного слоя. Механизм исключения образования поверхностных микротрещин заключается в следующем. При остывании цилиндрической оболочки температура металлического покрытия всегда будет ниже температуры внутреннего стеклянного слоя. Поэтому металлические облицовки, имеющие более высокие коэффициенты температурного расширения, стремятся сократить свои размеры в большей мере, чем прилегающие к ним поверхности стеклянного слоя. Однако они встречают сопротивление со стороны приваренного стеклянного слоя. Вследствие этого они растягиваются и стягивают прилегающие к ним поверхности стеклянного слоя. Тем самым создаются механические препятствия к растрескиванию поверхностей стеклянного слоя. В результате формируется равномерно плотный внутренний слой стекла без поверхностных микротрещин.High strength and impact resistance of the cylindrical shell made of glass-finely-composite are achieved mainly due to the exclusion of surface microcracks in the glass layer. The uniformly dense formation of the glass layer is also essential. The mechanism for eliminating the formation of surface microcracks is as follows. When cooling the cylindrical shell, the temperature of the metal coating will always be lower than the temperature of the inner glass layer. Therefore, metal linings having higher coefficients of thermal expansion tend to reduce their sizes to a greater extent than the adjacent surface of the glass layer. However, they meet resistance from the side of the welded glass layer. As a result of this, they stretch and contract the adjacent surfaces of the glass layer. This creates mechanical obstacles to cracking the surfaces of the glass layer. As a result, a uniformly dense inner layer of glass is formed without surface microcracks.

Прочность и ударостойкость сформированного предлагаемым способом стеклянного слоя повышаются настолько, что отпадает необходимость в использовании прочностных свойств металлических облицовок. Поэтому металлические облицовки используются для обеспечения необходимых технологических приемов и для предохранения стеклянного слоя от местных повреждений.The strength and impact resistance of the glass layer formed by the proposed method are increased so that there is no need to use the strength properties of metal facings. Therefore, metal claddings are used to provide the necessary technological methods and to protect the glass layer from local damage.

Технический результат изобретения заключается в создании цилиндрической оболочки прочного корпуса, у которого устранены поверхностные микротрещины и произведено его равномерное уплотнение. Вследствие этого ударостойкость и прочность стекломатериала повышается в десятки раз. Заключение стекломатериала между металлическими облицовками создает дополнительный технический эффект, исключая непосредственный контакт с окружающей средой и создавая дополнительные барьеры, препятствующие разрушению композитной оболочки. Многократное повышение прочности и ударостойкости стекломатериала в составе композитной оболочки позволяет отказаться от использования прочностных свойств металлического покрытия, используя его лишь в технологических целях и для предохранения стеклянного слоя от местных повреждений. Тем самым появляется возможность в существенном уменьшении массы металла в стеклометаллокомпозите и использовании металлов с малой массой и низкой стоимостью. Это позволяет получить существенный экономический эффект, так как сырье, используемое для изготовления стекломатериала, очень дешевое, его запасы практически не ограничены, а энергозатраты на изготовление слоистого композита значительно ниже энергозатрат, которые требуются для изготовления листов большой толщины из конструкционных металлов.The technical result of the invention is to create a cylindrical shell of a durable case, which eliminated surface microcracks and made its uniform compaction. As a result of this, the impact resistance and strength of glass material is increased tenfold. The conclusion of the glass material between the metal linings creates an additional technical effect, eliminating direct contact with the environment and creating additional barriers that prevent the destruction of the composite shell. A multiple increase in the strength and impact resistance of the glass material in the composite shell allows you to abandon the use of the strength properties of the metal coating, using it only for technological purposes and to protect the glass layer from local damage. Thus, it becomes possible to significantly reduce the mass of the metal in the glass-metal composite and the use of metals with low mass and low cost. This makes it possible to obtain a significant economic effect, since the raw materials used for the manufacture of glass material are very cheap, its reserves are practically unlimited, and the energy consumption for the manufacture of a layered composite is much lower than the energy consumption required for the manufacture of sheets of large thickness from structural metals.

Claims (1)

Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающий формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, отличающийся тем, что внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу, включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки, посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклянный слой на внутренней поверхности внешней металлической облицовки, затем температуру стеклянного слоя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, после чего на стеклянный слой подают расплав металла и посредством центрифуги формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку цилиндрической оболочки, понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования стеклянного слоя и выключают центрифугу, отжигают цилиндрическую оболочку до полной релаксации напряжений и стабилизации стеклянного слоя, понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.A method of manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle body, comprising forming a cylindrical shell of a glass layer lined with a metal coating in the form of external, internal and end linings having a coefficient of thermal expansion exceeding its value in glass, characterized in that the outer and end metal linings are installed in a detachable form and place it in a centrifuge, turn on the centrifuge and supply molten glass to the internal cavity of the outer metal lining, by means of a centrifuge form the required thickness of the glass layer on the inner surface of the outer metal lining, then the temperature of the glass layer is lowered to a temperature that ensures its diffusion welding with the inner metal lining, after which the metal melt is fed to the glass layer and by means of a centrifuge the required thickness is formed of the inner metal the lining of the cylindrical shell, lower the temperature of the cylindrical shell to the glass transition temperature of the glass Loy and the centrifuge is stopped, is annealed to a full cylindrical shell stress relaxation and stabilization of the glass layer, the lower cylindrical shell temperature in the split mold to ambient temperature and removed from the mold.