CC BY
19
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^oHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepwHapHoi" Megw^HM Ta öioTexHo^oriw iMeHi C.3. I^M^Koro.
Cepia: XapnoBi TexHo^orii
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. Series: Food Technologies
ISSN 2519-268X print
https://nvlvet.com.ua/index.php/food doi: 10.32718/nvlvet-f9120
UDC 621.9.048.6
Development and modeling of a device for strengthening the channels of gun barrels by the method of vibration-centrifugal processing
V.I. Topchii, I.S. Aftanasiv, I.G. Svidrak
National University "Lviv Polytechnic", Lviv, Ukraine
Article info
Received 04.02.2019 Received in revised form
04.03.2019 Accepted 05.03.2019
National University "Lviv Polytechnic", S. Bandera Str., 12, Lviv, 790013, Ukraine. Tel.: +38-066-229-50-87 E-mail: Vladyslav.I. Topchii@lpnu. ua svidrak99@gmail. com, Ivan.aftanaziv@gmail.com
Topchii, V.I., Aftanasiv, I.S., & Svidrak, I.G. (2019). Development and modeling of a device for strengthening the channels of gun barrels by the method of vibration-centrifugal processing. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. Series: Food Technologies, 21(91), 118-123. doi: 10.32718/nvlvet-f9120
The paper proposes a fundamentally new method of vibration-centrifugal hardening of internal cylindrical surfaces of long-length steel parts, in particular artillery guns, belonging to a group of methods of surface plastic deformation, and is characterized by providing a .significant level of energy for deformation of the material being processed. Artillery cannons, along with a system for targeting shooting guns, are perhaps the most responsible component, which not only provides range and accuracy of the aiming shot, but also regulates the durability of the gun in general. During each of the gun shots, the surface layers of the metal of the channel of its trunk are exposed to the destructive effects of high (up to 10000 °C) temperatures, the chemical action of powder gases, excessive pressures and mechanical wear on the movement of the shell. This leads to the destruction of the structure, strength and density of the metal surface layers, its burning and wear, which in the rest, leads to violations of the geometry of the working surface of the trunk channel. Violation of the geometry of the working surface of the channel of the gun barrel negatively affects the range, and most importantly, the precision of gunfire and other precision related tactical and technical characteristics of gun armament. Excessively worn internal working surface of the canal of the trunk of repair and restoration is practically not subject. This determines the availability of such characteristics for cannon weaponry as the permissible number of gunfire shots, which to a certain extent limits the duration of the effective use of guns. A rather common practice in mechanical engineering is that when the strength characteristics and capabilities of the materials used are practically exhausted, designers and developers draw their views on the technological capabilities to improve the operational properties of parts and units. Not the last position in their list is the reinforcing operations of the surface layers of the material of the details by various methods of surface plastic deformation, widely known in the literary primary sources under the acronym "PPE methods ". The common advantage of the best of a fairly wide variety of varieties (rolling, rolling, smoothing, blasting and vibrating processing, etc.) is that, without substituting the part for energy-intensive high-temperature heating, the strength characteristics and performance properties of the most loaded surface layers of the material of parts are improved. Accordingly, the use in manufacturing processes of the details of PPD methods helps to increase their reliability and longevity. The developed design of the reinforcement on the basis of the proposed method of vibration-centrifugal hardening treatment is used to strengthen the internal cylindrical channels of the trunk of large-caliber artillery cannons. The reinforcement is simple in structure, energy-saving, does not provide for the maintenance of highly skilled service personnel. The solid-state model of the device for the vibration-centrifugal hardening of the internal cylindrical surfaces of steel parts has been created.
Key words: hardening, surface plastic deformation, residual stresses, thickness of reinforcement, steel part, gun barrel, deformable body, solid-state modeling, animation.
Розробка та моделювання пристрою для змщнення канал1в стволiв гармат методом вiбрацiйно-вiдцентровоl обробки
В.1. Топчш, 1.С. Афтаназiв, 1.Г. Свщрак
HayKoßrf вкник ЛНУВМБ iмeнi С.З. Тжи^^го. Сepiя: XapHoßi тexнoлoгiï, 2G19, т 21, № 91 Нацюналъшй унгвер^тет "Лъвiвcъкa noлimеxнiкa ", м. Лъв1в, Украша
Уpo6omi nрonoнyemъcя nрuнцunoвo ндвый меmoд вiбрaцiйнo-вiдценmрoвoï змiцнювaлънoï o6po6кы внутрштх цuлiндрuчнux no-верxoнъ дoвгoмiрнux cmaлевux деталей, зoкремa cmвoлiв aрmuлерiйcъкux гармат, щo нaлежumъ дo грynu меmoдiв noверxневoгo nлacmuчнoгo дефoрмyвaння i вuрiзняemъcя забе-этченням знaчнoгo рiвня енергп дефoрмyвaння oбрoблювaнoгo мamерiaлy. Сmвoлu aрmuлерiйcъкux гармат, тряд iз cucmемoю наведення nрuцiлънocmi cmрiлъбu, e чu не нaйвiдnoвiдaлънiшoю cклaдoвoю, яка не ттъ-ш забетечуе дaлънicmъ та moчнicmъ nрuцiлънoгo nocm\рщ>, a i регламентуе дoвгoвiчнicmъ гaрмamu зaгaлoм. Шд чac кoжнoгo з т^ршв гaрмamu noверxневi nрoшaркu металу каналу ïï cmвoлa тддаютъея а^тт^му ру/пшв^му втту вucoкux (дo 1000 °С) темнератур, хмчтй дп noрoxoвux гaзiв, нaдвucoкux mucк1в та мехатч^му з^шуванню вiд шремщення no cmвoлy cнaрядy. Це зyмoвлюe руйнування cmрyкшyрu, мiцнocmi та щiлънocmi металу noверxневux nрoшaркiв, йoгo вталювання та зшшування, щo врешmi nрuзвoдumъ дo трушенъ геoмеmрiïрoбoчoï тверхш каналу cmвoлa. Пoрyшення геoмеmрiïрoбoчoï тверхш каналу cmвoлa гaрмamu негатшт вттае на дaлънicmъ, а гoлoвне - moчнicmъ nрuцiлънoï cmрiлъбu та тшш тв 'язанш iз moчнicmю maкmuкo-mеxнiчнux xaрaкmерucmuк гaрмamнoгo oзбрoeння. Haдмiрнo знoшенa внутршня рoбoчa тверхня каналу cmвoлa ремюнту та вiд-wвленню nрaкmuчнo не тдлягае. Це i oбyмoвлюe наявнктъ для гaрмamнoгo oзбрoeння ma^ï xaрaкmерucmuкы, як дonycmuмa ктъ-кктъ nocmрiлiв nрuцiлънoï cmрiлъбu, щю швшю мiрoю oбмежye тртал^тъ ефекmuвнoгo вuкoрucmaння гармат. Дoвoлi рoзnoвcю-джешю nрaкmuкoю в мaшuнoбyдyвaннi е те, щo кoлu мщнкш xaрaкmерucmuкu та мoжлuвocmi вuкoрucmoвyвaнux мamерiaлiв nрaкmuчнo вuчерnaнo, кoнcmрyкшoрu та рoзрoбнuкы звертаютъ cвoï noглядu у бк mеxнoлoгiчнux мюжлuвocmей ^л^шення екеклу-ama^rnux влacmuвocmей деталей та вyзлiв. Не oc-танню noзuцiю у ïxнъoмy гюрел^ т^аютъ змщнювалъш onерaцiï noверxневux nрoшaркiв мamерiaлy деталей рiзнoмaнimнuмu меmoдaмu noверxневoгo nлacmuчнoгo дефoрмyвaння, шuрoкoвiдoмi у лimерamyрнux nершoджерелax тд aбревiaшyрoю "меmoдu ППД". Сniлънoю nеревaгoю крaщux iз дoвoлi шuрoкo'ï кoгoрmu ïx рiзнoвuдiв (накату-вання рoлuкoм, карбування, вuглaджyвaння, дрoбocmрyменевa та вiбрoзмiцнювaлънa oбрoбкu moщo) е те, щo, не niддaючu деmaлi енергoзamрamнoмy вucoкomемnерamyрнoмy нaгрiвaнню, noлinшyюmъ тщ^тм xaрaкmерucmuкы та екcnлyamaцiйнi влacmuвocmi нaйнaвaнmaженiшux ^верхневт nрoшaркiв мamерiaлy деталей. Вiдnoвiднo вuкoрucmaння в mеxнoлoгiчнux ^o^cax вuгomoвлення деталей меmoдiв ППД cnрuяe niдвuщенню ïx нaдiйнocmi та дoвгoвiчнocmi Рoзрoбленa кoнcmрyкцiя змщнювача на ocнoвi зanрono-нoвaнoгo меmoдy вiбрaцiйнo-вiдценmрoвoï змiцнювaлънoï oбрoбкы зacmocoвaнa для змщнення внутргшна цuлiндрuчнux кaнaлiв cmвoлiв крynнoкaлiбернux aрmuлерiйcъкux гармат. Змщнювач ^ocmrn за кoнcmрyкmuвнoю бyдoвoю, енергooщaднuй, не шредбачае для oбcлyгoвyвaння вucoкoквaлiфiкoвaнoгo oбcлyгoвyючoгo nерcoнaлy. Сmвoренa mвердomiлънa мoделъ nрucmрoю для вiбрaцiйнo-вiдценmрoвoïзмiцнювaлънoï oбрoбкu внymрiшнix цuлiндрuчнux noверxoнъ cmaлевux деталей.
Ключовг слова: змщнення, noверxневе macmmне дефoрмyвaння, зaлuшкoвi нanрyження, moвщuнa змщнення, cmaлевa деталъ, канал cmвoлa гaрмamu, дефoрмiвне mino, mвердomiлъне мoделювaння, аншащя.
Вступ
Акmyaлънicmъ mемu. Сголи apтилepiйcькиx rap-мaт, пopяд iз cиcтeмoю нaвeдeння пpицiльнocтi cтpi-льби, e чи ж нaйвiдпoвiдaльнiшoю cклaдoвoю, яга ж тшьки зaбeзпeчye дaльнicть тa точнють пpицiльнoгo пocтpiлy, a i peглaмeнтye дoвгoвiчнicть гapмaти зaгa-лoм. A^e шд чac ^жгого iз пocтpiлiв а^ли m^a-ютьcя швшму pyйнiвнoмy знoшyвaнню. ^инини, яш oбyмoвлюють знoшyвaння cтвoлiв, yмoвнo мoжнa poздiлити га тpи ocнoвнi групи: xiмiчнoгo, мexaнiчнo-го i тepмiчнoгo xaparaepy.
Щд чac ^жгого iз пocтpiлiв гapмaти пoвepxнeвi ^oinapicH мeтaлy кaнaлy ïï cтвoлa пiддaютьcя arara-таму pyйнiвнoмy впливу витокт ^o 1GGG °С) тeмпe-paтyp, xiмiчнiй ди пopoxoвиx гaзiв, ra^^o^x гадав тa мexaнiчнoмy знoшyвaнню вщ пepeмiщeння ш cтвoлy cнapядa. Ц зyмoвлюe pyйнyвaння cтpyктypи, мштаеп тa щ^шеи мeтaлy пoвepxнeвиx ^oiap^, йoгo випaлювaння тa знoшyвaння, щo вpeштi пpизвo-дить дo ropyiern гeoмeтpiï poбoчoï пoвepxнi кaнaлy cтвoлa. Щopyшeння гeoмeтpiï poбoчoï пoвepxнi rara-лу cтвoлa гapмaти нeгaтивнo впливae нa дaльнicть, a гoлoвнe - точнють пpицiльнoï cтpiльби тa rnmnx пoв'язaниx iз тoчнicтю тaктикo-тexнiчниx xapaRrep^-тик гapмaтнoгo oзбpoeння. Haдмipнo знoшeнa внyтpi-шня poбoчa пoвepxня гагалу cтвoлa peмoнтy тa вщ-нoвлeнню пpaктичнo нe пiдлягae. Цe i oбyмoвлюe нaявнicть для гapмaтнoгo oзбpoeння тaкoï xapaRrep^-тики як дoпycтимa кiлькicть пocтpiлiв пpицiльнoï cтpiльби, яга пeвнoю мipoю oбмeжye тpивaлicть eфeк-тивнoгo викopиcтaння гapмaт.
Дoвoлi poзпoвcюджeнoю пpaктикoю в мaшинoбy-дyвaннi e тe, щo кoли мiцнicнi xapararep^rara тa мo-
жливocтi викopиcтoвyвaниx мaтepiaлiв пpaктичнo вичepпaнo, кoнcтpyктopи тa poзpoбники звepтaють cвoï пoгляди y бш тexнoлoгiчниx мoжливocтeй го-лiпшeння eкcплyaтaцiйниx влacтивocтeй дeтaлeй тa вyзлiв (Aftanaziv, 1981). Haпpиклaд, зa paxyнoк тexнo-лoгiчнoгo пoлiпшeння xapaктepиcтик нaйбiльш нaвaн-тaжeниx пoвepxнeвиx пpoшapкiв мaтepiaлy дeтaлeй, зoкpeмa ïx шopcткocтi, пoвepxнeвoï мiкpoтвepдocтi, фopмyвaння cпpoмoжнoгo пpoтиcтoяти eкcплyaтaцiй-ним нaвaнтaжeнням нaпpyжeнoгo cтaнy мaтepiaлy тoщo (Kusyi & Kuk, 2G15). Яcкpaвими пpиклaдaми тaкoгo тexнoлoгiчнoгo пoкpaщeння влacтивocтeй мa-тepiaлiв дeтaлeй e зacтocyвaння пpи вигoтoвлeннi cтaлeвиx дeтaлeй виcoкoтeмпepaтypниx гapтiвниx oпepaцiй, зoкpeмa нopмaлiзaцiï, зaгapтoвyвaння тoщo, шлiфyвaння, пoлipyвaння poбoчиx пoвepxoнь дeтaлeй тa низкa iншиx тexнoлoгiчниx oздoблювaльнo-викiнчyвaльниx oпepaцiй. He ocтaнню пoзицiю y ïx-ньoмy пepeлiкy пociдaють i змiцнювaльнi oпepaцiï пoвepxнeвиx пpoшapкiв мaтepiaлy дeтaлeй piзнoмaнi-тними мeтoдaми пoвepxнeвoгo плacтичнoгo дeфopмy-вaння, шиpoкoвiдoмi в лiтepaтypниx пepшoджepeлax тд aбpeвiaтypoю '^теди ППД" (Kusyi & Kuk, 2G15).
Дocлiджeннями pядy вн^шнян^ пpoвiдниx ray-кoвцiв минyлoгo cтoлiття пepeкoнливo дoвeдeнo, щo пopяд iз пoлiпшeнням мiцнicтниx xapaктepиcтик мa-тepiaлy змiцнeниx ППД дeтaлeй нa ïx гадшнють, дoв-гoвiчнicть тa cпpoмoжнicть пpoтиcтoяти eкcплyaтa-цiйним нaвaнтaжeнням визгачний вплив мaють cфop-мoвaнi в товгщ змiцнeнoгo мaтepiaлy зaлишкoвi га-пpyжeння (Aftanaziv, 1981). Aнaлiз тexнoлoгiчниx пpoцeciв фopмoyтвopeння мoнoблoкoвиx гapмaтниx cтвoлiв тa лeйнepiв (змiнниx тpyб) бaгaтoшapoвиx cтвoлiв, a тaкoж тexнoлoгiчниx orepanm ïx пoдaль-
шoï мexaнooбpoбки зacвiдчye, щo вci вoни в кiнцeвo-му пiдcyмкy фopмyють y тoвщi пpипoвepxнeвиx щю-шapкiв мaтepiaлy кaнaлy cтвoлa нaпpyжeння poзтягy. Bиcoкoтeмпepaтypнi нaгpiви при пocтpiлax, cyпpoвo-джyючi ïx тиcки дo дeкiлькox ттеяч aтмocфep тeж cпpямoвaнi нa poзтяг i нaмaгaння збiльшити дiaмeтp гагалу cтвoлa, тoбтo eкcплyaтaцiйнi нaвaнтaжeння дoдaткoвo фopмyють y пpипoвepxнeвиx пpoшapкax мaтepiaлy eкcплyaтaцiйнi нaпpyжeння poзтягy. npo-cyмoвyючиcь мiж coбoю тexнoлoгiчнi тa eкcплyaтa-цiйнi нaпpyжeння poзтягy cягaють дoвoлi виcoкoгo гpaдieнтy, cпpямoвaнoгo нa poзpив мiжмoлeкyляpниx зв'язкiв мaтepiaлy нa пoвepxнi кaнaлy cтвoлiв, нa фo-pмyвaння мiкpoтpiщин y пpипoвepxнeвiй тoвщi мeтa-лу, якi poзpocтaючиcь при пoвтopниx пocтpiлax, зли-вaючиcь мiж coбoю, пepeтвopюютьcя у втoмнi трщи-ни. Bиcoкoтeмпepaтypнi димoвi гaзи, щo yтвopюютьcя при згopяннi чepгoвoгo зapядy, пpoникaють у трщи-ни, вигалюють в нт мeтaл, чим щe бiльшe poзши-рюють ïx. Як rnc^o^ мiкpocкoпiчнi шмaтки мeтaлy вiдшapoвyютьcя ввд poбoчoï пoвepxнi кaнaлy cтвoлa i згоряють у пoлyм'ï тa виcoкoтeмпepaтypниx ropoxo-виx гaзax. Як нacлiдoк - пopyшyeтьcя гeoмeтpiя кaнa-лу cтвoлa, пoгipшyeтьcя тoчнicть пpицiльнoï cтpiльби.
Зapaдити дaнiй cитyaцiï мoглo б зaпpoвaджeння дo тexнoлoгiчнoгo пpoцecy вигoтoвлeння cтвoлiв гapмaт змiцнювaльниx oпepaцiй, щo зaбeзпeчyвaли б фopмy-вaння у зoвнiшнix пpoшapкax мaтepiaлy кaнaлy cтвoлa cтиcкaючиx нaпpyжeнь. Яcкpaвим пpиклaдoм тaкиx oпepaцiй e змiцнeння пoвepxнeвим плacтичним дeфo-pмyвaнням (Kusyi & Kuk, 2015).
Taxa змiцнювaльнa oбpoбкa зaбeзпeчye yтвopeння y пoвepxнeвoмy пpoшapкy мeтaлy oбpoблювaниx дe-тaлeй зaлишкoвиx нaпpyжeнь cтиcкy, фopмye в ниx пoвepxнeвий шap iз пiдвищeнoю твepдicтю, шлшшуе cтpyктypy мeтaлy в пoвepxнeвиx дого пpoшapкax (Kusyi & Kuk, 2015). Якicнe пoвepxнeвe плacтичнe дeфopмyвaння (ППД) кoнiчниx тa цилiндpичниx ro-вepxoнь кaнaлy cтвoлiв cпpoмoжнe пiдвищити гадш-нicть тa дoвгoвiчнicть циx вapтicниx тa вiдпoвiдaль-ниx дeтaлeй зaвдяки пiдвищeнню oпopy ïx мeтaлy eкcплyaтaцiйним циклiчним нaвaнтaжeнням тa змeн-шeнню швидкocтi poзpocтaння мiкpoтpiщин. Аджe ra пpoтивaгy нaпpyжeнням poзтягy в тoвщi poбoчиx пpипoвepxнeвиx пpoшapкiв мaтepiaлy, яш нeмoв би "poзтягyють" мiкpoтpiщинy тa нapoщyють ïï дoвжинy, нaпpyжeння оттеку пpoтидiють вiдшapoвyвaнню тa poзpивaм cyцiльнocтi мaтepiaлy (Aftanaziv & Shevchuk, 2018).
Heзвaжaючи нa знaчнy кiлькicть тутов^в-дocлiдникiв, якi poзpoбляли i дocлiджyвaли piзнoмaнi-тнi мeтoди змiцнeння дeтaлeй пoвepxнeвим плacтич-ним дeфopмyвaнням, зoкpeмa виcвiтлeнi в poбoтax Пeтpocoвa B.B., Пaпшeвa Д.Д., Кyдpявцeвa B.C., Олшнига H.B., Бaбiчeвa А.П. тa iншиx, нинi ^arcr^-нo вiдcyтнiй пpидaтний для змiцнeння кaнaлiв cтвoлiв гapмaт мeтoд змiцнювaльнoï oбpoбки ППД.
Мета i завдання до^дження. MeTOio дocлiджeн-ня у дaнiй poбoтi e poзpoбкa нoвoï тexнoлoгiï тa oблa-днaння для eфeктивнoгo змiцнeння пoвepxнeвим плa-
cтичним дeфopмyвaнням внyтpiшнix пoвepxoнь дoв-гoмipниx дeтaлeй, зoкpeмa кaнaлiв кpyпнoкaлiбepниx гapмaтниx cтвoлiв для пiдвищeння ïx мiцнicтниx xa-paктepиcтик, нaдiйнocтi тa дoвгoвiчнocтi.
У зaвдaння дocлiджeння вxoдили тaкi eтaпи:
- aнaлiз eкcплyaтaцiйниx нaвaнтaжeнь, щo дiють га мaтepiaл кaнaлy cтвoлa гapмaти при cтpiльбi;
- aнaлiз тexнoлoгiчниx мoжливocтeй тa eфeктивнo-cтi вiдoмиx piзнoвидiв мeтoдiв пoвepxнeвoгo плacтич-нoгo дeфopмyвaння у кoнтeкcтi пpидaтнocтi ïx для зм^шния кaнaлy cтвoлiв гapмaт;
- poзpoбкa тa мoдeлювaння кoнcтpyктивнoï' cxeми нoвoгo змiцнювaльнoгo тexнoлoгiчнoгo oблaднaння, пpидaтнoгo для eфeктивнoï змiцнювaльнoï' oбpoбки гагалу cтвoлiв гapмaт;
- aнaлiз тexнoлoгiчниx мoжливocтeй нoвocтвope-нoгo мeтoдy зм^тення внyтpiшнix пoвepxoнь дoвгo-мipниx дeтaлeй.
Мaтeрiaл i мeтoди дocлiджeнь
У Haцioнaльнoмy yнiвepcитeтi "Львiвcькa пoлiтex-mra" гpyпoю нayкoвцiв пiд кepiвництвoм пpoфecopa Афтaнaзiвa I.C. зaпpoпoнoвaнo пpинципoвo швий мeтoд змiцнeння пoвepxнeвим плacтичним дeфopмy-вaнням дeтaлeй кpyглoгo пoпepeчнoгo пepepiзy, га-звaнoгo aвтopaми вiбpaцiйнo-вiдцeнтpoвoю змiцнювa-льнoю oбpoбкoю (BBЗО) (Aftanaziv, 1981). Biдмiннoю ocoбливicтю цieï змiцнювaльнoï o6po6^ e тe, щo зaвдяки cпiвyдapянням мacивниx oбpoблювaнoï' дeтaлi тa iнcтpyмeнтy при кoнтaктyвaннi ïx чepeз шзгачну кiлькicть дeфopмiвниx тiл в мaтepiaлi oбpoблooвaнoï дeтaлi в мicцяx yдapнoгo кoнтaктy фopмyютьcя знaчнi кoнтaктнi нaпpyжeння, щo oбyмoвлюють виcoкий cтyпiнь зм^тення тa фopмyвaння зaлишкoвиx гапру-жeнь cтиcкy знaчнoгo гpaдieнтy (Kusyi & Kuk, 2015). Cy^ мeтoдy змiцнювaльнoï' oбpoбки poзкpивaeтьcя в oпиci пpиcтpoю, який йoгo здiйcнюe.
Ha риа 1 (a, б, в) cxeмaтичнo вiдoбpaжeнo poзмi-щeння вcepeдинi гагалу cтвoлa гapмaти пpиcтpoю для дого змiцнeння вiбpaцiйнo-вiдцeнтpoвoю змiцнювa-льнoю oбpoбкoю (pиc. 1a), нa pиc. 1б - пepпeндикyля-рний гeoмeтpичнiй oci cтвoлa пepepiз А - А (рдо. 1a) у нижнiй точщ poзтaшyвaння змiцнювaчa, нa pиc. 1в -вид зa нaпpямкoм, вкaзaнoмим cтpiлкoю Б (pиc. 1a), iз вiдoбpaжeнням дiючиx нa змiцнювaч стл в пpoцeci змiцнювaльнoï' o6PO6RH.
Змщшння пoвepxнeвим плacтичним дeфopмyвaн-ням внyтpiшньoï пoвepxнi кaнaлy cтвoлiв apтилepiй-^rax гapмaт вiдпoвiднo дo вiбpaцiйнo-вiдцeнтpoвoï' змiцнювaльнoï oбpoбки здiйcнюють тaким чинoм.
Змiцнювaльний пpиcтpiй, дo cклaдy якoгo вxoдять eлeктpoпpивiд 1, цилiндpичний змiцнювaч 2 iз poзмi-щeними нa зoвнiшнiй йoгo пoвepxнi дeфopмiвними тiлaми 3 у вигляцц cтaлeвиx зaгapтoвaниx кyльoк ви-coкoï твepдocтi тa мexaнiзм 4 пepeдaчi кpyтнoгo мo-мeнтy тa oбepтoвoгo pyxy, щo з'eднye вaл eлeктpoпpи-вoдy iз змiцнювaчeм 2, poзтaшoвyють вcepeдинi cтвo-лa 5 гapмaти.
9 5
Рис. 1 (а, б, в). Пристрш для змщнення каналу ствола гармати
Мехашзм 4 передач! обертового руху на змщню-вач 2 передбачае забезпечення 1 рад1ального перемь щення змщнювача вщносно геометрично! ос ствола гармати 5. Тому як мехашзм передач! крутного моменту та обертового руху доречно використовувати або карданний, або гнучкий вал. На змщнювач! 2 зафжсо-вано дебаланси 6 (рис. 1в). Електроприввд 1 розмще-но у корпус 7, який за допомогою роликов 8 вщцент-ровано сшввюно оброблюванш поверхш ствола гармати 5. Змщнювальний пристрш розташовують все-редиш внутршньо! оброблювано! поверхш ствола гармати 5, а для його перемщень вздовж тв1рно! змь цнювано! поверхш призначено приеднаний до корпуса 7 трос 9, що намотуеться на барабан лебвдки (на рис.1 не ввдображено).
Максимальний д1аметр кола Бзм, що охоплюе роз-мщеш на змщнювач! 2 деформ!вш кульки 3, прий-мають р1вним
Бм = (0,75 - 0,85) ■ Бе ,
де Бе - д1аметр внутршньо! змщнювано! поверхш ствола гармати, тобто його каналу в цил1ндричнш частит
Ексцентриситет е змщнювача 2 !з деформ1вними кульками 3 дор1внюе
£ = Пв - (Эк + D), 2 '
де Б - д1аметр сферичних деформ1вних сталевих загартованих кульок 3;
Бв - д1аметр внутршньо! змщнювано! поверхш ствола гармати;
Бк - д1аметр кола розташування геометричних центр1в сферичних деформ1вних кульок 3.
1з умови забезпечення задано! якосл змщнюваль-но! обробки, яка регламентуеться товщиною змщне-ного прошарку металу, нерозривно пов'язаною !з
д1аметром ввдбитшв на обробленш поверхш тсля И ударно! взаемоди !з деформ1вними кульками 3 та мехашчними властивостями змщнюваного матер1алу, величину ексцентриситету е уточнюють по залежнос-п
•а2• I
(1)
50 • т • Б • п
де е - ексцентриситет змщення центру маси змщ-нювача 2 вщносно геометрично! ос оброблювано! поверхш ствола гармати 5;
п - частота обкочування змщнювача 2 по внутрш-н!й поверхн! каналу ствола 5;
ст - межа текучосп матер!алу зм!цнюваного ствола гармати 5;
т - маса зм!цнювача 2 !з деформ!вними кульками 3 та дебалансами 6;
а - д!аметр ввдбитка на оброблюван!й поверхн! в!д ударного контакту деформ!вно! кульки 3 !з стволом 5;
Б - д!аметр сферичних деформ!вних кульок 3; I - довжина тв!рно! зовн!шньо! цил!ндрично! поверхн! змщнювача 2, на якш встановлено деформ!вш кульки 3.
Для забезпечення робочого обкочувального руху на зм!цнювач! 2 закршлено дебаланси 6, масу яких та вцщаль центра маси вщ ос! обертання зм!цнювача 2 визначають !з залежност!
'Д
(2)
2К -е
де тд - масса дебаланса 6;
т - маса змщнювача 2 !з деформ!вними кульками 3; е - ексцентриситет змщнювача 2; R - ввддаль в!д центра маси дебаланса 6 до ос! йо-го обертання.
На рис. 1(а, б, в) напрями перемщення та обертання змщнювача 2 вказано стршками.
е
ь • т
Змщнення поверхневим пластичним деформуван-ням каналу ствола гармати i3 використанням даного змщнювального пристрою здiйснюють таким чином. Змщнювальний пристрiй встановлюють всередину каналу ствола 5 гармати i подають напругу живлення на його електродвигун приводу 1 (рис. 1а). При подачi напруги живлення на електродвигун приводу 1 крут-ний момент вщ його валу через механiзм 4 передачi обертового руху (карданний або гнучкий вал) переда-еться змщнювачу 2, який набувае при цьому обертового руху i3 частотою, рiвною частотi обертання валу електроприводу 1 (рис. 1б). У процеа обертання змь цнювача 2 при обертанш прикрiплених до змщнюва-ча дебаланав 6 на змiцнювач дiе збурююча сила Р (рис. 1в), що рiвна добутку маси дебаланав на вщ-даль вiд центра !х маси до осi обертання. Обертовий вектор ди сили Р проходить через вiсь обертання змь цнювача та центр маси дебаланав 6. За умови дотри-мання величин маси дебалансiв 6 та вцщат вщ осi обертання до центра маси, обумовлених залежшстю (2), змщнювач 2 пiд дiею переданого йому крутного моменту та сили Р самовтягуеться у режим робочого планетарного обкочувального руху по внутршнш оброблюванiй поверхнi каналу ствола 5 з розташова-ними на його зовшшнш цилiндричнiй поверхш дефо-рмiвними кульками 3.
При обкочувальному русi змiцнювача 2 по внут-рiшнiй оброблювальнiй поверхнi деталi 5 на змщню-вач дiе вщцентрова сила F, обертовий вектор ди яко! спрямований вщ центра маси змiцнювача i проходить перпендикулярно геометричним осям змiцнювача i оброблювано! поверхнi (рис. 1). На рис. 1б напрям ди вщцентрово! сили вщображено стрiлкою i3 буквеним позначенням F. Величина ще! вщцентрово! сили F пропорцшна масi т та ексцентриситету е змiцнювача 2 i квадрату кругово! частоти п його обкочувального руху i визначаеться iз залежностi
I—' 2
F = m -s - а ,
де ю=2жн - кругова частота обкочувального руху змщнювача 2.
У будь-який промiжок часу змiцнювач 2 контактуе iз оброблюваною поверхнею каналу ствола 5 через деформiвнi кульки 3, розмщеш вздовж твiрноl цилш-дрично! зовшшньо! поверхнi змiцнювача. Контакт iз черговою групою деформiвних кульок 3, розмiщених вздовж твiрноl змщнювача, вщбуваеться з ударною взаемодiею. При цьому сила удару, що припадае на кожне iз деформiвних тш 3, пропорцiйна вiдцентровiй силi F, що дiе на обертовий змщнювач, i обернено пропорцiйна кiлькостi N=l/D розташованих вздовж твiрноl змiцнювача деформiвних кульок 3, тобто
призначають рiвними меж1 текучостi cm оброблюва-ного матерiалу i визначають iз залежносп
F„
N
m-s-D-а 'l
де l - довжина твiрноl цилiндричноl поверхш змь цнювача 2,
N - кiлькiсть деформiвних кульок 3, розмiщених вздовж твiрноl змiцнювача 2.
Величину контактних напружень, що повиннi за-безпечуватися в мюцях контакту iз деформiвними кульками 3 в приповерхневих прошарках матерiалу оброблювано1 поверхнi у результатi ударно1 взаемодц",
Fy 10-m-s-D-n2
S
l-d2
де 5 =
^d2 4
- площа належного для забезпечен-
ня як1сного змiцнення оброблювано1 поверхнi каналу ствола 5 залишкового вiдбитку тсля ударного контакту iз деформiвним сферичним тiлом (кулькою).
Обкочувальний рух змщнювача 2 по внутршнш оброблюванш поверхнi каналу ствола 5 здшснюють одночасно iз рiвномiрним осьовим перемщенням змiцнювального пристрою вздовж твiрноl змщнюва-но! поверхнi за допомогою троса 9.
На рис. 2 показана твердотшьна модель пристрою для змщнення гарматних стволiв, яка розташована всередши каналу ствола гармати.
Рис. 2. Модель пристрою для змщнення розташо-ваного всерединi каналу ствола гармати
Перевiрку технологiчних можливостей методу вь брацiйно-вiдцентрового змiцнення здiйснювалося на моделi гарматного ствола iз дiаметром внутршньо! поверхнi De = 125 мм, виготовленого iз леговано! конструкцiйноl сталi марки 12ХН3А iз межею текучо-сп матерiалу ат = 750МПа.
Результати та ix обговорення
Отже, змщнювальна обробка забезпечуе утворення у поверхневому прошарку металу оброблюваних деталей залишкових напружень стиску, формуе в них поверхневий шар iз п1двищеною твердiстю, полшшуе структуру металу в поверхневих його прошарках. Як1сне поверхневе пластичне деформування (ППД) кошчних та цилiндричних поверхонь каналу стволiв спроможне пiдвищити надiйнiсть та довговiчнiсть цих вартiсних та вщповвдальних деталей завдяки пiдви-щенню опору !х металу експлуатацiйним циклiчним навантаженням та зменшенню швидкостi розростання мжротрщин. Адже на противагу напруженням розтя-гу в товщi робочих приповерхневих прошаршв мате-рiалу, як1 немов би "розтягують" мiкротрiщину та нарощують ll довжину, напруження стиску протидь ють вiдшаровуванню та розривам суцшьносп матерi-алу.
а =
кон
Проте особливосп конструктивно! будови таких специф!чних деталей, як стволи гармат, обумовлюють певш труднощ! при використанн! для !х зм!цнення в!домих метод!в ППД. Специфжа у складност! засто-сування для змщнення каналу ствол!в в!домих мето-д!в ППД полягае виключно у конструктивна будов! ствол!в гармат, а саме у значнш протяжност! робочо! поверхн! каналу ствола, який тдлягае зм!цненню, та незначному його д!аметр! Тобто, це е великогабарит-на масивна довгом!рна трубчаста деталь довжиною в!д двох до шести метр!в при д!аметр! приналежно! для змщнення внутршньо! поверхн! в д!апазон! 125250 мм. До того ж зм!цнити цю протяжну внутр!шню поверхню каналу ствола необх!дно не з метою полш-шення чистоти поверхн!, а якюно проклепати для наведення у товщ! матер!алу напружень стиску знач-ного град!енту. Ця ситуащя унеможливлюе викорис-тання вс!х статичних метод!в ППД (накатування роликом, вигладжування тощо), а також таких розпо-всюджених метод!в динам!чного змщнення, як в!бро-ударна чи дробоструменева обробки через недостат-ню енерг!ю деформування матер!алу детал!, обмежену незначною масою деформ!вних кульок чи дробу. За параметрами енергетичних можливостей тут могло б конкурувати х!ба що карбування (рос. - чеканка), та воно непридатне для зм!цнення таких протяжних, та ще i внутр!шн!х поверхонь.
Метод в!брац!йно-в!дцентрово! зм!цнювально! об-робки належить до групи метод!в динам!чного повер-хневого зм!цнення, забезпечуе товщини зм!цненого шару матер!алу сталевих деталей 0,15 ^ 0,20 мм. За-вдяки значн!й енерг!! ударно! взаемоди !нструмента з матер!алом оброблювано! детал! в поверхневих !! прошарках формуються залишков! напруження стис-ку значного гращенту. Як насл!док, це шдвищуе м!ц-н!сть та над!йн!сть зм!цнених деталей.
Розроблена конструкц!я зм!цнювача на основ! за-пропонованого методу в!брац!йно-в!дцентрово! змщ-нювально! обробки застосована для змщнення внут-р!шн!х цил!ндричних канал!в ствол!в крупнокал!бер-них артилер!йських гармат. Зм!цнювач простий за конструктивною будовою, енергоощадний, не перед-бачае для обслуговування висококвал!ф!кованого обслуговуючого персоналу.
Перев!рку технолог!чних можливостей методу в!-брац!йно-в!дцентрового зм!цнення зд!йснювалося на модел! гарматного ствола !з д!аметром внутр!шньо! поверхн! De = 125 мм, виготовленого !з леговано! конструкц!йно! стал! марки 12ХН3А !з межею текучо-ст! матер!алу стт = 750 МПа, яка за сво!ми ф!зико-механ!чними властивостями наближена певною м!-рою до матер!ал!в, що використовуються для вигото-влення гарматних ствол!в.
Меж! висоти змщненого шару - h = 0,15 ^ 0,20 мм.
Д!аметр в!дбитк!в на оброблюван!й поверхн! - d = 2h = 2 ■ 0,20 = 0,40мм.
Геометричн! параметри зм!цнювача та параметри обробки:
- д!аметр деформ!вних тш D = 10мм;
- довжина зм!цнювача l = 0,5 м;
- масса змщнювача !з деформ!вними т!лами т =
30кг;
- к!льк!сть деформ!вних т!л вздовж тв!рно! зм!ц-нювача N = 50;
- частота обертання валу двигуна електроприводу n = 940 об/хв = 16 1/с.
Створена твердопльна модель пристрою для в!б-рац!йно-в!дцентрово! змщнювально! обробки внутр!-шн!х цил!ндричних поверхонь сталевих деталей.
Висновки
1. Створено принципово новий метод в!брац!йно-в!дцентрово! змщнювально! обробки. Завдяки значн!й енерг!! ударно! взаемоди шструмента з матер!алом оброблювано! детал! в поверхневих И прошарках фо-рмуються залишков! напруження стиску значного град!ента. Як насл!док, це п!двищуе м!цн!сть та на-д!йн!сть зм!цнених деталей.
2. Вперше запропонована конструкщя зм!цнюва-ча для зм!цнення канал!в ствол!в крупнокал!берних артилер!йських гармат.
3. Створена твердот!льна модель пристрою для в!брац!йно-в!дцентрово! зм!цнювально! обробки вну-тр!шн!х цил!ндричних поверхонь сталевих деталей.
Перспективи подальших дослгджень. Кр!м змщ-нення внутр!шн!х поверхонь танкових та артилер!йсь-ких гармат великого кал!бру, дан! конструкци при-стро!в придатн! для якюно! зм!цнювально! обробки зовн!шн!х та внутр!шн!х поверхонь труб високого тиску, зовн!шн!х поверхонь танкових торс!онних вал!в та торс!онних вал!в великотоннажних самох!д-них артилер!йських установок, бурових та обсадних труб бурильних установок тощо.
References
Aftanaziv, I.S. (1981). Optimizacija parametrov vibracionno-centrobezhnoj uprochnjajushhej
obrabotki barabanov aviacionnyh koles. Vestnik L'vovskogo politehnicheskogo instituta "Tehno-logija mashinostroenija i dinamicheskaja prochnost' mashin". L'vov: Vishha shkola, Izd-vo pri L'vov. unte, 162, 10-12 (in Russian). Kusyi, Ya.M., & Kuk, A.M. (2015). Rozroblennia metodu vibratsiino-vidtsentrovoho zmitsnennia dlia tekhnich-noho zabezpechennia bezvidmovnosti detalei mashyn. Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij, 1/7(73), 41-51. doi: 10.15587/1729-4061.2015.36336 (in Ukrainian).
Aftanaziv, I.S., & Shevchuk, L.I. (2018). Prystrii dlia zmitsnennia poverkhne-vym plastychnym deformu-vanniam vnutrishnikh tsylindrychnykh poverkhon dovhomirnykh detalei. Patent № 116268 Ukraina, MPK V24V 39/02 (2006.01), V23R 9/04 (2006.01). Zaiavl. 23.02.2016; Opubl. 26.02.2018, Biul. №4 (in Ukrainian).
