Закатка горловины баллонов высокого давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.983; 539.374

ЗАКАТКА ГОРЛОВИНЫ БАЛЛОНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

М.В. Грязев, В.Ю. Травин, Ю.В. Бессмертная

Предложена новая технологическая схема закатки горловины баллонов высокого давления из высокопрочных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной коррозионной стойкостью.

Ключевые слова: вытяжка с утонением, эксперимент, двухслойный материал, скорость деформации, деформация, напряжение, повреждаемость, сила, пластичность.

Баллоны высокого давления предназначены для хранения и транспортирования сжатого воздуха, используемого в аппаратах для дыхания при пожаротушении, аквалангах и т.д. Основные характеристики баллонов определяются исходя из требований высокой конструктивной прочности и эксплуатационной надежности, а также эргономических требований (прежде всего, минимальных массовых характеристик). В связи с изменяющимися условиями характеристики ранее существовавших конструкций баллонов (по ТУ 3-7504304-16-92) перестали в полной мере удовлетворять более жёстким требованиям эксплуатации. Поэтому на ОАО «НПО Сплав» спроектирована усовершенствованная конструкция баллона высокого давления со следующими основными данными: длина, мм - не более 600; диаметр, мм - 140...170; масса, кг - не более 9; ёмкость, дм3 (л) - не более 7; рабочее давление, МПа - 300 [1-3]. Перспективной технологией изготовления баллонов высокого давления, испытывающих внутренние давления до 30 МПа, является технология на базе вытяжных операций из кружковой листовой заготовки.

На основе выполненных теоретических исследований разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей из двухслойных материалов, создан но-

3

вый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали 12Х3ГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками [4-6].

Схема изготовления заготовки включает семь формоизменяющих операций: пять вытяжек корпуса, вытяжку с утонением стенки с ограничением для формирования механических свойств, вытяжку утолщенной части стенок с промежуточными термическими операциями восстанавливающего отжига. На операциях вытяжки без утонения стенки использовались радиальные матрицы.

Разработаны и внедрены мероприятия по использованию надежных технологических смазок на формоизменяющих операциях. Предложено в качестве смазки использовать «Препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ». Металлографические исследования показали соответствие структуры материала готовых изделий техническим требованиям по эксплуатационным характеристикам.

После контроля качества заготовки под закатку горловины поступают на операцию «закатка горловины» [3]. На рисунке изображены последовательно три стадии этой операции (пунктирными линиями показано начало формоизменения).

Схема процесса закатки горловины: а - первая стадия; б - вторая стадия; в- третья стадия; г -сформированная горловина

Процесс осуществляется следующим образом. Заготовку 1, конец которой предварительно нагревают до требуемой температуры в высокочастотном индукторе, закрепляют в шпинделе 2 станка с цанговым зажимом и приводят во вращение вокруг своей оси (по стрелке) с частотой 300 мин-1. На первой стадии процесса закатки (рис., а) перемещением опорного калибрующего ролика 3 в радиальном и осевом направлениях формуют опорную поверхность 4 с уменьшением диаметра отверстия на торце до диаметра 35...40 мм. Затем на второй стадии процесса (рис., б) сообщают возвратно-поступательное движение формующему радиусному (0 50 мм) ролику 5. Перемещая его по криволинейной траектории, деформируют участок заготовки с опорной поверхностью 4, предварительно оформляя переходный и цилиндрический участки горловины баллона.

Процесс закатки происходит за несколько проходов инструмента. Величина обжатия диаметра при деформировании предварительного профиля не превышает 0,3 радиуса формующего радиусного ролика 5 за один проход. При формировании предварительного профиля (переходного и цилиндрического участков) зона контактной поверхности ролика 3 с заготовкой 1 с каждым проходом уменьшается. После оформления предварительного профиля на заключительной третьей стадии процесса (рис., в) перемещением ролика 3 формуют окончательные размеры горловины и элементов профиля баллона. Затем инструмент - ролик 5 возвращают в исходное положение, а заготовку 1 удаляют из шпинделя 2 станка.

На второй стадии процесса при предварительной формовке горловины роликом 5 площадь контакта металла с роликом 3 постепенно уменьшается. Контактирующий с заготовкой 1 участок ролика 3 препятствует истечению металла в осевом направлении, в результате чего происходит увеличение толщины стенки в переходной и цилиндрической частях горловины баллона (с£ на ^ и з^) (рис., г). Формируя опорную поверхность 4 необходимой величины, на первой стадии процесса закатки в сочетании с постепенным обжатием диаметра на второй стадии, данный способ закатки позволяет регулировать и получать необходимое рациональное распределение толщины металла в переходной и цилиндрической частях горловины баллона и обеспечивает более качественные характеристики изготавливаемых баллонов. В результате формования горловины на второй стадии за несколько проходов значительно снижаются необходимые силы для деформирования металла.

Ограничение величины обжатия диаметра на второй стадии процесса закатки до 0,3 радиуса ролика 5 связано с тем, что с увеличением степени обжатия диаметра при деформировании нагретого конца тонкостенной заготовки 1 перед формирующим радиусным роликом 5 образуются вспучивания металла (наплыв, волны), приводящие к образованию гофр и закатов на переходной поверхности и горловине баллона.

5

Необходимость проведения третьей стадии процесса закатки связана с обеспечением окончательных размеров горловины и элементов профиля, которые невозможно получить на второй стадии процесса, например, длину цилиндрической части горловины и элементов профиля переходной части (I, Л и Л^).

Экспериментальные исследования опытных партий изделий выявили их соответствие техническому заданию. Гидравлические и циклические испытания баллонов на разрушение показали, что их прочностные характеристики соответствуют техническим требованиям.

Работа выполнена по гранту РФФИ № 13-08-97-519 р_центр_а.

Список литературы

1. Трегубов В.И. Изготовление баллонов высокого давления из высокопрочных двухслойных материалов вытяжкой. М.: Машиностроение, 2003. 164 с.

2. Патент РФ 2175738. Баллон высокого давления для дыхательных аппаратов / В.И. Трегубов, В.В. Бирюков, Г. А. Денежкин, А.Ф. Куксенко, Н.А. Макаровец [и др.].

3. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок на специализированном оборудовании / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.

4. Вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойных анизотропных материалов / М.В.Грязев, С.С.Яковлев, О.В.Пилипенко, В.И.Трегубов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 1. С. 3-16.

5. К оценке силовых режимов и предельных возможностей вытяжки с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойных анизотропных материалов / М.В.Грязев, С.С.Яковлев, В.Ю.Травин, Ю.В.Бессмертная //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 3. С. 3-11.

6. Технологические параметры операции вытяжки с утонением стенки двухслойного упрочняющегося материала/ М.В. Грязев, С.С. Яковлев, В.Ю. Травин, Ю.В. Бессмертная //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 4. С. 61-69.

Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, тр{-Ы1а@,гатЪ1ег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, доц., тр/-Ы1а@,гатЪ1ег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

6

Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, ассист., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TO THE ASSESSMENT OF POWER MODE AND LIMITS OF THE HOOD TO THE WALL THINNING ROTA TIONALLY SYMMETRIC PARTS OF TWO-LA YERED ANISOTROPIC

MATERIALS

M.V. Gryazev, S.S. Yakovlev, V.Yu. Travin, Yu.V. Bessmertnaya

The basic equations and relations for the theoretical analysis of drawing operation with thinning cylindrical workpiece from two-layer anisotropic materials with anisotropic mechanical properties of the ground and the clad layers, the analysis which allows us to determine the kinematics of the flow of material, the stress and strain state, to assess the degree of deformation limit depending on the conditions operation of the component.

Key words: anisotropy, experiment, extractor hood, double-layer material, the rate of deformation, deformation, stress fracture, defect, strength, ductility.

Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, rector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Bessmertnaya Yuliya Vyacheslavovna, candidate of technical sciences, assistant, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University