CC BY
49
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.098.044
Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко
ОГНЕВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, и.о. директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет). E-mail: yuoognev@yandex.ru
БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - зам. директора по НИР и развитию филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет).
ДЕНИСЕНКО ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - профессор кафедры самолето- и вертолетостроения филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет), управляющий директор ОАО ААК «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина (г. Арсеньев).
РАЗВИТИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МЕТОДОВ ШТАМПОВКИ
Дан анализ применения высокоскоростных методов формообразования материалов в машиностроении, в том числе по обработке с использованием энергии взрыва заряда бризантного взрывчатого вещества, электрогидравлического эффекта, детонации пороховых, газовых смесей и расширения сжиженных газов. Показаны особенности создания и отработки технологического процесса высокоскоростной рихтовки тонкостенных панельных и корпусных отливок фюзеляжа и плоскостей беспилотных летательных аппаратов, полученных принципиально новым методом литья - выжиманием. Показаны варианты использования технических решений, данные исследований, проведенных сотрудниками филиала ДВФУ в г. Арсеньеве и заводскими специалистами-практиками авиационного ААК «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина, а также данные НИОКР этого же предприятия. Новизна материала заключается в том, что в нем изложена теория работы и технологические приемы, применяемые в серийном производстве авиатехники.
Ключевые слова: матрица, газовая детонация, взрывчатые вещества, электрогидравлический эффект, фюзеляж, плоскость крыла.
The development of high-speed stamping methods. Yrij F. Ognev, Oleg Sh. Berdiev, Yrij P. Denisenko - Branch in Arsenyev (Far Eastern Federal University).
The article deals with the high-speed shaping methods applied in mechanical engineering which include: processing with the explosive energy of brisant explosive material, electro hydraulic effect, powder and gas mixture detonation, and liquefied gas expansion. It presents the peculiarities of the manufacturing method of high-speed alignment applied when casting thin-walled fuselage body and aircraft planes, the method being a basically new one, that of pressing out. It offers the var-
© Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П., 2012
iants of manufacturing solutions and research data obtained by the workers of the Arsenyev Branch, Far Eastern State University as well as the plant specialists of the N. I. Sazykin Aviation Co. Progress, the town of Arsenyev. The material is innovative for its theoretic aspects and know-how methods applied in series production of aircrafts.
Key words: matrix, gas detonation, explosives, electro hydraulic effect, fuselage, plane.
Применение эффекта взрыва с быстрым преобразованием порции газа, твердого или сыпучего вещества в высокоскоростной поток большого количества расширяющихся паров и газов имеет давнюю историю, со времени изобретения в Китае пороха, который относится к метательным взрывчатым веществам (ВВ).
Исторически первыми экспериментами применения энергии взрыва в обработке металлов тоже были военные операции по контактным взрывам, когда заряд бризантного взрывчатого вещества (БВВ) накладывается непосредственно на поверхность металлической или иной конструкции для ее разрушения.
Нечто подобное применялось в США в конце XIX в. для специальных экспериментальных зарядов бризантного взрывчатого вещества, у которых на контактной наружной поверхности заранее изготавливался определенный профиль (в виде некоторой объемной графической фигуры), а после проведения контактного взрыва (в англоязычной терминологии - удара) на поверхности заготовки (металлической плиты) образовывался зеркальный отпечаток профиля контактной поверхности заряда БВВ.
Авиакосмическая отрасль промышленности, тяжелое машиностроение, энергооборудование атомных станций и судостроение являются областью наиболее интенсивного применения полимерных композиционных материалов (ПКМ), поэтому вполне обоснованно многими специалистами наше время именуется «веком композитов».
В то же время в летательных аппаратах (ЛА) продолжает использоваться широчайшая номенклатура металлических деталей из черных и цветных сплавов. Причем с каждым годом эти материалы имеют тенденцию только к наращиванию прочностных характеристик, увеличению жаропрочности и коррозионной стойкости, что существенно усложняет процессы и приемы их формообразования стандартными методами, на оборудовании и оснастке традиционного заготовительно-штамповочного производства (ЗТТТП)
Решение возникших проблем возможно с применением высокоэнергетического деформирования, которое в настоящем случае следует рассматривать даже не как метод приложения больших мощностей, поскольку последние не являются той определяющей характеристикой, которая отличает новые технологические процессы деформирования от обычных, так называемых статических, процессов машинного или прессового формообразования.
Совершенно очевидно, что вопрос о роли высокоскоростного деформирования в разрешении производственных проблем, стоящих перед ЗШП, весьма сложен. Мнения специалистов-штамповщиков и материаловедов зачастую диаметрально противоположны, поскольку одни полагают высокоэнергетическое деформирование некой панацеей для ЗШП, а их оппоненты, напротив, считают, что оно не оправдало надежд.
Взвешенная оценка истинного положения вещей показывает, что ни одно из крайних суждений не верно. Обычные методы в ЗШП сохраняют свою важную роль [2, 3] и вряд ли могут быть заменены новыми методами, кроме тех случаев, когда современные материалы, жесткие допуски и весьма большие размеры деталей и сборных узлов предъявляют к обычным
методам деформирования, оборудованию и формообразующей оснастке требования, превышающие их возможности.
Если же обратиться к скоростям процессов, то один из самых быстроходных механических молотов усилием 227 000 кг может выделить 118 000 кгм энергии в момент удара при скорости 9,1 м/с. Процессы же высокоскоростного деформирования материалов обеспечивают в первую очередь высокие скорости преобразования энергии, что ведет к резкому возрастанию кинетической энергии в соответствии с классической формулой Е = mv2 /2. Именно в этом и проявляется основное отличие высокоскоростного деформирования (специалисты-штамповщики его называют «жидкотекучим») от традиционных способов формообразования металлов, т.е. штамповки деталей с применением энергии взрыва. Иными словами, при высокой скорости деформирования металлическая заготовка уже не изменяет форму под механическим воздействием, а с высокой скоростью «растекается» в формообразующей полости штам-повой оснастки.
Схема штамповки взрывом достаточно проста и едина для всех высокоскоростных методов (см. рис. 1-5). Взрыв заряда БВВ, электрический разряд между двумя электродами, навески порохового заряда, порции горючего газа производятся в объеме рабочей передаточной среды (жидкость, газ или сыпучий материал) над заготовкой, установленной в формообразующей полости инструмента. Иногда это и впрыск порции сжиженного газа над формообразующей полостью оснастки. Причем из самой формообразующей полости непременно должен быть удален воздух, который при быстром движении заготовки вовнутрь формообразующей полости может, при скоростном сжатии воздуха, привести к значительному разогреву последнего и получению дефектов на «теле» заготовки.
Истории штамповки взрывом известен факт использования энергии БВВ для металлообработки (при чеканке) американцем Ц.Е. Монро в 1888 г. Применимость электрогидравлической штамповки (ЭГШ), где ударные волны высокой интенсивности получают разрядом аккумулированной электрической энергии в жидкости, в 1936 г. предсказал другой американец, С.Ж. Сьютс. Тем не менее необходимо указать, что приоритет применения ЭГШ принадлежит отечественному изобретателю Л.А. Юткину. Возможно, это один из тех немногих случаев, когда россиянин вовремя закрепил свои права на изобретение. Следует отметить, что ЭГШ легко встраивается в существующие схемы и процессы ЗШП.
В ракетостроении штамповка взрывом более развита, нежели в «чистом» самолетостроении, поскольку в первом случае более широко применяются труднодеформируемые новые материалы и сплавы. Также в самолетостроении расширению применяемости штамповки взрывом препятствует чрезмерная осторожность и нежелание менеджеров включать в заводское производство способы, требующие использования ВВ и мощных электрических зарядов. Расширению применяемости штамповки взрывом препятствуют лучшая приспособленность традиционных способов к крупносерийному производству, отсутствие четких отечественных практических данных, подтверждающих экономичность штамповки взрывом. Этот метод жизнеспособен только в том случае, если с его помощью окажется возможным получать детали более дешевые при одинаковом или лучшем качестве и стоимости по сравнению с обычными методами, или же тогда, когда взрывом возможно изготовить детали, какие не могут быть изготовлены традиционными способами.
Рис. 1. 1 - матрица, 2 - передающая среда (вода), 3 - заготовка кольцевая, 4 - заряд БВВ, 5 - детонатор
Рис. 2. 1 - матрица, 2 - заготовка кольцевая, 3 - передающая среда (вода), 4 - матрицедержатель пресс-пушки, 5 - боек пресс-пушки, 6 - патрон (навеска пороха)
4
Рис. 3. 1 - матрица, 2 - заготовка кольцевая, 3 - передающая среда (вода), 4 - электрод
слив воды
сжиженныи газ
Рис. 4. 1 - заготовка кольцевая, 2 - мат- Рис. 5. 1 - среда передающая (вода), рица, 3 - трубка детонационная газового 2 - заготовка кольцевая, 3 - матрица, пресса 4 - крышка матрицы
Такие случаи известны. Так, А.А. Губский изготавливал в 60-х годах прошлого столетия сфероидальные днища диаметром более 12 м и в качестве передаточной среды применил не традиционную воду, а сыпучую среду из песка и грунта. Для авиационного производства в 1970-х годах был отработан процесс рихтовки и калибровки крупногабаритных тонкостенных оребренных, в том числе монолитных панелей [9]. Широко применяется бетонная штам-повая оснастка, плакированная полимерами и металлом, деревянная и даже из оледеневшей воды с армированием опилками и обрезками досок.
Большой вклад в промышленное применение штамповки взрывом и других методов высокоскоростного деформирования материалов внесен коллективом кафедры технологии Харьковского авиационного института и ее руководителем Р.В. Пихтовниковым, которого считают родоначальником практического применения нового процесса в авиа- и машиностроении.
Рабочий импульс в высокоскоростном способе задается разрядом электротока, детонационным дроблением заряда БВВ или сгоранием порции метательного вещества (порохового заряда), а также при быстром нагревании сжиженного газа. Для защиты цеховых сооружений взрывные работы проводят в бронеямах, бронекамерах и вакуум-камерах, подземных бассейнах (рис. 6), наземных бассейнах, например напольных (рис. 7), или с помощью портальных установок (рис. 8). В двигателестроении зачастую применяются пороховые пресс-пушки либо детонационные прессы, где рабочий импульс задается подрывом порции горючего газа.
Рис. 6. 1 - заготовка листовая, 2 - шабот железобетонный, 3 - пневмозащита донная, 4 — коллектор сжатого воздуха, 5 - завеса воздушная (пузырьковая), 6 - защита резиновая листовая, 7 - оболочка металлическая, 8 - наполнитель (керамзит, пемза, пенобетон), 9 - стакан железобетонный
Рис. 7. 1 - заготовка листовая, 2 - струи гидрозащиты, 3 - среда передающая (вода), 4 - заряд БВВ, 5 - матрица, 6 - коллектор струйной защиты
Рис. 8. 1 - заготовка листовая, 2 - матрица, 3 -передающая среда (вода), 4 - заряд БВВ, 5 -приемник выплеска воды, 6 - рама портальной установки, 7 - амортизатор (а.с. 574887)
Рис. 9. 1 - жгуты эластичные для герметизации стыка (а.с. 466701, а.с. 611351), 2 - патрон взрывной (а.с. 797126), 3 - масса присоединенная, 4 - заряд линейный, 5 - прижим винтовой, 6 - кольцо прижимное, 7 - заготовка листовая, 8 - матрица из трубчатых элементов (а.с. 743267), 9 - втулка узла вакуумирования (а.с. 698221), 10 - панель литая оребренная с технологическим заполнителем (а.с. 1248115)
В авиационном производстве «Прогресса» вместо так называемых разовых бассеИнов применялось собственное изобретение [4] в виде мерного пленочного пластикового рукава. Для этого перед проведением подрыва в рукав заливалась вода. С обеих сторон он плотно перевязывался шпагатом, а по оси рукава располагался шнуровой заряд из детонирующего шнура. Вся сборка накладывалась на заготовку, а сверху на рукав накладывали еще и лист толстой резины, и таким образом (при взрыве) создавался эффект «присоединенной массы» (рис. 9).
Из полости матрицы под заготовкой обязательно необходимо удалять воздух, поскольку при высокоскоростном сжатии он сильно разогревается и способен прожечь заготовку. Поэтому его из полости матрицы предварительно откачивают, что, в свою очередь, требует применения тщательной герметизации стыка заготовки и матрицы. Обычно герметизация указанного стыка производится либо густым слоем смазки, либо эластичным жгутом круглого или квадратного сечения, расположенным в кольцевой канавке матрицы по периметру стыка.
Также для этих целей применялись и другие собственные изобретения [10, 13]. Профильные эластичные жгуты позволяли производить герметизацию стыка даже на крупногабаритных матрицах с явным и значительным «неприлеганием» (неплотным контактом заготовки с формообразующей оснасткой).
Удаление воздуха из полости матрицы производится и предварительным вакуумиро-ванием, но при этом диаметр отверстия со стороны полости оснастки должен быть меньше толщины заготовки, иначе при ударном соприкосновении заготовки неизбежен ее дефект.
Однако сверление отверстий малого диаметра в массивной оснастке - довольно сложная проблема, поэтому при изготовлении каналов вакуумирования применялось изобретение одного из авторов статьи [12].
Для сокращения сроков подготовки производства была разработана конструкция матрицы из трубчатых элементов [11], а защитные функции от воздействия взрыва исполняла мобильная портальная установка [1].
Для формообразования крупногабаритных оребренных крыльевых монолитных панелей из алюминиевого сплава потребовался процесс заливки ячеек панели вязким пластическим материалом, для этого применялось поршневый насос [8]. Для последующей механической обработки отрихтованной панели (отливки) и фрезерования в ней базовых плоскостей и фигурных, в том числе «глухих», отверстий разработан специальный инструмент для фрезерования отверстий различной конфигурации [6], а для окраски крыльевых элементов, собранных из полученных отливок при помощи малярного роботизированного комплекса, применена воздушная завеса защиты системы опознавания - своеобразных «глаз» робота-манипулятора [5].
Проведенные работы позволили применить рациональные методы и подходы при покупке современного оборудования, проектировании и изготовлении формообразующей оснастки, освоении нескольких технологических процессов, в том числе для рихтовки и правки тонкостенных отливок, что в современном авиастроении развито недостаточно.
Полученные научные и практические результаты исследований в серийном авиационном производстве опубликованы в специальных изданиях [7, 14].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амортизатор: авторское свидетельство СССР на изобретение № 574887, В 21 D 26/06, УДК 621.98.044 (088.8). Абдулин Ф.З., Бердиев О.Ш. Заявл. 11.09.74.
2. Бердиев О.Ш. Обзор зарубежного опыта импульсного формообразования металлов // Качество, надежность и эффективность процессов машиностроительного производства: сб. науч. тр. Арсеньев, 2007. Вып. 4. С. 79-85.
3. Бердиев О.Ш. Развитие импульсной штамповки на ААК «Прогресс» // Качество, надежность и эффективность процессов машиностроительного производства: сб. науч. тр. Арсеньев, 2007. Вып. 4. С. 89-93.
4. Взрывной патрон: авторское свидетельство на изобретение № 797126 СССР: М.Кл. В2Ш26/08, УДК 621.7.044.2 (088.8). Молодых С.И., Сабакарь А.И., Кириченко Л.Р., Бердиев О.Ш. Заявл. 27.07.79.
5. Воздушная завеса: авторское свидетельство СССР на изобретение №1340285. УДК 697.92 (088.8). Бердиев О.Ш., Белов А.И., Игнатьев Б.Н.
6. Инструмент для фрезерования отверстий различной конфигурации: авторское свидетельство СССР на изобретение № 1206022, приоритет от 15.12.83, опубликовано 23.01.86. Бюл. №3. В 23 В 51/05; В 23 D 45/00, УДК 621.914.02 (088.8). Бердиев О.Ш., Белов А.И., Павлов А.Е., Голубь П.И., Игнатьев Б.Н.
7. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Интенсифицированные схемы процессов штамповки // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. 5 Меж-дунар. науч. конф., Липецк, 29 октября 2011. Липецк: Изд. центр «Гравис», 2011. 184 с.
8. Поршневой насос: авторское свидетельство на изобретение СССР № 626244, F 04В 19/22 / О.Ш. Бердиев, Н.Ф. Бердиева. Заявл. 07.04.75; опубл. 30.09.78, Бюл. № 36.
9. Способ штамповки оребренных панелей: авторское свидетельство СССР на изобретение № 1248115, приоритет от 28.01.83 / О.Ш. Бердиев, Н.Ф. Савченко, С И. Молодых, П.П. Воробьев, А.П. Подопригора.
10. Устройство для импульсной штамповки: авторское свидетельство на изобретение СССР 611351, М.Кл.2 В21 D 26/08 / О.Ш. Бердиев. Заявл. 10.11.72.
11. Устройство для импульсной штамповки крупногабаритных деталей: авторское свидетельство СССР на изобретение 743267, В21 Д 26/08. Н.Ф. Савченко, С.П. Турчин, Н.И. Суровцев, О.Ш. Бердиев, Н.Н. Гончаров. Заявл. 12.04.78.
12. Устройство для обработки металлов давлением: авторское свидетельство СССР на изобретение 698221, В21 D 26/06 / О.Ш. Бердиев, В.А. Яцуценко Заявл. 04.09.74.
13. Устройство для штамповки импульсными нагрузками: авторское свидетельство СССР на изобретение 445701, В 21 D26/08 / О.Ш. Бердиев, С.И. Подгорный. Заявл. 05.02.73.
14. Ognev Y.F., BerdievO.Sh., Denisenko Y.P. The development of parts pressing process by explosion // Modern materials and technologies 2011: Intern. Russian-Chines symp.: Proceeding. Khabarovsk: Pasific Nat. Univ., 2011. 485 p.
