CC BY
15
Oktyabrskaya Larisa Vladimirovna, department manager, oktyabrskaya. lvasplav-tula.ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV Scientific and Production Association» named after A. Gan-ichev»,
Minchuk Sergey Victorovich, candidate of engineering sciences, department manager, minchuk. sva splavtula. ru, Russia, Tula, JSC «SPLA V Scientific and Production Association» named after A. Ganichev»,
Vorotilin Mihail Sergeevich, doctor of technical science, professor, vice-rector for research, infoatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Evgeniy Pavlovich, doctor of technical science, professor, infoa tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.735.34
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ХОЛОДНОГО РАДИАЛЬНОГО ОБЖАТИЯ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
В.М. Лялин, Р.А. Сидоров, С.М. Зыков
Осуществлено исследование силовых характеристик операции высокоскоростного холодного радиального обжатия трубной заготовки на оправке, обосновывающее возможность реализации операции в перспективной технологии изготовления труб из конструкционной легированной стали, функционирующих в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок, с привлечением инженерного метода расчета.
Ключевые слова: полугорячая штамповка выдавливанием, высокоскоростное радиальное обжатие, конструкционная легированная сталь, интенсивность деформации, удельное усилие.
В настоящее время существует множество способов получения труб из конструкционных легированных сталей, функционирующих в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок, каждый из которых имеет недостатки, связанные либо с заготовкой для изготовления трубы, либо с самой технологией изготовления. Такими недостатками могут быть: неоднородная, крупнозернистая, с множеством дефектов структура материала заготовки, и как следствие, структура готовой трубы, значительный отход материала, низкое качество поверхности и др. [1].
В связи с этим актуальной задачей является разработка новой технологии изготовления труб из указанных сталей, функционирующих в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок, исключающей указанные недостатки. Перспективной является технология, предусматривающая реализацию двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием и последующего высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке. Двухпереходная полугорячая штамповка выдавливанием обеспечивает мелкозернистую структуру с «залеченными» микро- и макродефектами [2], повышение механических свойств материала трубного полуфабриката и исключение необходимости проведения дополнительной операции полного рекристаллизационного отжига, с целью подготовки полученного полуфабриката к последующей операции [3]. Высокоскоростное холодное радиальное обжатие придаст детали требуемую геометрию, обеспечив высокую чистоту поверхности и повышение механических свойств материала трубы [1].
Реализация указанной перспективной технологии требует предварительного теоретического исследования ключевых операций, в частности, обоснования возможности реализации операции высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке.
В работе изложены результаты исследования силовых характеристик операции высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке в технологии изготовления трубы, функционирующей в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок. Исходной заготовкой является трубная заготовка из стали марки 30ХН2МФА, полученная в результате проведения двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием (рис. 1).
1
см ■ч-
(¿1 1
450
Рис. 1. Трубная заготовка
Для наиболее благоприятного проведения операции высокоскоростного холодного радиального обжатия трубной заготовки на оправке односторонний зазор между заготовкой и оправкой не должен превышать 1,5 мм [4].
Операция высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке в технологии изготовления трубы в рассматриваемом случае в соответствии с проведенным расчетом включает четыре перехода.
Расчетная схема деформирования трубной заготовки при реализации высокоскоростного холодного радиального обжатия представлена на рис. 2.
А-А
бойки оправка
, А трубная эпюра удельной силы,
/ заготовка действующей на инструмент
зазор между оправкой и заготовкой
Рис. 2. Расчетная схема деформирования трубной заготовки при реализации высокоскоростного холодного радиального обжатия: Т1 - трение между заготовкой и бойком;
Т1 - трение между заготовкой и оправкой; Т1 - удельная сила
Максимальная интенсивность деформации на первом переходе операции наблюдается в зоне обжатия полуфабриката трубы без зазора между оправкой и полуфабрикатом трубы (рис. 3), поскольку именно этому участку соответствует минимальное значение толщины стенки полуфабриката трубы, полученного после реализации первого перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия:
еу
■ 1п
Fl
1п
9919,26
: 0,38,
F2 6782,4
где е1 - максимальная интенсивность деформации на первом переходе; Fl-площадь поперечного сечения трубной заготовки, мм2; F2 - минимальная площадь полуфабриката трубы, полученного после первого перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия, мм2.
зона максимальной интенсивности деформации
оправка
зазор между
рефленин Оля
Рис. 3. Первый переход высокоскоростного холодного радиального обжатия
Максимальная интенсивность деформации на втором и третьем переходах высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке в технологии изготовления трубы также наблюдается в зоне обжатия полуфабриката трубы без зазора между оправкой и полуфабрикатом трубы (рис. 4, 5):
е2=ЫЕ1=ы67824=0,49, ез=1п1э=1п 11542 = е2 р3 4154,2 ез Р4 1931,9 '
где е2 - максимальная интенсивность деформации на втором переходе; ез - максимальная интенсивность деформации на третьем переходе; р 3 - минимальная площадь поперечного сечения полуфабриката трубы, полученного после второго перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия, мм2; р 4 -минимальная площадь поперечного
сечения полуфабриката трубы, полученного после третьего перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия, мм2.
зона максимальной интенсивности деформации
оправка
бойки
зазор между
рвфлвния для
Рис. 4. Второй переход высокоскоростного холодного радиального обжатия
зона максимальной интенсивности деформации
оправка
бойки
зазор между рефления для
оправкой и заготовкой зажима заготовки
Рис. 5. Третий переход высокоскоростного холодного радиального обжатия
Зона максимальной интенсивности деформации на четвертом переходе высокоскоростного холодного радиального обжатия, реализуемом на дорне, в технологии изготовления трубы представлена на рис. 6. Максимальная интенсивность деформации в этом случае:
в4:
Лп^
F 6
■ 1п
2461,76
1,
883,13
где е4 - максимальная интенсивность деформации на четвертом переходе; F 5 - максимальная площадь поперечного сечения полуфабриката трубы, полученного после третьего перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия, мм2; F 6 - минимальная площадь поперечного сечения полуфабриката трубы, полученного после четвертого перехода высокоскоростного холодного радиального обжатия, мм2.
припуск металла для_
крепления полуфабриката
зона максимальной резьба
бойки излишек металла
рефления для зажима заготовки
Рис. 6. Четвертый переход высокоскоростного холодного радиального обжатия 4101232,5+2034720-
В соответствии с кривой упрочнения стали 30ХН2МФА, построенной при реализации динамического нагружения и комнатной температуре (рис. 7), определенным значениям интенсивностей деформаций соответствуют следующие значения истинных
напряжений: = 38,5кг / мм 2, О 2 = 38,8кг / мм 2, а3 = 39,3кг / мм 2,
а 4 = 39,8кг / мм 2.
, 420
Ь 400
зао
360
340
ОД
0,3
0,5
0,7
0,9
1.1
1,3 е,
Рис. 7. Кривая упрочнения стали 30ХН2МФА, построенная при Реализации динамического нагружения и комнатной температуре
Определение максимальной удельной силы, действующей на бойки на каждом из переходов, в процессе высокоскоростного холодного радиального обжатия осуществлено по формуле (5)
Р = ОI(1 +15 • т торм ),
где ц - коэффициент трения; т торм
Fтрения , , =----коэффициент торможения в завер-
F и
истечения
шающей стадии формоизменения; F трения - площадь трения металла о рабочий инструмент, мм ; F истечения - площадь истечения металла, мм .
439
Максимальная удельная сила, действующая на бойки на каждом из переходов:
0 2 о 0 2 о
p1 = 38,5(1 + 1,49) = 46,15кг / мм2 ; p2 = 38,8(1 + ■ 4,7) = 63,11кг / мм2 ;
0 2 0 2
p3 = 39,3(1 + — ■ 14,3) = 114,23кг / мм2 ; p4 = 39,8(1 + — ■ 15,5) = 122,05кг / мм2 •
3 1,5 4 1,5
Выполненный инженерный расчет силовых характеристик операции высокоскоростного холодного радиального обжатия доказал возможность реализации данной операции в технологии изготовления труб, функционирующих в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок, поскольку рассчитанные значения удельных сил, действующих на бойки, существенно меньше допустимых значений.
Полученные результаты в ходе теоретического исследования силовых характеристик операции высокоскоростного холодного радиального обжатия на оправке (дорне) в технологии изготовления трубы из высоколегированной стали 30ХН2МФА, функционирующей в условиях высоких импульсных термодинамических нагрузок, могут быть использованы в дальнейшем при практической реализации данной операции в технологии изготовления труб.
Список литературы
1 • Семенов Е.И. Ковка и штамповка. Горячая объемная штамповка / под общ. ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 2010. Т. 2. 720 с.
2. Лялин В.М., Полтавец Ю.В. Спецтема. Тула. Изд-во ТулГУ. 2013. 330 с.
3. Лялин В.М., Петров В.И., Журавлев Г.М. Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. Тула: ТулГУ, 2002. 160 с.
4. Туктанов А.Г. Технология производства стрелково-пушечного и артиллерийского оружия: учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение. 2007. 375 с.
5. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Металлургиздат. 1960.
382 с.
Лялин Виктор Михайлович, д-р техн. наук, профессор, sidom98@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоров Роман Александрович, студент, sidom98@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зыков Станислав Михайлович, ведущий инженер-исследователь, sidom98@mail.ru, Россия, Тула, АО «КБП»
POWER CHARACTERISTICS STUDY HIGH SPEED COLD RADIAL COMPRESSION PIPE BILLETS FROM STRUCTURAL ALLOY STEEL
V.M. Lyalin, R.A. Sidorov, S.M. Zykov
A study of the power characteristics of the operation of high-speed cold radial compression of a pipe billet on a mandrel was carried out, which substantiates the possibility of implementing the operation in a promising technology for manufacturing pipes from structural alloy steel, operating under high pulsed thermodynamic loads, using the engineering method of calculation.
Key words: semi-hot stamping by extrusion, high-speed radial reduction, structural alloy steel, deformation rate, specific force.
Lyalin Viktor Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, sidom98@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorov Roman Alexandrovich, student, sidom98@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zykov Stanislav Michaylovich, leading research engineer, sidom98@,mail. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»
УДК 621.454.3
ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМУМА МАССЫ СОПЛОВОГО БЛОКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ЗАДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
Л.В. Октябрьская
Рассмотрена задача оптимизации плотности материала в конструкции соплового блока. Разработана методика выбора композиционных материалов, обеспечивающих минимальную массу соплового блока при удовлетворении требований к допустимой величине потери удельного импульса тяги.
Ключевые слова: сопловой блок, композиционные материалы, газовый поток, критическое сечение.
С применением высокоэнергетических топлив в современных энергетических установках (ЭУ) снарядов РСЗО практически исключается сохранение исходного профиля проточного тракта сопла даже из тугоплавких металлов и сплавов. Поиск материалов для соплового блока современных ЭУ идет в направлении создания и применения эрозионостойких легких материалов, недефицитных и обеспечивающих требуемые характеристики работоспособности. По мнению зарубежных и отечественных специалистов, наилучшими свойствами по совокупности предъявляемых требований обладают композиты, в частности углеродные. Проведенные исследования по созданию новых композиционных материалов показали, что и углеродные композиты также не обеспечивают сохранение исходного профиля проточного тракта сопла ЭУ, но эффективность их применения наиболее высока среди всех известных типов материалов[1,2].
Надежность соплового блока зависит от совместного влияния несущей способности и эрозионной стойкости конструктивных элементов с учетом реологических свойств материалов. И в данном случае не вызывает сомнений взаимосвязь критерия безотказности соплового блока с основными показателями работоспособности композитов в его конструкции. Сами показатели работоспособности композитов также взаимосвязаны между собой, поскольку их количественные характеристики определяются при совокупном воздействии на конструктивные элементы всех видов действующих нагрузок.
Таким образом, имеет место сложная научно-техническая задача исследования работоспособности композитов в конструкциях сопловых блоков. Решение ее состоит в том, что необходимо для заданных условий эксплуатации ЭУ отыскать оптимальные показатели работоспособности композитов для элементов соплового блока, обеспечивающие требуемые значения критериев эффективности ЭУ. Решение этой научно-технической задачи трансформируется далее в область технологических и материаловедческих исследований, направленных на получение композитов с заранее заданными свойствами.
В качестве показателя работоспособности элемента соплового блока целесообразно принять допустимый унос массы материала, при котором сохраняются в установленных пределах геометрическая форма и размеры элементов при взаимодействии материала с продуктами сгорания топлива (эрозионная стойкость), и допустимый запас несущей способности элемента, при котором гарантируется его целостность как физического твердого тела.
