CC BY
7УДК 621.791.052
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПОЛУСФЕР ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЁМКОСТЕЙ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТЕХНИКИ © Юхневич С.С.1-2, Ковалёв С.В.1-2, Рязанцев А.Ю.1 2, Коновалов А.И.1, 2023
1 АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (АО КБХА) ул. Ворошилова, 20, г. Воронеж, Российская Федерация, 394055, e-mail: info_kb@kbkha.ru
2 Воронежский государственный технический университет (ВГТУ) ул. 20-летия Октября, 84, г. Воронеж, Российская Федерация, 394006,
e-mail: rector@vorstu.ru
В статье проанализированы существующие технологии получения полусфер из труднообрабатываемых материалов. Рассмотрены преимущества и недостатки представленных способов и средств технологического оснащения. Предложен перспективный способ получения заготовок полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов для ёмкостей высокого давления, внедрённый в производственный процесс на отечественных предприятиях машиностроительной отрасли. Приведены результаты проведённых в АО КБХА экспериментальных работ по изготовлению титановых полусфер методом ротационной вытяжки. Выполнены металлографические исследования полученных заготовок. Показаны пути достижения оптимальных технических характеристик и высокого уровня надёжности, предъявляемого к изделиям специальной техники из титановых сплавов. Полученные результаты позволяют существенно расширить технологические возможности производства, а также значительно улучшить технические характеристики изделий спецтехники в машиностроении.
Ключевые слова: ёмкость высокого давления, полусфера, титановый сплав, листовая штамповка, ротационная вытяжка, раскатной стан, оснастка.
EDN: CADQJD
IMPROVING A TECHNIQUE FOR PRODUCING HEMISPHERICAL SEMI-FINISHED SHELLS MADE OF HARD-TO-DEFORM TITANIUM ALLOYS FOR HIGH-PRESSURE VESSELS USED IN SPECIAL ENGINEERING PRODUCTS Yukhnevich S.S.1,2, Kovalev S.V.1, 2, Ryazantsev A.Yu.1,2, Konovalov A.I.1
Joint Stock Company «Konstruktorskoe Buro Khimavtomatiky» (JSC KBKhA) 20 Voroshilova st., Voronezh, 394055, Russian Federation, e-mail: info_kb@kbkha.ru
2 Voronezh State Technical University (VSTU) 84 Dvatsatiletiya Oktyabrya st., Voronezh, 394006, Russian Federation, e-mail: rector@vorstu.ru
The paper analyzes the existing techniques for producing hemispherical shells from hard-to-machine materials. It discusses the advantages and the drawbacks of the presented techniques, tools and fixtures. It proposes a promising technique for producing hemispherical semi-finished shells from hard-to-deform titanium alloys for high-pressure vessels that was introduced into production process in our country's engineering industry. It provides results of experimental studies into manufacturing of titanium hemispheres using the rotary drawing technique that were conducted at JSC KBKhA. The produced semi-finished shells were subjected to metallographic inspection. The paper outlines ways to achieve optimal technical characteristics and the high level of reliability required of special engineering products made of titanium alloys. The obtained results make it possible to significantly expand technological capabilities of production, as well as to considerably improve technical characteristics of special hardware products in the engineering industry.
Key words: high-pressure vessel, hemisphere, titanium alloy, sheet-metal stamping, rotary drawing, reeling machine, tooling.
\
"J
ti
ЮХНЕВИЧ С.С.
ЮХНЕВИЧ Сергей Степанович — кандидат технических наук, главный инженер АО КБХА, доцент кафедры технологии машиностроения ВГТУ, e-mail: serge1975@yandex.ru YUKHNEVICH Sergey Stepanovich — Candidate of science (Engineering), Chief engineer at JSC KBKhA, Associate professor at Department of manufacturing engineering at VSTU, e-mail: serge1975@yandex.ru
КОВАЛЁВ Сергей Викторович — кандидат технических наук, директор АО КБХА, заведующий
кафедрой технологии машиностроения ВГТУ, e-mail: info_kb@kbkha.ru
KOVALEV Sergey Viktorovich — Candidate of science (Engineering), Director of JSC KBKhA,
Head of Department of manufacturing engineering at VSTU,
e-mail: info_kb@kbkha.ru
РЯЗАНЦЕВ Александр Юрьевич — кандидат технических наук,
начальник отдела АО КБХА, доцент кафедры технологии машиностроения ВГТУ,
e-mail: ryazantsev86@rambler.ru
RYAZANTSEV Aleksandr Yurievich — Candidate of science (Engineering), Head of department at JSC KBKhA, Associate professor at Department of manufacturing engineering at VSTU, e-mail: ryazantsev86@rambler.ru
КОНОВАЛОВ Александр Иванович — главный специалист по камерному производству АО КБХА, e-mail: info_kb@kbkha.ru
KONOVALOV Aleksandr Ivanovich — Main specialist on engine chambers production at JSC KBKhA, e-mail: info_kb@kbkha.ru
КОВАЛЁВ С.В. РЯЗАНЦЕВ А.Ю. КОНОВАЛОВ А.И.
Введение
В мировой практике широкое применение получили ёмкости высокого давления из титановых сплавов, в т. ч. работающие в криогенной среде при высоких давлениях [1]. Типовая конструкция шаробаллона приведена на рис. 1. Основной деталью ёмкостей высокого давления является полусфера, к которой, учитывая особый функционал ёмкостей, предъявляются высокие требования при изготовлении.
Рис. 1. Типовая конструкция титанового шаробаллона: 1 — фланец с опорой; 2 — полусферы; 3 — фланец с наконечником (рисунок создан авторами)
АО «КБХА» разработаны и используются специализированная оснастка и перспективный метод получения заготовок полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов 0377 и 644 мм для ёмкостей высокого давления объёмом 25 и 130 л соответственно — листовая штамповка с подогревом заготовки и штамповой оснастки, с обеспечением минимального припуска под механическую обработку по внутреннему и наружному контуру деталей. Особенности технологий, применённых при производстве ёмкостей высокого давления из титановых сплавов, неоднократно обсуждались в профессиональном сообществе и рассматривались на научно-технических конференциях различного уровня [2, 3]. Используемые инновационные решения при изготовлении полусфер из титановых сплавов методом горячей листовой штамповки и специализированная оснастка позволили получить в процессе формообразования полусферы из листового материала с максимальным утонением до 8% в отличие от традиционных 12%, что позволило применить
титановый лист, выпускаемый отечественным предприятием ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (г. Нижняя Салда), и дало возможность отказаться от дорогостоящих покупных заготовок и штампов, существенно повысить коэффициент использования материала и сократить трудоёмкость механической обработки. Предложенный способ изготовления полусфер из титановых сплавов методом горячей листовой штамповки является наиболее эффективным из применяемых в настоящее время в промышленности и зафиксирован в ряде патентов [4-6].
Несмотря на это, постоянно проводятся работы по повышению технологичности, коэффициента использования материала, по усовершенствованию конструкции и технологии изготовления сложных изделий техники.
Известен высокоэффективный технологический процесс пластического формоизменения вращающейся заготовки при помощи одного (или нескольких) деформирующих роликов, посредством которого можно из простейших заготовок (листового проката и труб) получить детали сложной формы без применения глубокой многопереходной вытяжки на прессах, сварки и механической обработки — ротационная вытяжка (РВ) [7].
АО КБХА предложило способ и технологию изготовления титановых полусфер методом РВ.
Существует два способа изготовления полусфер методом РВ: обкатка и раскатка. При выполнении обкатки заготовки происходит деформирование материала без изменения исходной толщины. В случае обработки заготовки полусферы методом раскатки происходит утонение исходного материала. Для использования рассматриваемых методов получения полусфер необходима проточка переменной толщиной и высокоточная калибровка заготовки.
Отработку РВ полусфер предлагается выполнять по схеме, представленной на рис. 2. При РВ сферических деталей исходной заготовкой может быть листовой полуфабрикат, полученный штамповкой-вытяжкой или РВ без утонения, или механически обработанная поковка в виде чашки. Чашеобразный полуфабрикат имеет дно переменной толщины (полученное механической обработкой)
и криволинейный борт постоянной тол-ш^ины. Так^ке должно быть обеспечено строгое соответствие между толшиной детали и заготовки по соотношению, называемому «законом синуса»:
5 = 5 • зта,
тт я 7
где s
толщина детали; S
толшина
заготовки; а — угол между образуюшей детали и осью врашения.
Несоблюдение этого соотношения приводит к разрушению заготовки.
Для изготовления полусфер методом РВ потребуется следуюшая технологическая оснастка:
• оправа для получения полуфабриката под РВ;
• токарное приспособление для проточки заготовки под раскатку;
• оправа для ротационной раскатки полусферы;
• раскатной ролик;
• токарное приспособление для обработки внутренней поверхности полусферы участка из-под прижима;
• токарное приспособление для наружной обработки полусферы участка из-под прижима;
• штамп для калибровки (при необходимости, по результатам отработки);
• токарное приспособление для окончательной обработки полусферы.
Рис. 2. Принципиальная схема раскатки полусфер
(рисунок создан авторами)
Для подтверждения возможности получения заготовок из титанового сплава методом РВ АО КБХА, совместно с фирмой Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия), была проведена экспериментальная работа по ротационной вытяжке
заготовки из листа ВТ6С толщиной 3 мм и 0320 мм (рис. 3). Работы выполнялись на станке для РВ (модель PNC 220 XS), с использованием имеющейся в наличии оправы для РВ и раскатного ролика.
а)
б)
Рис. 3. Ротационная вытяжка (РВ) заготовки на раскатном стане: а — заготовка до РВ; б — заготовка после РВ; 1 — заготовка из титанового сплава ВТ6С толщиной 3 мм и 0320 мм; 2 — ролик; 3 — заготовка сферической формы (фотографии сделаны авторами)
В процессе раскатки была получена опытная заготовка (рис. 4, а), но так как выполнялась холодная вытяжка титанового листа, произошло разрушение материала в нерабочей зоне заготовки на её технологическом припуске.
Были проведены металлографические исследования полученной методом РВ заготовки из труднодеформируемого сплава ВТ6С, определён фазовый состав материала. Микроструктура основного материала является двухфазной, состояшей из а- и р-фаз титана, что характерно для сплава ВТ6С. Структура соответствует 2-3-му типу согласно шкале микроструктур (а + Р)-сплавов отраслевого стандарта ОСТ 92-9465-81 [8] (рис. 4, б), что соответствует предъявляемым к изделию требованиям.
В месте разрушения заготовки на технологическом припуске излом имеет кристаллическое волокнистое строение, ориентированное перпендикулярно направлению пластической деформации
исходной листовой заготовки; имеет фасетки и ровные кромки, что соответствует хрупкому характеру излома; макростроение излома однородно — дефектов металлургического характера не обнаружено, следов усталостного разрушения не обнаружено. Фракто-графическое исследование излома свидетельствует о мгновенном механизме разрушения, не связанном с качеством материала заготовки. Разрушение произошло при приложении тангенциальных напряжений, превышающих предел прочности материала.
а)
б)
Рис. 4. Заготовка из титанового сплава ВТ6С: а — вид
заготовки после ротационной вытяжки; б — микроструктура основного материала заготовки (фотографии сделаны авторами)
Для исключения разрушения заготовки из титанового сплава толщиной до 3 мм в процессе РВ целесообразно использовать раскатной стан СРВ-1200 (рис. 5) разработки АО «НПО «Техномаш» (г. Москва) [9, 10], с использованием РВ двумя давильно-раскатными роликами [11].
Рис. 5. Стан ротационной вытяжки СРВ-1200 [9]
Дальнейшие работы по РВ заготовок из титановых сплавов толщиной более 3 мм целесообразно проводить с использованием раскатного стана с адаптированной системой нагрева заготовки в процессе РВ. Так как у фирмы Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия) [12] имеются технические решения по раскатке заготовок c подогревом (рис. 6), можно прогнозировать положительный результат раскатки заготовок из титановых сплавов толщиной более 3 мм.
Рис. 6. Формообразование заготовки на раскатном стане Leifeld с адаптированной системой нагрева
(фотография сделана авторами)
Учитывая, что микроструктура сплава ВТ6С представляет собой пластично-игольчатую а-фазу, разделённую прослойкой р-фазы (а + в) для получения наибольшей пластичности, необходимо, чтобы температура нагрева заготовки перед формообразованием была меньше на 90 °С начала превращения структуры (а + в) в р-фазу.
Основным преимуществом способа получения заготовок методом РВ является снижение стоимости подготовки производства за счёт уменьшения количества необходимой оснастки (по сравнению со штамповкой), снижение трудоёмкости изготовления и повышение технологичности за счёт лучшей управляемости процессом формообразования.
заключение
Для изготовления полусфер методом ротационной вытяжки из материалов с низким относительным удлинением, коэффициентом штамповки и сужением менее 7%, необходимо операции формообразования выполнять с нагревом и подогревом заготовки.
Результаты экспериментальных работ, проведённых АО КБХА совместно с фирмой Leifeld Metal Spinning GmbH (Германия), подтвердили практическую возможность применения способа ротационной вытяжки при изготовлении полусфер из труднодеформируемых титановых сплавов.
Дальнейшее совершенствование способа получения полусферических заготовок и внедрение инновационных технологий в производство ракетно-космической техники обеспечит необходимые технические характеристики и высокий уровень надёжности, соответствующий требованиям, предъявляемым к изделиям специальной техники, а также снижение себестоимости производства и возможность применения этой технологии в народном хозяйстве.
Список литературы
1. Ломакин И.В., Рязанцев А.Ю., Юх-невич С.С., Широкожухова А.А. Создание передовой технологии и оборудования для изготовления титановых шар-баллонов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 12(741). С. 37-43. DOI 10.18698/05361044-2021-12-37-43. EDN: KTLCCT
2. Коптев И.Т., Юхневич С.С., Гладкова Л.Д., Лозоцева И.А., Тюрин Г.В. Разработка промышленной технологии и специализированной оснастки для формообразования полусфер, входящих в конструкцию высокопрочных шаробал-лонов высокого давления (330 кг/см2), из перспективных титановых сплавов // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (IV Козловские чтения) (14-18 сентября 2015 года, г. Самара) / Под общ. ред. А.Н. Кирилина. Самара: СамНЦ РАН, 2015. С. 316-321.
3. Рязанцев А.Ю., Юхневич С. С. Разработка и внедрение импортозамещающей технологии изготовления титановых
баллонов // Орбита молодежи-2019: Всероссийский молодежный конкурс научно-технических работ, Санкт-Петербург, 16-20 сентября 2019 года. Санкт-Петербург: Балтийский государственный технический университет «Военмех», 2019. С. 229-230. EDN: GERPTW
4. Патент RU 2635210 C2. МПК B21D 22/20. Способ изготовления полых деталей полусферической формы из труднодеформируемого титанового сплава ВТ6-С / И.Т. Коптев, С.С. Юхневич, Л.Д. Гладкова, И.В. Конопкина, Г.А. Сиделёва; заявитель и патентообладатель — ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хру-ничева». Заявка № 2016108056 от
04.03.2016. Опубл. 09.11.2017. Бюл. № 31. EDN: EBWQGI
5. Патент RU 2635990 C2. МПК B21D 22/20. Способ штамповки детали полусферической формы из труднодеформируемого титанового сплава ВТ6-С в одном штампе / И.Т. Коптев, Б.И. Оми-гов, С.С. Юхневич, Л.Д. Гладкова, И.В. Конопкина; заявитель и патентообладатель — ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». Заявка № 2015152709 от 08.12.2015. Опубл.
17.11.2017. Бюл. № 32. EDN: CYEKNH
6. Патент RU 2698080 C1. МПК B21D 22/20. Способ изготовления вытяжкой полой детали сферической неполного контура формы из трудно-деформируемого титанового сплава ВТ14 в одном комбинированном штампе / И.В. Конопкина, А.И. Коновалов, С.С. Юхневич, О.А. Светачев, И.И. Боев; заявитель и патентообладатель — АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». Заявка № 2018130034 от 17.08.2018. Опубл. 21.08.2019. Бюл. № 24. EDN: PDSGWJ
7. Моисеев В.А., Тарасов В.А., Кол-мыков В.А., Филимонов А.С. Технология производства жидкостных ракетных двигателей: учебник для вузов - 2-е изд. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. C. 40-54. EDN: KPBFYU
8. ОСТ 92-9465-81. Детали из титановых сплавов. Технические требования. 58 с.
9. Стан ротационной вытяжки СРВ-1200 // АО «НПО Техномаш»: официальный сайт. Режим доступа: https:// www.tmnpo.ru/node/315 (дата обращения 10.04.2023).
10. Витковская А.А., Севостьянов А.К., Юхневич С.С., Сай В.А. Оборудование и технологии для ротационной вытяжки // Современные технологии
производства в машиностроении: сб. научных трудов. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2020. Вып. 13. С. 13-18. ЕБЫ: MDVWGY
11. Патент КИ 2465976 С1. МПК В2Ш 22/14. Способ ротационной вытяжки оживальных и конических изделий / И.Т. Коптев, С.С. Юхневич, Л.Д. Гладкова, И.А. Лозоцева, Г.В. Тюрин, В.В. Вето-хин; заявитель и патентообладатель —
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева». Заявка № 2011127580/02 от 05.07.2011. Опубл. 10.11.2012. Бюл. № 31. EDN: VTIKJI
12. Баки // Leifeld Metal Spinning GmbH: официальный сайт. Режим доступа: https://leifeldms.com/ru/aerokosmicheskaya-promyshlennost/puskovye-ustanovki/baki/ (дата обращения 10.04.2023). Статья поступила в редакцию 17.10.2022 г. Окончательный вариант - 11.04.2023 г.
References
1. Lomakin IV, Ryazantsev AYu, Yukhnevich SS, Shirokozhukhova AA. Development of advanced technology and equipment for manufacture of titanium spherical vessels. BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2021; 12(741): 37-43. Available from: https://www.elibrary.ru/ktlcct (accessed 10.04.2023). DOI 10.18698/0536-1044-2021-12-37-43 (in Russian).
2. Koptev IT, Yukhnevich SS, Gladkova LD, Lozotseva IA, Tyurin GV. Razrabotka promyshlennoi tekhnologii i spetsializirovannoi osnastki dlya formoobrazovaniya polusfer, vkhodyashchikh v konstruktsiyu vysokoprochnykh sharoballonov vysokogo davleniya (330 kg/sm2), iz perspektivnykh titanovykh splavov [Development of industrial technology and specialized tooling for shaping hemispheres, that form a part of the structure of high-strength high-pressure (330 kg/cm2) spherical tanks made of advanced titanium alloys]. In: Materialy IV Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Aktual'nye problemy raketno-kosmicheskoi tekhniki" (IV Kozlovskie chteniya) [Materials of the 4th All-Russia scientific and technical conference Current Problems in Rocket and Space Technology (4th Kozlov Readings)]. 14-18 September 2015. Samara: SamNTs RAS; 2015. p. 316-321 (in Russian).
3. Ryazantsev AYu, Yukhnevich SS. Razrabotka i vnedrenie importozameshchayushchei tekhnologii izgotovleniya titanovykh ballonov [Development and adoption of import-substituting manufacturing process for titanium tanks]. In: Orbita molodezhi-2019: Vserossiiskii molodezhnyi konkurs nauchno-tekhnicheskikh rabot [Orbit of Youth-2019: All-Russia youth competition of scientific and engineering projects]. 16-20 September 2019. St. Petersburg: Baltic State Technical University Voenmekh; 2019. p. 229-230. Available from: https://www.elibrary.ru/gerptw (accessed 10.04.2023) (in Russian).
4. Koptev IT, Yukhnevich SS, Gladkova LD, Konopkina IV, Sideleva GA, inventors. Khrunichev Space Center. Method of producing hollow parts of hemispherical shape of hard-deformable titanium alloy BT6-C. Patent RU 2635210 C2. B21D 22/20. Application No. 2016108056 dated 04.03.2016. Published 09.11.2017. Bulletin No. 31. Available from: https://www.elibrary.ru/ebwqgi (accessed 10.04.2023) (in Russian).
5. Koptev IT, Omigov BI, Yukhnevich SS, Gladkova LD, Konopkina IV, inventors. Khrunichev Space Center. Method to form part of semispherical shape from hard-deformable titanium alloy BT6-C in one die. Patent RU 2635990 C2. B21D 22/20. Application No. 2015152709 dated 08.12.2015. Published 17.11.2017. Bulletin No. 32. Available from: https://www.elibrary.ru/cyeknh (accessed 10.04.2023) (in Russian).
6. Konopkina IV, Konovalov AI, Yukhnevich SS, Svetachev OA, Boev II, inventors. JSC Khrunichev Space Center. Method of producing a hollow part of a spherical incomplete shape contour from a hard-to-deform titanium alloy VT14 in one composite die. Patent RU 2698080 C1. B21D 22/20. Application No. 2018130034 dated 17.08.2018. Published 21.08.2019. Bulletin No. 24. Available from: https://www.elibrary.ru/pdsgwj (accessed 10.04.2023) (in Russian).
7. Moiseev VA, Tarasov VA, Kolmykov VA, Filimonov AS. Tekhnologiya proizvodstva zhidkostnykh raketnykh dvigatelei [Manufacturing process for liquid propellant engines]: textbook for universities. 2nd edition. Moscow: Moscow Bauman Technical University publishing house; 2015. p. 40-54. Available from: https://www.elibrary.ru/kpbfyu (accessed 10.04.2023) (in Russian).
8. Standard OST 92-9465-81. Detali iz titanovykh splavov. Tekhnicheskie trebovaniya [Parts made of titanium alloys. Specifications]. 58 p. (in Russian).
9. Stan rotatsionnoi vytyazhki SRV-1200 [Rotary drawing mill SRV-1200]. At: AO NPO Technomash: official web site. Available from: https://www.tmnpo.ru/node/315 (accessed 10.04.2023) (in Russian).
10. Vitkovskaya AA, Sevostianov AK, Yukhnevich SS, Sai VA. Oborudovanie i tekhnologii dlya rotatsionnoi vytyazhki [Equipment and technologies for rotary drawing]. In: Sovremennye tekhnologii proizvodstva v mashinostroenii [Modern manufacturing technologies in mechanical engineering]: collection of research papers. Voronezh: IPTs Nauchnaya Kniga; 2020. Issue 13. p. 13-18. Available from: https://www.elibrary.ru/mdvwgy (accessed 10.04.2023) (in Russian).
11. Koptev IT, Jukhnevich SS, Gladkova LD, Lozotseva IA, Tjurin GV, Vetokhin VV, inventors. Khrunichev Space Center. Method of rotary drawing of ogival and conical articles. Patent RU 2465976 C1. B21D 22/14. Application No. 2011127580/02 dated 05.07.2011. Published 10.11.2012. Bulletin No. 31. Available from: https://www.elibrary.ru/vtikji (accessed 10.04.2023) (in Russian).
12. Tanks. At: Leifeld Metal Spinning GmbH: official web site. Available from: https://leifeldms.com/ en/aerospace/launcher/tanks/ (accessed 10.04.2023) (in Russian).
