Новые технологии изготовления прецизионных трубчатых изделий с профилированной внутренней поверхностью Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.77.01

Ю Г. РОЗОВ

Херсонский национальный технический университет

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРОФИЛИРОВАННОЙ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

В данной работе предложен и реализован способ получения длинномерной трубчатой заготовки (ствольной заготовки) из короткой заготовки методом гидроэкструзии на подвижной гладкой оправке в среде высокого гидростатического давления. Предложены новые технологии получения прецизионной толстостенной трубчатой заготовки с внутренними винтовыми канавками на примере изготовления нарезного ствола с полигональным профилем:

- двухпроходный процесс, основанный на обжатии ствольной заготовки на профильной оправке неприводными роликами;

- прессование-волочение ствольной заготовки с профильной оправкой через гладкую коническую матрицу с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрирующему поясу без ограничения, с одно- и двусторонним ограничением течения металла по длине.

Впервые разработана основанная на использовании метода конечных элементов (МКЭ) методика определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) стволов стрелкового оружия с нарезной внутренней поверхностью разной формы, находящейся под действием внутренней статической и динамической нагрузки.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, метод конечных элементов, оправка, гидроэкструзия, гидростатическое давление, обжатие, волочение, коническая матрица, продольная стойкость, прочность.

YU. G. ROZOV

Kherson National Technical University

NEW TECHNOLOGIES MANUFACTURE OF PRECISION TUBULAR PRODUCTS WITH A

PROFILED INTERNAL SURFACE

Abstract

In this work, the method of production long-measuring tubular blank (barrel blank) from a short blank by hydrostatic extrusion on the smooth moving mandrel in the high-pressure medium is proposed.

We propose the new technologies for receive precision thick-walled tubular blank with inside screw groove by manufacturing rifled barrel with polygonal section:

- double-line process, based on crimping barrel blank on the profile mandrel by rolling (wire drawing) idle rollers;

- pressing-wire drawing of barrel blank with the profile mandrel through the smooth conic mould with the fixation (centering) of blank on parallel land without limitation and with limitation of flow of metal on length.

For the first time the method of detection VAT for barrels of small-arms with the inside rifled surface of various shape, situated under the influence of internal static and dynamic loading based on the use of FEM.

Keywords: computer simulation, finite element method, mandrel, hydrostatic extrusion, hydrostatic pressure, rolling-wire drawing, pressing-wide drawing, conic mould, longitudinal stability, deformation site.

Постановка проблемы

Толстостенные трубчатые изделия с прецизионными элементами внутреннего профиля (6...8 квалитет, при шероховатости 0.16...0.64 мм) достаточно широко применяются в машиностроении, приборостроении и изделиях специального назначения.

Типовым примером изделий специального назначения могут служить стволы артиллерийского и стрелкового оружия. Технология их изготовления предусматривает две стадии:

1. Получение глубокого отверстия с указанными геометрическими параметрами внутренней поверхности.

2. Получение на внутренней поверхности профильных элементов.

Каждая из них требует нескольких операций и специального оборудования.

Чаще всего канал в заготовке ствола производится по схеме: предварительное сплошное сверление, развёртывание, чистовое развёртывание. В качестве финишных операций применяют хонингование или протягивание, а в последнее время - электрохимическую обработку [1].

Большой научный и практический интерес представляет совершенствование процессов изготовления оружейных стволов методами пластической деформации по следующим основным причинам:

- в качестве материалов для изготовления стволов используются в основном конструкционные легированные высококачественные стали, такие как 30ХН2ФМА, 50РА и др., т.е. труднодеформируемые материалы;

- необходимость получения исходной длинномерной толстостенной трубчатой заготовки с глубоким отверстием необходимой точности при шероховатости поверхности 0.16.. .0.32 мм;

- канал оружейного ствола имеет высокую точность размеров и достаточно сложную геометрическую форму профильных элементов, образующих винтовую поверхность;

- эксплуатационные качества (баллистические характеристики) огнестрельного оружия напрямую зависят от качества внутреннего профиля оружейного нарезного ствола.

Однако, при изготовлении канала ствола методами, основанными на холодном пластическом деформировании металла, не всегда обеспечивается желаемое качество канала.

В целом, существующие методы профилирования ведущей части стволов не являются универсальными и имеют ряд существенных недостатков, среди которых можно выделить следующие:

- высокая трудоёмкость (механическая и электрохимическая обработка);

- необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования (шпалерование, радиальная ковка);

- наличие остаточных напряжений в стволе (дорнование);

- загрязнение экологии (электрохимическая обработка) и др.

Таким образом, вопрос создания новых нетрадиционных, высокопроизводительных методов изготовления высококачественных стволов стрелкового оружия (СО), основанных на пластическом деформировании металла, в настоящее время остаётся достаточно актуальным.

Формулирование цели исследования

Целью работы является развитие существующих и создание новых, научно обоснованных, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей, технологических процессов изготовления длинномерных трубчатых ствольных заготовок и стволов СО с оптимальным профилем внутренней поверхности ведущей части канала, основанных на холодном пластическом деформировании металлов.

Анализ последних исследований и публикаций

Разработка новых технологических процессов изготовления прецизионных трубчатых изделий методами холодной пластической деформации и проектирование необходимой для этого технологической оснастки невозможны без тщательного анализа НДС в очаге деформации, определения энерго-силовых параметров и прочностных расчётов рабочих инструментов.

Ввиду низкой пластичности ствольных сталей, традиционное холодное выдавливание не обеспечивает необходимой степени деформации без разрушений. Поэтому, для повышения пластичности сталей при холодном формообразовании изделий используют схемы выдавливания в условиях НДС всестороннего неравномерного сжатия при деформации в среде высокого гидростатического давления или гидропрессование (гидроэкструзию).

Рассмотрено получение методом гидроэкструзии длинномерных прецизионных трубчатых заготовок с заданным внутренним профилем:

- длинномерных трубчатых заготовок с глубоким гладким (цилиндрическим) отверстием

(ствольных заготовок);

- трубчатых заготовок с образующими профильных элементов, параллельными продольной оси;

- трубчатых заготовок с профильными элементами, образующими винтовую линию.

В результате анализа предложен и рассмотрен перспективный метод получения высокоточных трубчатых изделий с повышенными эксплуатационными свойствами (например, ствольных заготовок) методом гидропрессования на подвижной гладкой оправке [2-4].

Изложение основного материала исследования

Реализованная схема гидропрессования трубчатых заготовок с подвижной оправкой представлена на рис. 1.

Начальное положение, перед выдавливанием, отображено слева, а в процессе - справа от оси симметрии.

Бандажированный контейнер 1 установлен на плиту 5. Трубчатая заготовка 6 позиционируется фаской на конической кромке матрицы в контейнере. Дальше устанавливается оправка 4 и заливается рабочая жидкость. Верхняя коническая часть оправки обеспечивает уплотнение для исключения протекания жидкости. Сверху оправки устанавливается шток 2 с уплотнением 3.

К штоку прикладывается усилие Рд. Во время перемещения штока 2 сначала коническая часть оправки перекрывает отверстие заготовки, а далее рабочая жидкость в контейнере 1 сжимается, создавая гидростатическое давление на свободную поверхность заготовки. Заготовка вместе с оправкой проходит через отверстие в матрице, в результате получаем необходимый внутренний диаметр и чистоту поверхности заготовки.

Рис.1. Схема гидропрессования трубчатых заготовок на оправке

Анализ гидропрессования трубчатых заготовок из стали 30ХН2МФА с подвижной гладкой оправкой проводили МКЭ с использованием программного комплекса DEFORMTM-3D.

По результатам компьютерного моделирования было определено НДС изготовляемых деталей, необходимое гидростатическое давление, которое обеспечит деформирование в холодном состоянии для сталей 30ХН2МФА и 20Х17Н2 без разрушений (соответственно - 750 МПа и 700 МПа), конечную геометрию изделия, распределение удельных усилий на поверхности заготовки в месте контакта с инструментом, а также силовые параметры процесса.

Исходя из полученных данных компьютерного моделирования, был разработан технологический процесс получения ствольной заготовки и спроектирована оснастка для её изготовления путём гидроэкструзии в условиях высоких гидростатических давлений [5]. На основании этого было изготовлено штамповое оборудование и реализован процесс гидроэкструзии ствольных заготовок на гладкой подвижной оправке. Сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными расчётным путём, показало их совместимость в пределах 10 %, что подтвердило адекватность полученных расчётов.

Разработанная технология получения ствольных заготовок позволяет снизить себестоимость изготовления изделий и повысить продуктивность производства стволов СО. Это достигается путём исключения из технологического процесса методов получения заготовок на специальном оборудовании.

По результатам компьютерного моделирования показана возможность получения гидропрессованием на профильной оправке в среде высокого гидростатического давления фасонной внутренней полости трубчатой заготовки с образующими профильных элементов, параллельными продольной оси [6]. В то же время показано, что получить нарезной ствол с полигональным профилем поперечного сечения методом гидроэкструзии заготовки на профильной оправке при высоком гидростатическом давлении не представляется возможным из-за дополнительной деформации стенок профиля, обусловленной разными скоростями движения оправки и металла полуфабриката в очаге деформации.

Предложены новые технологии получения прецизионной толстостенной трубчатой заготовки с внутренними винтовыми канавками на примере изготовления ствола СО с полигональным профилем (рис. 2):

- двухпроходной процесс, основанный на обжатии ствольной заготовки по профильной оправке неприводными роликами [7];

- обжатие ствольной заготовки с профильной оправкой в гладкой конической матрице с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску по трём вариантам: без ограничения, с одно- и двухсторонним ограничением течения металла по длине [8].

Для формирования полигонального профиля внутренней поверхности ствольной заготовки, полученной методом гидропрессования в условиях неравноосного всестороннего сжатия, в работе использовался метод её обжатия после отжига на профильной оправке в неприводных роликах (валках). Четырьмя роликами создавалась волока (замкнутый калибр), через которую проталкивалась ствольная заготовка с профильной оправкой.

Данный процесс осуществляется за два прохода, так как ввиду неизбежного наличия зазора между роликами (валками) так называемых «выпусков», при однократном проходе получается огранка ствольной заготовки, для устранения которой требуется дополнительный второй проход с предварительным поворотом полуфабриката после первого прохода на 450 (рис. 3).

Рис. 3. Схема обжатия ствольной заготовки между роликами

Для изучения процесса профилирования внутренней поверхности ствольной заготовки, полученной обжатием по оправке неприводными роликами (валками), определения параметров НДС, усилий на ролики (валки) и крутящих моментов, знание которых необходимо для проектирования технологического устройства, использовался пакет прикладных программ DEFORMMT-3D на основе МКЭ.

Также проведено компьютерное моделирование процесса изготовления ствола с профилем полигонального типа проталкиванием-волочением ствольной заготовки с профильной оправкой через гладкую коническую матрицу (рис. 4) с помощью пакета прикладных программ DEFORM-3D, основанного на использовании МКЭ. Моделирование проводилось для обжатия в конической матрице с различными рабочими углами с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску без ограничения (сталь 30ХН2МФА), с одно- (сталь 30ХН2МФА и сталь 10) и двухсторонним (сталь 30ХН2МФА) ограничением течения металла по длине.

Рис. 4. Схема обжатия ствольной заготовки в конической матрице

Результаты анализа показали приемлемость использования предложенного способа для изготовления ствола с профилем полигонального типа проталкиванием-волочением ствольной заготовки с профильной оправкой через гладкую коническую матрицу без ограничения течения металла по длине заготовки и с односторонним ограничением. Найдено оптимальное значение рабочего угла конической матрицы при обжатии трубчатой заготовки в указанных процессах, которое составило 100.

Проведенные компьютерное моделирование и натурные эксперименты показали эффективность данных вариантов технологии изготовления стволов СО с полигональным профилем поперечного сечения.

Рассмотрена продольная устойчивость при осевом сжатии составного бруса, состоящего из цилиндрического стержня (оправки), вставленного внутрь цилиндрической трубы (заготовки), в области упругих и пластических деформаций для различных схем деформирования [9].

Рассматривая продольно-поперечный изгиб составного стержня «заготовка-оправка», получена

формула для определения силы Р, при которой происходит потеря продольной устойчивости бруса,

состоящего из цилиндрического стержня, вставленного внутрь цилиндрической трубы, в области упругих деформаций:

ркр _ Г1. ~

П Е

64(^1 )2

Б4 -

С3 а

пц (1)

Б

тср

пц

(б 4 - С4)

(1)

где: Е - модуль Юнга (принимаем Е]=Е2=Е, т.е. материал заготовки и оправки - сталь);

С2

аПЦ = Б 2 (аПЦ (1) аПЦ (2) )+аПЦ (2);

аПц(1)',&Пц(2) - пределы пропорциональности материалов внутреннего стержня и наружной

трубы;

1 - длина составного стержня;

VI - коэффициент приведения длины стержней;

С - диаметр оправки (внутренний диаметр трубчатой заготовки);

Б - наружный диаметр трубчатой заготовки.

Полученная формула отвечает граничным условиям (при С=0; ё=Б совпадает с формулой Эйлера для определения критической силы для сплошного бруса).

Выражение (1) позволяет вывести формулу для определения гибкости составного бруса. Учитывая аналогию со стержнем сплошного сечения диаметром Б, запишем выражение для определения радиуса инерции сечения составного бруса:

/ = Б п -

С3 а

пц (1)

(

4

Б3

тср

' пц

1 -

Б4

4 Л

Тогда гибкость составного бруса может быть определена по формуле:

л = -

Ь 1 -

(3 а

пц (1)

Ь3

тср

пц

1-

4 Л

(2)

Формула (2) позволяет определить гибкость бруса, состоящего из цилиндрического стержня, вставленного внутрь цилиндрической трубы, например, с целью сравнения с предельной гибкостью.

По аналогии определена величина критической силы при напряжениях, превышающих предел пропорциональности, т.е. когда в стержнях возникают пластические деформации (гибкость составного бруса меньше предельной), т.е. в области пластических деформаций:

р кр =

1 £(ии)

л2 Е

V )2

Ь 4 _ ( апЦ (1)

Ь3 аср

^ и пц

(р 4 _ (4)

16

(а _8тасо8а)_в2(а_8та)

Ь(Ь _ 2в)

(3)

где

1

е = — 2

Ь _

а3 а

пц (1)

Ь

3 аср

а = 2 агссо8

1 _

пц

(3 а

Ь _ ((3

Ь2

пц (1)

Ь3 а

пц

1 _

Ь4

а=п-

а 1800

Результаты анализа, проведенные расчёты и натурные эксперименты подтвердили тот факт, что при обжатии в конической матрице и неприводными роликами с проталкиванием, при длине ствола, превышающей некоторое критическое значение, возможна потеря продольной устойчивости ствольной заготовки вместе с оправкой в области как упругих, так и пластических деформаций. Наиболее благоприятным, с точки зрения предотвращения потери осевой (продольной) устойчивости, может быть принято обжатие в роликовой волоке и в конической матрице по схеме волочения.

С помощью современных методов расчёта стволов СО была проведена проверка эффективности новых технологий их изготовления [10,11].

Впервые разработана методика определения НДС стволов СО с нарезной внутренней поверхностью различной формы, находящихся под воздействием внутреннего статического и динамического нагружения, основанная на использовании МКЭ. Данный расчёт был проведен с использованием компьютерной программы ANSYS.

Проведен расчёт параметров НДС ствола и оболочки пули при их взаимодействии в процессе выстрела. Рассматривалось динамическое взаимодействие пули с внутренней профилированной поверхностью ствола пистолета-пулемёта нарезного и полигонального типа. Анализ был проведен с использованием компьютерной программы ANSYS/LS-DYNA.

Выводы:

1. Впервые разработаны и опробованы новые технологии изготовления стволов СО из труднодеформируемых ствольных сталей методами холодного пластического деформирования (две стадии), исключающие недостатки, присущие традиционным способам получения изделий:

_ получение длинномерной трубчатой заготовки гидропрессованием на подвижной гладкой оправке в среде высоких гидростатических давлений (получение ствольной заготовки необходимой длины из короткого полого толстостенного полуфабриката); _ профилирование внутренней полости трубчатой заготовки обжатием ствольной заготовки с

профильной подвижной оправкой в гладкой конической матрице и неприводными роликами (изготовление ведущего участка ствола с полигональным профилем поперечного сечения).

2. На основании проведенного анализа продольной устойчивости составного бруса, состоящего из цилиндрического стержня (оправка), вставленного внутрь цилиндрической трубы (ствольная заготовка), впервые определены критические значения осевой силы (силы проталкивания), длины составного бруса и благоприятные схемы обжатия в конической матрице и неприводными роликами, с точки зрения предотвращения потери осевой (продольной) устойчивости ствольной заготовки вместе с оправкой. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена экспериментально.

3. С целью проверки эффективности новых технологий изготовления стволов СО, разработана уникальная методика определения НДС стволов с нарезной внутренней поверхностью различной формы, находящихся под воздействием внутреннего статического и динамического нагружения. Созданы конечно-элементные модели взаимодействия ствола СО с нарезами различной формы и пули при

ср

выстреле. Компьютерное моделирование подтвердило преимущества полигонального профиля с точки зрения динамики и прочности ствола.

Список использованной литературы

1. Туктанов А. Г. Технология производства стрелково-пушечного и артиллерийского оружия / А.Г. Туктанов. - М. : Машиностроение, 2007. - 375 с.

2. Розов Ю.Г. Конечно-элементное моделирование процесса изготовления ствольных заготовок гидроэкструзией в среде высоких гидростатических давлений. „Обработка материалов давлением". Сборник научных трудов. - №1 (34) - 2013. - С.18-22. (г. Краматорск, Донбасская государственная машиностроительная академия).

3. Розов Ю.Г. Конечно-элементное моделирование процесса изготовления прецизионных трубчатых изделий из стали 20Х17Н2 гидропрессованием на гладкой оправке. Труды VII Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии», посвящённой 50-летию Карагандинского государственного индустриального университета. Т. 2, 11 - 12 октября 2013 г., г. Темиртау. - С. 63-68.

4. Розов Ю.Г., Шманов В.В., Шкарлута Д.Б. Аналiз технологи виготовлення трубчатих виробiв iз сталi 20Х17Н2 пдропрессуванням на гладкш оправщ // Вкник НТУУ «КП1». Машинобудування. 2012. - №64. - С.234-238.

5. Розов Ю.Г. Проектирование оснастки и технологии изготовления ствольных заготовок методом гидроэкструзии на гладкой подвижной оправке. „Обработка материалов давлением". Сборник научных трудов. - №2 (35). - 2013. - С.106-109. (г.Краматорск, Донбасская государственная машиностроительная академия).

6. Розов Ю.Г. Конечно-элементное моделирование гидроэкструзии прецизионных трубчатых изделий с заданным внутренним профилем. Сборник научных трудов международной научной конференции «Интеллектуальные системы принятия решений и проблемы вычислительного интеллекта (^МС1'2012)», 20-23 мая 2013 г. Евпатория, Украина

7. Стеблюк В.1., Орлюк М.В., Розов Ю.Г., Шкарлута Д.Б., Напружено-деформований стан заготовки при внутршньому профiлюваннi волочшням неприводними роликами. Доповщь Х11 М1жнародно! науково-практично! конференци «Прогресивна техшка i технолопя - 2011", 20-24 червня 2011 р. м. Ки!в - м. Севастополь, Укра!на.

8. Розов Ю.Г. Конечно-элементная модель волочения трубчатой заготовки на профильной оправке в конической матрице. Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - 2013. - №3. (г. Магнитогорск, Россия, Магнитогорский государственный технический университет, 2013 г.)

9. Розов Ю.Г. Оценка продольной устойчивости при обжатии трубчатой заготовки на оправке в операциях ОМД. Тезисы докладов IV международной научно-технической конференции «Теоретические и практические проблемы в обработке материалов давлением и качестве специального образования», 14-17 мая 2013 г., Киев, Украина, С. 90-91.

10. Розов Ю.Г., Стеблюк В.И., Сидоренко Ю.М., Шкарлута Д.Б. Оценка влияния профиля канала ствола на прочность СО // Артиллерийское и стрелковое вооружение. Международный научно-технический журнал. - 2012. - №1. - С. 35-39.

11. Розов Ю.Г., Стеблюк В.И., Сидоренко Ю.М., Шкарлута Д.Б. Динамическое взаимодействие пули и внутренней поверхности ствола с полигональным профилем // Артиллерийское и стрелковое вооружение. Международный научно-технический журнал. - 2012. - №2. - С. 31-36.