CC BY
76
УДК 621.9.02 А.М. Гениатулин
Курганский государственный университет
swot-анализ использования режущей керамики при обработке материалов аэрокосмической отрасли
Аннотация. В данной работе описаны основные направления использования эксплуатационных возможностей режущей керамики при обработке материалов аэрокосмической отрасли.
Ключевые слова: режущая керамика, направления использования, эксплуатационные возможности.
A.M. Geniatulin Kurgan State University
swot-analysis of the use of cutting ceramics for materials processing in aerospace industry
Annotation. The work describes basic directions of operating capacity usage of cutting ceramics for materials processing in aerospace industry
Keywords: cutting ceramics, directions of usage, operating capacity.
Развитие современной машиностроения, особенно аэрокосмической отрасли, связано с расширением объемов и номенклатуры труднообрабатываемых материалов (высокотвердых легированных, жаропрочных сталей, чугунов и других сплавов), при резании которых в зоне контакта с инструментом возникают высокие температуры (свыше 8000С). Это приводит к постоянному совершенствованию режущей керамики, обладающей высокой теплостойкостью.
Применение режущей керамики давно стало привычным явлением. Развитие здесь идет в направлении расширения областей применения. Традиционно керамика применялась для обра-
ботки чугунов и закаленных сталей в благоприятных условиях. Современная керамика позволяет обрабатывать твердые материалы в неблагоприятных условиях (например, при прерывистом резании), существенно повысить эффективность обработки материалов аэрокосмической отрасли.
В среднем по миру доля керамического инструмента в общей массе режущего инструмента составляет не более 5%. Однако в аэрокосмической отрасли и вообще в сфере высших технологий доля керамического инструмента составляет 60%.
Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений - нитрида бора с кубической решеткой ф-BN, обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si3N4 (рисунок 1).
По составу режущую керамику подразделяют на:
- оксидную - на основе А12О3 (99%) с добавками оксидов магния и циркония (белая); на основе окиси хрома (бихромит Р);
- оксидокарбидную А12О3 (60-80%) с оксидами и карбидами тугоплавких металлов (черная);
- оксидонитридную А12О3 и TiN (кортинит);
- нитридную на основе нитрида кремния Si3N4;
- на основе оксида алюминия А12О3 и нитрида кремния Si3N4 (сиалон);
- армированную на основе оксида алюминия А12О3 и нитевидных кристаллов SiC.
Сегодня в мире режущую керамику (РК) выпускают более 20 крупных фирм, таких как «Sandvik Coromant» (Швеция), «Krupp Widia» (Германия), «Kennametall» (США), NTK (Япония) и др. В таблице 1 приведена сравнительная таблица марок режущей керамики, выпускаемой передовыми разработчиками и производителями керамических материалов.
Сравнительные значения физических свойств основных марок режущей керамики сведены в таблице 2.
Анализ свойств режущей керамики, описанных в работах [1; 2; 3; 4], позволяет выявить сильные стороны и возможности использования режущей керамики при обработке материалов аэрокосмической отрасли (таблица 3), а также определить слабые стороны и возможные угрозы при использовании инструментальной керамики (таблица 4).
Рисунок 1 - Классификация режущей керамики по стандарту DIN ISO 513
Код применения ar c <п Kennametal Sandvik Coromant Sumitomo Kyocera Tungaloy NTK TaequTec SSanqyounq
P01 K060 K090 NB90S NB 100C A66N KT66 LX11 LX21 HCl HC4 ZC4 HC7 ZC7
P10 WX120 WA1
M10 KY1540 KY1525 WX120
K01 IN11 KY1615 CC620 NB90S KA30 LX11 HCl AW20 SZ200
KY1310 CC650 NB90M LX21 HW2 HC2 HC6 HC7 SD200
K10 IN23 KY1320 KY3500 KY2100 KY4300 CC690 CC6090 GC1690 NS260C NS260 WX120 A65 A66N KT66 WA1 SX1 SX5 SP2 SX9 AW30 ST100
K20 IS8 CC6190 NS260C KS500 FX105 SX8 AS10 SN26
IS80 NS260 KS6000 CX710 SP2 SX1 SX6 SX9 AS500 SC10 SN300 SN300 SN500 SN800
S01 IS16 KYS30 CC6060 CC6065 SN700
S10 KY4300 KY1540 CC670 CC6080 WX120 WA1 AS20
H01 IN22 KYS25 GC6050 NB A65 LX11 HC4 AB2010 ST300
KYS40 CC650 CC670 100C A65N KT66 HC7 ZC4 ZC7 AB20
H10 KY1615 KY4300 A65 A65N KT66 JX1 JP2
Таблица 2 - Сравнительные значения физических свойств основных марок режущей керамики
Марки керамики Состав Предел прочности при изгибе s ,, Гпа и" не менее Плотность г, г/см3 HRA, Hv не менее
я а X ЦМ332 Al2O3 - 99% MgO- 1% 0,3-0,35 3,85-3,90 91
ВО-13 Al2O3 - 99% 0,45-0,5 3,92-3,95 92
ч: s ВШ-75 Al,°3 0,25-0,3 3,98 91-92
о ^ НС1 Al2O3 > 99% 0,6 - 0,7 3,98 94,5
О СС650 Al2O3 0,48 3,97 93
В-3 Al2O3 + TiC 0,6 4,2 94
BOK-63 Al2O3 + TiC 0,65-0,7 4,2-4,6 94
к а X BOK-71 Al2O3 + TiC 0,7-0,75 4,5-4,6 94
HC2 Al2O3 + TiC 0,7-0,8 4,3 94,5
ч: s HC4 Al2O3 + TiC 1.0 4.6 95
10 HC7 Al2O3 + TiC 1.1 4.6 95
р га ST100 Al2O3 + TiCN 0.4 4.2 Hv 2.1
ST300 Al2O3 + TiCN 0.4 4.4 Hv 2.15
ч: s ST500 Al2O3 + TiCN 0.4 4.3 Hv 2.2
с ^ О SZ200 SZ300 Al2O3 + ZrO2 AI2O3 + ZrO2 0.45 0.45 4.0 4.1 Hv 1.8 Hv 1.85
1 о чд ^ и тр и д н а я ОНТ-20 Кортинит А1203 > 60% ™ - 30% 0,64 4,3 90-92
о ^ AS500 А12О3 + Si3N4 0.55 3.2 93.9
О н Сиалон
РК-30 SiзN4, Y2Oз, ПС 0,7-0,8 3,2-3,4 94
силинит-Р
к га ТВИН-200 Si3N4 0.75 3.45 93.5
SN300 Si3N4 0.6 3.2 ^ 1.6
X : SN400 Si3N4 0.7 3.2 ^ 1.65
SN500 Si3N4 0.8 3.2 ^ 1.70
н SN800 Si3N4 0.9 3.2 ^ 1.85
SX1 Si3N4 1.2 3.2 93.5
SX8 1.2 3.2 93
AS10 Si3N4 0.6 3.2 93.7
к га ТВИН-400 А1203 + SiC 0,85 3,7-3,8 94
X га Wiskerit А1203 + ZrO2 1,0 5,91 ^ 1,8
о о. нитевидные SiC
5 с < WA1 А1203 + SiC 0.7 3,7 94,5
к га н Бихромит Р Сг203 + Сг3С2 + AlN 0,6-0,8 5,6 92-94
о ^ 5
сх X
Таблица 3 - Сильные стороны и возможности использования режущей керамики при обработке материалов аэрокосмической отрасли
Сильные стороны режущей Влияние Возможности использования Влияние
керамики показателя режущей керамики показателя
Высокая твердость (HRA 91-93) 19% Возможность применения высоких ско- 40%
Высокая теплостойкость (Т=1100-1200°С) 18% ростей резания, намного превосходящих
Высокая износостойкость 15% скорости резания инструментом из твер-
Химическая пассивность по отношению к 12% дого сплава (до 900-1000 м/мин)
обрабатываемым материалам Возможность обработки закаленных 35%
Низкие адгезионные свойства 10% сталей
Отсутствие наростообразования 10% Возможность замены шлифования 25%
Отсутствие связующей фазы 9%
Доступность сырья, используемого при их
производстве 7%
Таблица 4 - Слабые стороны и возможные угрозы при использовании инструментальной керамики
Слабые стороны Влияние Возможные угрозы при Влияние
режущей керамики показателя использовании показателя
режущей керамики
Хрупкость, невысокая ударная вязкость 30% Непрогнозируемое хрупкое разрушение 40%
Низкая изгибная прочность 25% и выкрашивание режущей части под дей-
Чувствительность по отношению к перемен- 20% ствием сил резания
ным механическим нагрузкам и вибрациям Возникновение трещин из-за вибраций 25%
Высокая чувствительность к резким темпе- 15% системы СПИД
ратурным колебаниям (тепловым ударам) Возникновение трещин из-за тепловых 20%
из-за высокого коэффициента температур- ударов
ного расширения Потеря точности и шероховатости обра- 15%
Низкая трещиностойкость 10% батываемой поверхности
Совершенствование возможностей режущей керамики, устранение слабых сторон и возможных угроз при её использовании ведется в следующих основных направлениях:
1 Увеличение прочности.
2 Повышение эксплуатационных характеристик.
3 Совершенствование технологий прессования.
4 Применение технологии реакционного синтеза.
5 Производство нанокомпозитов, получение слоистых композиций.
6 Соблюдение требований к станку, приспособлениям, вспомогательным инструментам, режущему инструменту, технологии программирования.
1 Увеличение прочности
Для увеличения прочности режущей керамики ведутся работы в следующих направлениях:
- совершенствование составов керамики;
- использование специальных технологий создания микротрещин;
- физико-химический способ повышения надежности керамики.
Совершенствование состава оксидокарбид-ной и оксидонитридной керамик заключается в том, что помимо оксида алюминия в него входят карбиды или нитриды тугоплавких компонентов. Эффект от их введения связан с подавлением процесса рекристаллизации при спекании. В результате этого величина зерна снижается примерно в 2 раза, что приводит к повышению прочности (до 600-650МПа). Прочность нитридной керамики еще выше - до 750МПа.
Создание композиционного материала происходит также путем введения в керамику волокон из более прочного керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 1800-2000 МПа, существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.
Степень повышения прочности и твердости армированной (вискеризованной) режущей керамики определяется большим числом факторов. Наибольшее влияние оказывают объемная доля, размеры (отношение длины к диаметру) и свойства нитевидных частиц. Поэтому получение заданных свойств на границе раздела «А1203 - SiC» в условиях невысокой стабильности свойств нитевидных частиц при температурах спекания затруднительно.
Сфера применения армированной керамики: черновая и чистовая обточка и фрезерование серого чугуна; токарная обработка жаростойких сплавов; высокоскоростное точение стали; токарная обработка отбеленного чугуна.
Второй способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами. При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины , и о н а д ал ь ше н е ра спрост ра н я ется . 58
Физико-химический способ повышения надежности керамики реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si3N4. Способ основан на образовании определенного стехио-метрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название силинит.
Нитридная режущая керамика на основе Si3N4 благодаря наличию в своей структуре столбчатых включений обладает высокими значениями прочности, вязкости разрушения, теплопроводности. Такой уровень свойств позволяет использовать эту керамику для чернового, получистового, чистового точения и фрезерования чугунов и сплавов на основе никеля, кобальта. Необходимо также отметить, что нитридная керамика практически единственный вид режущей керамики (РК), который благодаря высокой термостойкости способен работать в условиях применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако повышенная химическая активность к сплавам на основе железа ограничивает применение этого вида РК.
Примером высокопрочной керамики являются сиалоны состава Si 6_х А1х^_хОх где х - число замещенных атомов кремния, азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 4,2. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.
В состав этих веществ входят четыре элемента: Si, А1, О, N (отсюда и название - сиалон), а также ряд других элементов, внедряющихся в кристаллическую решетку сиалонов. Сиалоны -оксонитридные фазы, структура которых построена из тетраэдров А1) (О, сочлененных в трехмерный каркас. Некоторые сиалоновые фазы характеризуются прекрасными механическими свойствами и устойчивостью в условиях действия химических агрессивных сред при высоких температурах. Спекание сиалонов осуществляется более просто, чем спекание нитрида кремния.
Дальнейшее повышение стойкости инструментальной керамики на сиалоновой основе может быть достигнуто путем введения дисперсно-упрочняющих фаз, повышающих энергию разрушения. Наилучшие прочностные характеристики в сочетании с увеличенной стойкостью показывают материалы, содержащие 10% об. ТЮ, ™ или Та^
Керамика на основе оксида хрома может рассматриваться как представитель нового поколения керамических материалов прежде всего для режущих инструментов высокопроизводительного резания со значительно улучшенными скоростными характеристиками. Новый материал, разработанный в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины, получил торговую марку бихромит-Р. В состав исходной шихты входит до 15% об. упрочняющих фаз-наполнителей в виде карбида хрома (Сг3С2) и нитрида алюминия (А^) [5].
2 Повышение эксплуатационных характеристик
Для повышения ее эксплуатационных характеристик в промышленности используют различные способы нанесения износостойких покрытий [6; 7]. В настоящее время модификация поверхностных свойств сменных многогранных пластин (СМП) из режущей керамики для оснащения лезвийных инструментов путем газофазового и ваку-умно-плазменного нанесения покрытий является одним из наиболее эффективных способов повышения различных свойств РК. Покрытия различного состава, структуры и свойств, нанесенные на рабочие поверхности керамических СМП, позволяют направленно управлять контактными процессами, тепловым состоянием режущего инструмента, интенсивностью его изнашивания.
Для указанных целей используют несколько методов нанесения покрытий. Одним из них является метод, основанный на получении покрытий при высокотемпературных гетерогенных химических реакциях в парогазовой среде, получивших наименование «химическое осаждение покрытий» (ХОП), или chemical vapor deposition (CVD). Так как процессы ХОП (CVD) реализуются при температурах порядка 1050-1100°С и совершаются при большей продолжительности по времени (до 5-8 часов). В данном случае высока вероятность формирования переходной зоны между покрытием и керамическим субстратом, приводящей к снижению прочности субстрата.
Другим методом нанесения покрытий на керамический инструмент является технология на основе физического осаждения покрытий (ФОП), или physical vapor deposition (PVD). Достаточно большое разнообразие методов ФОП (PVD) связано с различием способов испарения тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов непосредственно в вакуумных установках, которые обычно используют в качестве основы химических соединений покрытий. Процессы ФОП (PVD) формируются при возможности варьирования температуры процесса в широком диапазоне (200-800 0С), что практически блокирует формирование разупрочняющей переходной зоны в системе «РК-покрытие», и в то же время высокоэнергетические потоки плазмы способны оказать значительное залечивающее воздействие на поверхностные дефекты (микропоры, трещины, искажение решетки и т.д.).
В мировой практике производства инструмента из режущей керамики получили применение две разновидности процессов ФОП - магнетрон-но-ионное осаждение (МИО) и вакуумно-дуговое осаждение (ВДО), получившее наименование КИБ.
3 Совершенствование технологий прессования
Эффект снижения образования трещин дает горячее изостатическое прессование (ГИП) высок о п л о_т н о й р е_ж у щей к е р а мик и . ГИ П п о з в о л я е_т СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 12
получать СРП практически любой формы с однородной и мелкозернистой структурой, с высокой (почти 100%) плотностью и с минимальными припусками на окончательное шлифование. Хотя стоимость пластин, изготовленных методом ГИП, в 1,3 раза выше, чем стоимость пластин, спеченных обычным способом, СРП, полученные ГИП, эффективны в массовом производстве.
Отказы режущих пластин из нитридной керамики, полученной методом ГИП, в основном происходят вследствие изнашивания без сколов и выкрашиваний. Это позволяет практически точно прогнозировать период работы инструмента до достижения отказа по установленному критерию износа, что крайне важно в условиях автоматизированного производства.
Керамические режущие СРП, полученные методом ГИП из смеси на основе карбида титана ТЮ , обеспечивают высокий уровень надежности при обработке ковкого чугуна на скорости резания более 400 м/мин. Сфера применения: получистовое и чистовое точение ковкого чугуна, а также высокоскоростное точение серого чугуна с использованием смазочно-охлаждающих технологий (СОТС).
4 Применение технологии реакционного синтеза
Другим перспективным направлением получения новых керамических режущих материалов в условиях уменьшения сырьевых ресурсов земли и связанной с этим катастрофическим ухудшением экологии из-за эффективного развития промышленности является разработка ресурсосберегающих технологий с применением методов реакционного синтеза [7]. Разработка ресурсосберегающих технологий основана на использовании реакционных смесей типа МеО + А1 (Т1, Мд и др.) + С, где Ме - тугоплавкий металл. Среди данных методов выделяют реакционное спекание, реакционное горячее прессование, метод СВС-компактирования.
Основным преимуществом данных методов является возможность совмещения процесса синтеза составляющих фаз и формирования материала в целом. Характер взаимодействия веществ в реакционной смеси обеспечивает высокую прочность межфазовых границ и мелкозернистость структуры.
5 Производство нанокомпозитов, получение слоистых композиций
Разработка нанокомпозитов (с размером зерна 200 нм) из порошков (с размером 100 нм) позволяет повысить эксплуатационные характеристики РК-материалов в несколько раз по сравнению с классическими [8]. Кроме того, использование нанопорошков позволит расширить номенклатуру тугоплавких соединений, используемых при изготовлении режущей керамики. Применение нанопорошков позволяет снизить температуру и время синтеза композитов на их основе. Однако склонность к агломерации, низкая прессуемость и связанная с эти м бол ьшая усад ка в п роцессе
59
спекания, а также высокая рекристаллизационная способность приводят к формированию неоднородной структуры таких композитов и нестабильности их свойств.
Важным направлением в области изготовления современной режущей керамики является создание градиентных структур. Градиентная керамика представляет собой многослойную режущую пластину, состоящую, например, из чередующихся слоев керамики на основе А12О3 или Si3N4 и слоев твердого сплава. Толщина каждого слоя (их количество обычно варьируется от двух до семи) составляет 0,1-3 мм. Такой инструментальный материал обладает всеми преимуществами режущей керамики, но при этом имеет более высокие прочностные характеристики и теплопроводность.
Композиты типа керамика - твердый сплав состоят из двух слоев: рабочего керамического слоя толщиной 1-2 мм и твердосплавной подложки. Для сплава ВОК 85-С подложкой служат стандартные сплавы WC-Co, а для композита ВОК 95-С используют безвольфрамовые твердые сплавы.
Создание слоистых композиционных материалов преследует следующие цели: сохранение износостойкости и химической инертности режущей части, свойственной керамике; повышение механической прочности режущей пластины в целом; увеличение отвода тепла в корпус державки за счет большей теплопроводности твердого сплава; увеличение сопротивления режущей части пластины разрушению; повышение надежности работы композиционного режущего материала по сравнению с «чистой» керамикой.
6 Соблюдение требований к станку, приспособлениям, вспомогательным инструментам, режущему инструменту, технологии программирования
Необходимо отметить, что эффективное применение инструмента из различных типов РК возможно только при использовании станочного оборудования повышенной жесткости, качественных и жестких державок для крепления СМП и повышенной жесткости технологической системы станок, приспособление, инструмент, деталь (СПИД) [7].
Требования к станкам:
• жесткая станина;
• возможность обеспечить высокую скорость резания;
• высокая жёсткость шпинделя;
• современные системы ЧПУ.
Требования к зажимным приспособлениям и вспомогательным инструментам:
• крепление инструмента на станке должно соответствовать особенностям обработки режущей керамикой, обеспечивая достаточную жёсткость и надёжность;
• зажимные приспособления должны подбираться с учётом особенностей обработки режущей к е р а м и к о й ;
60
• патроны и оправки должны быть сбалансированы;
• рекомендуется использовать охлаждение сжатым воздухом.
Особенности программирования станков:
• правильное врезание инструмента в заготовку и распределение припуска по проходам;
• правильная траектория захода и выхода инструмента;
• прогрессивные методы программирования (врезание по дуге, проходы с переменной глубиной резания);
• доступность CAD/CAM системы.
Фрезы:
• надёжное крепление пластин в корпусе фрезы;
• жёсткие корпуса фрез;
• шлифованные хвостовики;
• точные посадочные места под пластины;
• подача СОЖ или сжатого воздуха через корпус фрез.
• подготовка режущей кромки
Производители металлорежущего инструмента увеличивают прочность керамических пластин, соответствующим образом подготавливая режущую кромку. Как правило, используют один из двух способов подготовки режущей кромки: защитная фаска (ширина 0,15-0,2 мм, угол наклона 8°-30°) или защитный радиус (0,05-0,15 мм). Добавление фаски с отрицательным передним углом перенаправляет силы резания так, что пластина работает на сжатие, а не на изгиб. Иногда применяется сочетание защитной фаски и защитного радиуса для тяжелых условий обработки. Применение защитного радиуса рекомендуется при лункообра-зовании на поверхности пластины.
Выводы
1 Проделанный анализ позволяет утверждать, что если в ближайшем будущем режущая керамика станет надежной и дешевой и будут созданы новые теории прочности керамики, то доля её использования в аэрокосмической отрасли возрастет, значительно превысив показатель на сегоднейший день - на уровне 60%.
2 Анализ тенденций развития керамического режущего инструмента свидетельствует о больших перспективах этого инструмента в ближайшем будущем, причем увеличение общего объема выпуска керамического инструмента взаимосвязано с совершенствованием технологии производства, оптимизацией состава традиционных марок керамики, широким применением армированной керамики, многослойных покрытий и расширением области применения инструмента на основе нитрида кремния.
Список литературы
1 Осипова И. И., Шведков Е. Л. Режущая керамика // Порошковая металлургия. 1992. № 9. С. 31-45.
2 Гнесин Г. Г., Осипова И. И.. Ронталь Г. Д. и др.
Керамические инструментальные материалы /под ред. Г. Г. Гнесина. Киев : Техника, 1991. 338 с.
3 Сотова Е. С., Верещака А. А., Верещака А. С. Керамические режущие инструменты. М.: Изд-во ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013. 149 с.
4 Кузин В. В. Инструменты с керамическими режущими пластинами. М. : Янус-К, 2006. 160 с.
5 Геворкян Э. С., Романчук С. А. Структура, физико-механические и режущие свойства материала бихромит-Р // Сверхтвердые и композиционные материалы и покрытия, их применение : сб. науч. тр. АН УССР / Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля / отв. ред.
П. С. Кислый. Киев : ИСМ, 1991. С. 33-35.
6 Волосова М. А. Технологические принципы нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент из керамики : справочник // Инженерный журнал. 2005. № 8. С. 46-47.
7 Крапостин А. А. Обеспечение надежности резцов, оснащенных керамикой на основе повышения динамических характеристик резания и применения наноструктурирован-ных многослойных покрытий : дис. ... канд. техн. наук. М. : ФГБОУ ВПО «СТАНКИН», 2015. 174 с.
8 Гениатулин А. М. Анализ состояния и перспектив развития режущей керамики // Вестник Курганского госуниверситета. Серия «Технические науки». 2011. Вып. 6. С. 56-58.
УДК 621.7.043
А.И. Сергеев, А.И. Сердюк Оренбургский государственный университет
А.В. Щеголев, М.В. Иванюк, А.В. Кузьмин АО «Механический завод», Орск
влияние скорости движения пуансона на толщину стенки при изготовлении баллонов высокого давления
Аннотация. Описан вычислительный эксперимент для определения влияния скорости движения пуансона на толщину стенки при изготовлении баллонов высокого давления. Приведена схема определения толщины стенки баллона на основе результатов компьютерного моделирования. Выполнена оценка влияния скорости перемещения пуансона на толщину стенки баллона в различных сечениях.
Ключевые слова: глубокая вытяжка, скорость движения пунсона, баллон высокого давления, толщина стенки баллона.
A.I. Sergeev, A.I. Serdjuk Orenburg State University A.V. Schegolev, JM.V. Ivanyuk A.V. Kuzmin JSC «Mechanical Plant», Orsk
the influence of plunger's action speed to the wall thickness in high-pressure tank making
Annotation. The article describes a computational experiment of determination of the influence of plunger's action speed to the making. We present the scheme of determination of high-pressure tank wall thickness based on computer modeling. We made the evaluation of the influence of plunger's traversing speed on the high-pressure tank wall thickness in different sections.
Keywords: deep drawing, plunger speed, high-pressure tank, high-pressure tank wall thickness.
При производстве цельноштампованных изделий, которыми являются стальные баллоны для хранения и транспортировки газов и других продуктов, широкое распространение получил способ изготовления методом глубокой вытяжки с утонением. Вытяжка - это процесс превращения плоской или полой заготовки в открытую с одной стороны полую деталь замкнутого контура.
По сравнению с обычной вытяжкой без принудительного утонения стенок вытяжка с утонением стенок имеет следующие преимущества:
- не требует применения сложных штампов;
- производится на прессах простого действия, в то время как обыкновенная вытяжка глубоких полых деталей без принудительного утонения стенок ведется обычно на прессах двойного действия;
- при правильно выбранной степени деформации число вытяжных операций для изготовления полых деталей меньше;
- качество металла в результате вытяжки с утонением улучшается за счет того, что при нескольких вытяжках с утонением, чередующихся с отжигом, структура металла делается более мелкозернистой (исключение составляет зона дна, где наблюдается рост зерна).
Одной из проблем при выполнении вытяжных операций является автоматизация технической подготовки производства, включающая проектирование вытяжного инструмента и разработку технологических режимов по известным методикам с применением уточняющих коэффициентов. Однако зачастую разработанная документация требует глубокой доработки после выполнения серии опытных испытаний, что приводит к увеличению сроков запуска в производство нового изделия и к затратам предприятия на изготовление пробных образцов вытяжного инструмента. Для решения данной проблемы используется компьютерное моделирование. Так, в работе [1] при помощи компьютерного моделирования в программе DEFORM 2D/3D выявлены наиболее нагруженные поверхности пуансона, напряжения на которых подтверждены экспериментально.
В представленной работе описан вычислительный эксперимент в программе DEFORM 3D для определения влияния скорости движения пуансона на толщину стенки при изготовлении баллонов высокого давления объемом 4,3 литра.
Для м одел и ро ва н ия о п е ра ции све ртки в пре-
61
