CC BY
2
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 623.455.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-336-337
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСТРЕЛОВ ИЗ СПЛАВА АМГ5
В.А. Лобов, Е.О. Фролова
В ходе работы бът проведен анализ применения алюминиевого сплава в качестве гильзового материала, выполнены прочностные расчеты гильзы из сплава АМг5. Рассчитан конечный зазор, выполнены расчеты прочности корпуса на продольный и поперечный разрыв, а также усилие защемления при экстракции. Разработан технологический процесс изготовления гильзы из алюминиевого сплава АМг5, проведена экспериментальная отработка технологии изготовления, в результате чего были разработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса на основе полученных результатов.
Ключевые слова: Гильза, алюминий, прочность, штамповка, вытяжка, штамп.
В настоящее время стальные гильзы являются одними из основных для снаряжения и производства патронов и малокалиберных артиллерийских боеприпасов. Однако, современные тенденции введения боя и участие в вооружённых конфликтах показывают стремление к увеличению переносимого боекомплекта. Для облегчения и уменьшения его веса рассматривалось множество вариантов. Одним из них является изготовление гильз из алюминиевых сплавов, что позволит при той же массе количественно увеличить боезапас [1].
Вопрос о снижении массы наиболее актуален в авиации [2], где возможность взять на борт большее число снарядов может сыграть решающую роль при выполнении различных задач. Примером может служить американская 30-мм автоматическая пушка GAU-8 созданная параллельно штурмовику А-10. В Российской военной авиации широко распространены пушки моделей ГШ-301, ГШ-30, ГШ-30К, ГШ-6-30 устанавливаемые на вертолеты Ми-24П, штурмовики Су-25, Су-39, истребители МиГ-29, МиГ-35, Су-27, Су-30, Су-33, Су-35 и фронтовые бомбардировщики Су-34.
В качестве материала для изготовления гильз к патронам GAU-8 использован алюминий вместо привычной стали, за счет чего удалось увеличить переносимый боезапас примерно на 30% при заданной массе в связи с меньшей плотностью используемого металла. Такие снаряды имеют пластмассовые ведущие пояски с целью продления срока службы ствола. Также американскими инженерами было решено использовать специальных низкомолекулярный метательный заряд с меньшей температурой горения: 2200 К против 3500 К, выдававшим такой же импульс.
Однако продолжительная стрельба невозможна из-за перегрева и действия при этом алюминиевых материалов по отношению к рабочим элементам орудия. Поэтому, при ведении огня из такой пушки, необходимы минутные перерывы после двух секундного залпа с целью нормального охлаждения блока стволов.
В Советском Союзе в 1962 году ЦНИИТОЧМАШ сделали опытную партию патронов клб. 7,62x39 мм с гильзой из алюминиевого сплава. Данные гильзы получили шифр ГА, а их наружная поверхность имела антифрикционное графитовое покрытие, чтобы при больших температурах частички алюминия не оставались на поверхности деталей устройства автоматики. Однако, при дальнейших испытаниях выяснилось, что срок хранения таких патронов слишком мал, и поэтому разработки гильз под данный калибр были прекращены.
В ходе различных испытаний установлено, что алюминий обладает свойством самовоспламенения на воздухе в процессе экстракции при температуре нагрева около 400°С, тем самым его использование в производстве патронов для систем с темпом стрельбы более 200 выстрелов в минуту некорректно. Однако такой фактор возможно уменьшить или вовсе устранить путем внедрения полимерного покрытия, защищавшего алюминий от возгорания, но тогда необходимо увеличение линейных размеров.
Также проблему самовоспламенения можно решить покрытие гильзы тонким слоем меди или латуни по технологии электролиза. Например, технология, описанная в работе [3] включает нанесение медного покрытия в электролите содержащем: CUSO45H2O - 45-55 г/л; Na4P20710H20 - 200-240 г/л; KNO2 - 10-15 г/л при температуре 55-65 °С в две стадии за суммарное время 5-6 мин, что позволит применять способ в автоматических роторных и роторно-конвейерных линиях.
Именно поэтому алюминиевые гильзы получили распространение лишь в изготовлении патронов для пистолетов, где скорости стрельбы и температуры намного меньше, примером которых служит патрон 9x18 мм ПМ, 9x19 para, а также в различных патронах гражданского оружия. Положительным показателем является то, что стоимость пистолетного патрона с алюминиевой гильзой, относительно медной, ниже.
Несмотря на меньшую температуру плавления алюминия и его особенность к самовоспламенению при экстракции, а также растрескиванию в процессе долгого хранения сама идея разработки таких боеприпасов является перспективной и востребованной, так как позволит уменьшить вес боекомплекта, к чему стремятся конструкторы долгие годы.
Материал изготовления гильзы должен иметь достаточную прочность и пластичность. Легирующие элементы в составе алюминия (магний, никель и др.) содержанием не более 5% обеспечивают значения механических свойств, сопоставимые с латунью и сталью. Для обоснования марки материала был проанализирован опыт использования алюминия среди боеприпасов выпускаемых Российскими предприятиями: травматического пистолета «Оса», гильзы выстрела «Балкан» и гильзы опытного образца 1962 года, выполнен химический анализ перечисленных образцов на анализаторе «FOUNDRY-MASTER Smart». В соответствии с ГОСТ 4784-97 материалами являются сплавы АМг 2, Д16 и АМг 6 соответственно (табл. 1).
Таблица 1
Результаты химического анализа и их соответствие ГОСТ 4784-97__
Массовая доля элементов,% «Оса» АМг2 по ГОСТ «Балкан» Д16 по ГОСТ Образец 1962 г. АМг6 по ГОСТ АМг5 ГОСТ
Алюминий 97,20 96,7-95,4 93,63 93,55-92 92,55 92,58-91,2 93,55-92
Кремний 0,104 0,4 0,19 0,5 0,131 0,4 0,5
Железо 0,161 0,5 0,16 0,5 0,159 0,4 0,5
Медь 0,0901 0,15 4,1 3,8-4,5 0,0253 0,1 0,1
Марганец 0,309 0,1-0,6 0,55 0,3-0,7 0,206 0,5-0,8 0,3-0,8
Магний 2,01 1,8-2,6 1,31 1,2-1,6 6,79 5,8-6,8 4,8-5,8
Цинк 0,0269 0,15 0,04 0,1 0,0217 0,2 0,2
Хром 0,0026 0,05 - - <0,001 - -
Титан 0,0412 0,15 0,02 0,1 0,0518 0,02-0,1 0,02-0,1
Для отработки технологии выбран сплав АМг 5 с уменьшенным содержанием магния по сравнению с АМг 6, достаточно высокой твердостью и пластичностью. Были проведены механические испытания растяжением плоских образцов на испытательной машине Shimadzu AG-X-1 и определены показатели прочности и пластичности, а также построена кривая деформационного упрочнения в координатах «интенсивность напряжений о,- - интенсивность деформации е,», а также зависимость твердости по Виккерсу НУ от степени деформации е,- (рис. 1).
На начальном этапе для изготовления алюминиевой гильзы выбран патрон соответствующий образцу 1962 г. в связи с широким распространением оружия под калибр 7,62 мм и имеющимся опытом изготовления облегченных гильз данного калибра. В последующем полученные результаты можно использовать в производстве артиллерийских гильз клб. 23 и 30 мм широко применяющихся в военной авиации.
o os о т o is ого о ?5 о зо ojs
Рис. 1. Кривая деформационного упрочнения (а) и зависимость твердости от степени деформации
для сплава АМг 5
а
Для расчета конечного зазора, оценки продольной и поперечной прочности используется модель функционирования гильзы, в виде оболочки с дном, расположенной в соосной ей каморе - толстостенным цилиндре, ограниченным затвором (опорным узлом) [4]. Перед выстрелом между корпусом гильзы и каморой имеется начальный диаметральный зазор, а между ее дном и зеркалом - начальный осевой зазор. За счет варьирования основных факторов выстрела при проектировании гильзы (материал гильзы, его структура, механические и теплофизические свойства, давление пороховых газов, характер его нарастания, температура пороховых газов и др.), обеспечена ее надежная экстракция, прочность и обтюрация пороховых газов.
Для расчета конечного зазора Д и усилия защемления гильзы определены сечения гильзы, в которых заданы необходимые значения предела текучести. Это середина дульца, граница корпуса и ската, сечение сопряжения цилиндрической части, дно гильзы. Расчет конечного зазора выполнен в специализированной программе «ZAZOR» (рис. 2). Исходными данными для расчета служат геометрические параметры гильзы и патронника, свойства материала гильзы и ствола, параметры температурного состояния гильзы, значения максимального давления и контактных условий.
Из полученного графика следует, что в придонной части гильзы происходит натяг с усилием защемления, не превышающем 50 кг, что обеспечивает штатное функционирование автоматики оружия. Падение силы защемления при смещении гильзы зависит от уменьшения натяга.
Под воздействием пороховых газов нижняя часть корпуса гильзы при выстреле испытывает значительную деформацию в осевом направлении вследствие «несвободного» выбора «зеркального» зазора и упругой осадки узла запирания [4]. Проверку прочности корпуса гильзы на возможность поперечного разрыва проводят для момент-ного участка. По результатам расчета получены графики распределения осевой деформации е2 (рис. 3). Кривая
Sz общ = f(z) скорректирована так, чтобы максимальное значение осевой деформации Sz max совпало с устойчивой деформацией 8у материала гильзы - алюминиевого сплава АМг5 в рассматриваемом сечении. Значение устойчивой деформации определено по зависимости [5] 8у = 0,118$, где 8,р - предельная до разрушения интенсивность деформации и составляет 4,3% (0,043), следовательно деформация не должна превышать эту величину, что подтверждается графиком.
Рис. 2. График распределения значений конечного зазора
Координата от лнл. мы
Рис. 3. Распределение деформации по сечениям
Образование продольных трещин на корпусе наиболее вероятно в начальный период функционирования гильзы при значительной разностенности корпуса, небольшом запасе пластичности материала корпуса, завышенном начальном зазоре До [4]. Продольная прочность обеспечена, если выполняется условие se max < 8у, где se max - максимальное значение тангенциальной деформации. Из построенного графика (рис. 4) видно, что в различных сечениях деформация не превышает предельно устойчивой равной 0,043.
Поперечные сечения от 0 до П
Рис. 4. График распределения тангенциальной деформации в расчетных сечениях корпуса гильзы
Таким образом, гильза из сплава АМг 5 при выстреле обеспечит необходимый натяг с усилием защемления (не более 50 кг), надежную обтюрацию пороховых газов и работу автоматики при экстракции. Расчеты показали достаточный запас прочности, что обеспечит отсутствие продольного и поперечного разрушения при функционировании патрона.
Штатная технология изготовления стальной гильзы включает операции вырубки кружка, свертки, четырех вытяжек с утонением, двух штамповок дна и двух обжимов. Для отработки начального этапа изготовления алюминиевой гильзы клб. 7,62 мм был проведен эксперимент, в ходе которого выполнялась операция вытяжки из плоской заготовки (свертки) на испытательной машине Shimadzu AG-X-1.
Рабочий инструмент свертки изготовлен по размерам, утвержденным штатной технологией изготовления стальной гильзы клб. 7,62 мм. Заготовка применялась диаметром Бо = 20,8 мм и толщиной = 3,2 мм. Эксперимент проведен при скорости деформирования V = 10 мм/мин с использованием графитовой смазки. В ходе испытания произошел отрыв дна из-за низких показателей пластичности материала (рис. 5, а).
Проведенное компьютерное моделирование методом конечных элементов показало, что на участках радиусного сопряжения стенки с дном значение интенсивности напряжений превышает предельно допустимое для сплава АМг 5 (рис. 6, а). Поэтому решено увеличить радиусы скругления рабочего инструмента (рис. 6, б), что по результатам моделирования позволило снизить интенсивность напряжений в опасном сечении до допустимого значения. Однако деформированная заготовка также разрушилась, но на более поздней стадии (рис. 5, б).
а б
Рис. 5. Результаты свертки гильзы из сплава АМг5 в заводском инструмента (а) и с увеличенными радиусами скругления (б)
Одним из путей устранения разрушения на вытяжках является увеличение количества операций, т.е. введение промежуточной вытяжки. Также, ее можно заменить подштамповкой по аналогии с производством артиллерийских гильз. Третий путь - применение фторорганических поверхностно-активных веществ, наносимых на поверхность твердого тела [6, 7]. В результате смазка лучше удерживается на поверхности, значительно снижается трение и формоизменение протекает с меньшей вероятностью потери устойчивости.
о;, МП а
I
I
а б
Рис. 6. Результаты распределения интенсивности напряжений на свертке в заводском инструмента (а)
и с увеличенными радиусами скругления (б)
Результаты экспериментальной проверки формоизменения кружка с применением подштамповки, снижающей нагрузки на последующей свертке, позволили получить полый полуфабрикат без образования трещин подтвердив правильность принятых технических решений.
Несмотря на то, что все перечисленные методы снижают технологичность изготовления гильзы, существенным преимуществом алюминия является отсутствие окалинообразования при нагреве до температуры рекристаллизации. Соответственно возможно сокращение общего количества операций примерно в 1,5 раза за счет химической обработки, что значительно упростит технологию и уменьшит время на изготовление гильзы.
Выводы.
1. В результате анализа химического состава алюминиевых гильз, был выбран сплав АМг 5 (ГОСТ 478497) с уменьшенным содержанием магния в сравнении с АМг 6 и достаточно высокой твердостью в исходном состоянии для обеспечения распределения твердости в заданных сечениях гильзы.
2. Для оценки прочности корпуса гильзы при функционировании были проведены расчеты конечного зазора между гильзой и каморой, поперечной и продольной прочности корпуса гильзы. Гильза при выстреле обеспечит необходимый натяг с усилием защемления, не превышающим 50 кг; обтюрацию пороховых газов и работу автоматики. Прочностные расчеты гильзы показали, что при выстреле продольного и поперечного разрушения не произойдет.
3. Для отработки технологии изготовления алюминиевой гильзы клб. 7,62 мм был проведен эксперимент, в ходе которого для устранения разрушения на операции вытяжки из плоской заготовки было принято увеличить количество операций путем введения подштамповки.
4. Результаты экспериментального исследования можно распространить на производство авиационных боеприпасов клб. 23 и 30 мм.
Список литературы
1. Лобов В.А., Юрченко Н.М. Технологическое обоснование применения алюминиевых сплавов для изготовления гильз к патронам стрелкового оружия // Труды XI ОМНТК «Молодежь. Техника. Космос». Т.2. СПб.: БГТУ, 2019. С. 280-284.
2. Лобов В.А. Проектно-технологическое обоснование применения сплава АМг5 для гильз авиационного вооружения // Сборник аннотаций конкурсных работ XIII Всероссийского межотраслевого молодежного конкурса научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики». М. Издательство Перо, 2021. С. 148-149.
3. Патент 2214483 РФ. Способ меднения алюминия / Ю.Я. Лукомский. Опубл. 20.10.2003. Бюл. №
4. Данилин Г.А., Огородников В.П., Заволокин А.Б. Основы проектирования патронов к стрелковому оружию; 3-е изд., испр. СПб.: БГТУ, 2017. 368 с.
5. Свердлов М.И. Основы проектирования орудийных гильз; Лен. мех. ин-т, 1962. 450 с.
6. Лобов В.А., Олехвер А.И., Ремшев Е.Ю. Разработка технологии изготовления тонкостенных дисковых электродов для резонансных разрядников // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч.1. С. 119-125.
7. Патент 2384600 РФ. Антифрикционная композиция, обладающая антиадгезионными и антикоррозийными свойствами, способ получения антифрикционного покрытия и применение композиции / А.В. Белов, О.Г. Агошков, К.А. Путиев, В.И. Ольховка, Л.А. Семенычева, И.А. Губарева Опубл. 20.03.2010. Бюл. №8.
Лобов Василий Александрович, канд., техн., наук доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
Фролова Екатерина Олеговна, ассистент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
MANUFACTURING METAL ELEMENTS OF SHOT FROM AMG5 ALLOY V.A. Lobov, E.O. Frolova
In the course of the work, an analysis of the use of aluminum alloy as a liner material was carried out, and strength calculations were performed for a liner made ofAMg5 alloy. The final gap was calculated, the strength of the body against longitudinal and transverse rupture was calculated, as well as the pinch force during extraction. A technological process for manufacturing a sleeve from aluminum alloy AMg5 was developed, experimental testing of the manufacturing technology was carried out, as a result of which recommendations were developed for improving the technological process based on the results obtained.
Key words: Sleeve, aluminum, strength, stamping, drawing, stamp.
Lobov Vasiliy Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov,
Frolova Ekaterina Olegovna, assistant, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov
УДК 621.983; 539.974
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-340-341
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВКИ ДЕТАЛИ «ПАЛЕЦ ШАРОВОЙ»
П.В. Романов, А.В. Харченко
В статье рассмотрены вопросы компьютерного моделирования процесса объемного деформирования предварительно вальцованной заготовки с целью получения поковки детали «Палей шаровой». Предварительная вальцовка цилиндрических заготовок применяется для придания оптимальной формы и перераспределения металла в осевом направлении. Оптимизированная заготовка способствует минимизации потерь металла, расходуемого на облой в открытых штампах. Проведенное моделирование позволило выявить влияние технологических параметров процесса, условий трения, высоты облойной канавки на напряженно-деформированное состояние поковки, силовые режимы операции. Показаны основные преимущества и недостатки предлагаемой технологической схемы.
Ключевые слова: открытая штамповка, силовые режимы, поковка, интенсивность напряжений, интенсивность деформаций.
Неотъемной частью любого автомобиля являются шаровые шарниры, используемые в подвеске и рулевом управлении. В связи с этим, к таким элементам предъявляются повышенные требования по прочности и износостойкости, т.к. они напрямую влияют на безопасную эксплуатацию транспортных средств. Как правило, для заготовок используются высококачественные конструкционные стали, позволяющие эксплуатировать данные узлы при высоких статических и ударных нагрузках. Использование технологии объемной штамповки способствует формированию оптимальной микроструктуры в теле поковки. Конструкция шаровой опоры и «палец шаровой» приведены на рис. 1.
Данная деталь может иметь различные типоразмеры и габариты. Основным способом получения деталей типа «палец шаровой» является получение поковок объемной штамповкой в открытых штампах из предварительно вальцованных заготовок с их последующей механической обработкой. При использовании открытой штамповки облой гарантирует заполнение полости штампа, но являясь технологической необходимостью, он одновременно увеличивает потери металла в отход, силу деформирования и требует введения дополнительной операции обрезки облоя. Способ штамповки в закрытых штампах (безоблойной штамповки) более экономичен, так как позволяет получить поковку с минимальной последующей обработкой резанием, но при изготовлении поковок типа «палец шаровой», как правило, не применяется, т.к. данное изделие имеет сложную конфигурацию [1-12].
340
