CC BY
9
Формовка сферических оболочек шаровых оробок давлением пороховых газов
В. А. БЕЛЯЕВ, ст. преподаватель, П. В. ВЕРЕЩАГИН, доцент, канд. техн. наук, И. А. ТИТОВ, доцент, канд. техн. наук, БТИ АлтГТУ, г. Бийск
В настоящее время существует потребность в производстве небольших партий крупногабаритной запорной арматуры с шаровой пробкой. Изготовление шаровых пробок обработкой резанием из сортового проката характеризуется большими затратами времени и отходами материала. в качестве которого применяются дорогостоящие высоколегированные стали и цветные сплавы. Гораздо экономичнее изготавливать пробки методами обработки металлов давлением. Представленная на рис. 1 пустотелая шаровая пробка состоит из сферической оболочки и запрессованной в ней цилиндрической трубы.
Одним из перспективных способов получения сферической оболочки, представляющей собой сферический рифт, является импульсная формовка трубчатых заготовок давлением пороховых газов. Данный способ более прост и технологичен, чем электроимпульсные методы, л менее
опасен, чем штамповка взрывом.
Однако, до настоящего времена при проектировании пороховых установок и разработке технологических процессов штамповки для расчетов основных технологических параметров операции (давления пороховых газов, массы порохового заряда, работы деформирования заготовки), как показал анализ, применяются упрощенные методики и отдельные зависимости, дающие приближенную оценку, так как по ним определяются конечные или усредненные значения искомых величин и не учитываются связь между основными параметрами на протяжении всего процесса деформирования.
Данный недостаток устраняется в работе [1], где предложена обобщенная модель расчета параметров штамповки в пороховых технологических установках и приведено частное решение для формовки сферических рифтов в
Рис.
20 200 300 400 500 600 650 700 20
Тотп.
а)
4. Влияние температуры закалки и отпуска на твёрдость литого сплава с различным содержанием ванадия.
а) - сплав с 2%V, б) - сплав с 8%V
300 400 500 600 650 700 Тотп.
б)
2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали 4-е изд., и доп. Перераб. и доп. - М.: 1975. - 584 с.
3. А.Б. Костарев, A.B. Корчмит, О.М. Утьев Металлографические и рентгеноструктурные исследования литой
инструментальной стали с ванадием -. Труды У-ой областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" Изд-во ТПУ, 1999. - 440 с.
х 48
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
<?и
Рис. 1. Шаровая пробка (слева), заготовка сферической оболочки (в центре) и исходная -рубчатая заготовка (справа)
р, рСг) I я(г) тт
/ дг
щ х,
II \ *Ч III
0 I II III z
Ь Ьг
Рис. 2. Расчетная схема формовки сферических оболочек
пороховой газодинамической установке. Модель реализована на основе уравнений внутренней баллистики и теории пластичности с использованием вариационных принципов механики сплошной среды.
Формовка сферического рифта осуществлялась по схеме, показанной на рис. 2. Заготовка условно разбивалась на 3 участка, различающихся условиями нагружения. Это учитывалось при определении энергозатрат на штамповку.
Закон сохранения энергии при формовке сферического рифта позволяет связать процессы пластического деформирования и движения материала заготовки и расширения пороховых газов:
¡¡¡С, МП + Д/ст и^, -ЦР'ШВ. =0, (1)
V, - V,
где: первые два слагаемых гредставляют собой работу деформирования на участках I, II и потери на трение на участках, третье слагаемое является кинетической энергией движущейся стенки, а четвертое - учитывает работу расширяющихся пороховых газов.
В расчете работы формообразования сферического рифта кроме упрочнения материала и трения на участках II и III учитывалось и утонение стенки по сечению рифта. При этом соотношение толщинных и окружных деформаций а задавалось постоянной величиной. Значение а устанавливалась при определении минимума энергозатрат на формовку согласно вариационному уравнению:
/([а^е^+Д/Ч-«^
= 0
(2)
висит от механических свойств материала. Для совокупности значений "а", соответствующих минимуму работы формообразования, получена следующая эмпирическая зависимость:
0.469
Я
ч1.21
-0.06
я,
(3)
Исследования показали, что соотношение деформаций, главным образом, зависит от геэметрии рифта и слабо за-
Формовка сферической оболочки шаровой пробки осуществлялась в экспериментальной пороховой газодинамической установке (см. рис. 3), сконструированной на основе анализа недостатков конструкций существующих установок. Недостатком конструкций установок, представленных в работе [2], является то, что при горении пороха происходит увеличение свободного объема вследствие деформирования заготсвки и давление продуктов горения возрастает медленно. Это обуславливает сравнительно высокие потери энергии пороховых газов. Порох горит значительно эффективнее в небольшом объеме и при повышенном давлении. Это требует разделения камеры сгорания и рабочей камеры.
Повысить эффективность использования энергии заряда можно и за счет изменения характера нарастания давления пороховых газов в соответствии с параметрами выполняемой операции. Так, с точки зрения затрачиваемой энергии, для формообразующих операций длительность импульса давления, воздействующего на заготовку, должна быть более высокой, а давление более низким, чем при выполнении разделительных, для которых характерны высокие удельные усилия и малые длительности приложения нагрузок. Это достигается посредством расположения
между камерой сгорания 5 и рабочей камерой, где Н —_ * происходит деформиро-
вание заготовки, демпферного узла, который позволяет изменять характер нарастания давления.
Конструкция экспериментальной установки содержит корпус 1, в котором размещены матрица 2, головка 4 с камерой сгорания 5, трубчатая за^ готовка 6 и демпферный узел, состоящий из направляющей втулки 8, штока 9 и упругого элемента 10. В процессе сборки устройства перекрывается отверстие для истечения пороховых газов в рабочую камеру 7. При горении порохового заряда 11 газы создают в камере 5 давление, которое через отверстие в головке воздействует на шток. В момент достижения определенного давления происходит смещение штока по направляющей втулке засчет сжатия упругого элемента, и между камерами образуется зазор, регулирующий давление в рабочей камере, которое необходимо для деформирования трубчатой заготовки. Величина зазора и соответствующий характер нарастания импульса давления зависят от размеров и жесткости упругого элемента, изготавливаемого из эластичных
Рис. 3. Установка для газодинамической формовки сферических оболочек из трубчатых заготовок: 1 - корпус, 2 - матрица, 3 - дно, 4 - головка, 5 - камера сгорания, 6 - заготовка. 7 - рабочая камера. 8 - направляющая втулка,
9 - шток, 10 - упругий элемент. 11
материалов (чаще всего аз полиуретана или резины). Поэтому для формообразующих операций необходимо использовать упругие элементы из менее жестких материалов, а при выполнении разделительных более жесткие.
Л/г 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 1
0.95 1.75
>
<
1ч N > /
< V г У
/\2
2.25
2.5
2.75
3.25 со ,г
Рис. 4. Зависимость относительного радиуса рифта
от массы заряда: 1 - без демпферного узла, 2 - с демпферным узпом
Эффсктиопость использооаиия о порохооой устапоо ке демпферного узла подтверждена на примере формовки сферических рифтов. В экспериментах использовались трубчатые заготовки из легированной стали 12Х18Н9Т с размерами г = 16,5 мм, з0 = 1.5 мм, 2Ь = 31 мм. На рис. 4 представлен график зависимости относительного радиуса рифта Н/г от массы порохового заряда со. Формообразование производилось по двум схемам: при наличии в пороховой установке демпферного узла и без него, т. е. с постоянным зазором между камерами. Из графика видно, что наличие в установке демпфера в интервале 2+2,е г снижа-
Р(z)/r. I * s(z)/sо;
1.2
ке
OS
Об
Ъ"
-О ф
0.75 1 г/Ь
Рис. 5. Форма образующей р(г)/г, относительная толщина стенки 8(г)/8о и интенсивность деформации е, по высоте рифта г/Ь
ет эффективность использования энергии пороховых газов. Здесь выгоднее использовать схему без демпфера. Это можно объяснить относительно высокой долей энергетических затрат на сжатие упругого элемента демпфера. Однако, с ростом диаметра рифта эта доля снижается и при зарядах свыше 2,6 г, что соответствует расположенной после пересечения кривых области, формообразование с демпфером повышает к.п.д. процесса, выражающееся в большей величине радиуса рлфта R/r.
Адекватность результатов моделирования экспериментальным данным оценивалась по таким параметрам, форма образующей p(z)/r, интенсивность деформаций е, и толщина стенки s(z)/s0 по высоте рифта z/b (см. рис. 5). Интенсивность деформаций определялась методами твердости и делительных сеток.
При моделировании в качестве допущения принималось, что образующая в любой момент времени имеет вид параболической зависимости, которая при малых прогибах рифта хорошо согласуется с уравнением дуги окружности. Проведенные эксперименты показали, что и при отсутствии контакта стенок оболочки со сферической поверхностью матрицы образующая эифта p(z)/r с высокой точностью может описываться уравнением параболы. Средняя ошибка составила 0,5 %.
Анализ представленных на рис. 5 данных по интенсивности деформаций е, показывает, что на практике упрочнению подвергаются как концы рифта, так и цилиндрические пояски участка III, поскольку окспсримснтальмыо значения £i на границах рифта в отличие от расчетных не равны нулю. Замеры толщины стенки на участке III показывают, что одновременно с перемещением поясков происходит и их утончение. Это можно объяснить дополнительным сопротивлением, возникающим из-за перегиба заготовки на ребре матрицы при переходе материала в область рифта. В теории же предполагалось, что деформирование осуществляется только на участках I и II, а сопротивление перегибу пренебрежимо мало. Погрешность расчета интенсивности деформаций е, составила 11,1 %.
Сравнивая расчетные и опытные данные по толщине стенки s(z)/s0, необходимо отметить, что наибольшие расхождения между теорией и практикой для распределения s(z)/s0 наблюдаются на границах рифта. Это также связано с наличием утончения на цилиндрических поясках деформированной заготовки, которое не учитывается в расчетной модели. Однако, в целом расчетные данные хорошо согласуются с опытными. Средняя погрешность составила 3.3%.
По результатам теоретического моделирования и экспериментальных исследований разработана методика расчета параметров формовки сферических оболочек в пороховых газодинамических установках.
Литература
1. Бслясо В.Д. Модель расчета технологических пара метров пороховых установок для вь сокоскоростной штамповки // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением: Сб. на/чн. тр. В 2-х частях. -Тула, 2001.- ч. 2. - С. 116 - 124.
2. Пихтовников Р.В., Завьялова В.И. Штамповка листового металла взрывом. - М.: Машиностроение, 1964. -175 с.
