РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРОФИЛИРОВАННОЙ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Толстостенные трубчатые изделия с прецизионными элементами внутреннего профиля (6…8 квалитет, при шероховатости 0.16…0.64 мм) достаточно широко применяются в машиностроении, приборостроении и изделиях специального назначения.

Типовым примером изделий специального назначения могут служить стволы артиллерийского и стрелкового оружия (СО). Технология их изготовления предусматривает две стадии:

Получение глубокого отверстия с указанными геометрическими параметрами внутренней поверхности.
Получение на внутренней поверхности профильных элементов.

Каждая из них требует нескольких операций и специального оборудования.

Чаще всего канал в заготовке ствола производится по схеме: предварительное сплошное сверление, развёртывание, чистовое развёртывание. В качестве финишных операций, применяют хонингование или протягивание, а в последнее время – электрохимическую обработку.

Большой научный и практический интерес представляет совершенствование процессов изготовления оружейных стволов методами пластической деформации по следующим основным причинам:

в качестве материалов для изготовления стволов используются в основном конструкционные легированные высококачественные стали, такие как 30ХН2ФМА, 50РА и др., т.е. труднодеформируемые материалы;
необходимость получения исходной длинномерной толстостенной трубчатой заготовки с глубоким отверстием необходимой точности при шероховатости поверхности 0.16…0.32 мм;
канал оружейного ствола имеет высокую точность размеров и достаточно сложную геометрическую форму профильных элементов, образующих винтовую поверхность;
эксплуатационные качества (баллистические характеристики) огнестрельного оружия напрямую зависят от качества внутреннего профиля оружейного нарезного ствола.

Однако при изготовлении канала ствола методами, основанными на холодном пластическом деформировании металла, не всегда обеспечивается желаемое качество канала.

В целом существующие методы профилирования ведущей части стволов не являются универсальными и имеют ряд существенных недостатков, среди которых можно выделить следующие:

высокая трудоёмкость (механическая и электрохимическая обработка);
необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования (шпалерование, радиальная ковка);
наличие остаточных напряжений в стволе (дорнование);
загрязнение экологии (электрохимическая обработка) и др.

Таким образом, вопрос создания новых нетрадиционных, высокопроизводительных методов изготовления высококачественных стволов стрелкового оружия, основанных на пластическом деформировании металла, в настоящее время остаётся достаточно актуальным.

Целью работы является развитие существующих и создание новых научно обоснованных, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей, технологических процессов изготовления длинномерных трубчатых ствольных заготовок и стволов СО с оптимальным профилем внутренней поверхности ведущей части канала, основанных на холодном пластическом деформировании металлов.

Разработка новых технологических процессов изготовления прецизионных трубчатых изделий методами холодной пластической деформации и проектирование необходимой для этого технологической оснастки невозможны без тщательного анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) в очаге деформации, определения энерго-силовых параметров и прочностных расчётов рабочих инструментов.

Ввиду низкой пластичности ствольных сталей, традиционное холодное выдавливание не обеспечивает необходимой степени деформации без разрушений. Поэтому, для повышения пластичности сталей при холодном формообразовании изделий используют схемы выдавливания в условиях НДС всестороннего неравномерного сжатия при деформации в среде высокого гидростатического давления или гидропрессование (гидроэкструзию).

Рассмотрено получениеметодом гидроэкструзии длинномерных прецизионных трубчатых заготовок с заданным внутренним профилем:

длинномерных трубчатых заготовок (ствольных заготовок) с глубоким гладким (цилиндрическим) отверстием;
трубчатых заготовок с образующими профильных элементов, параллельными продольной оси;
трубчатых заготовок с профильными элементами, образующими винтовую линию.

В результате анализа предложен и рассмотрен перспективный метод получения высокоточных трубчатых изделий с повышенными эксплуатационными свойствами (например, ствольных заготовок) методом гидропрессования на подвижной гладкой оправке.

Реализованная схема гидропрессования трубчатых заготовок с подвижной оправкой представлена на рис. 1.

Начальное положение, перед выдавливанием, отображено слева, а в процессе – справа от оси симметрии.

Бандажированный контейнер 1 установлен на плиту 5. Трубчатая заготовка 6 позиционируется фаской на конической кромке матрицы в контейнере. Дальше устанавливается оправка 4 и заливается рабочая жидкость. Верхняя коническая часть оправки обеспечивает уплотнение, для исключения протекания жидкости. Сверху оправки устанавливается шток 2 с уплотнением 3.

К штоку прикладывается усилие Рд. Во время перемещения штока 2 сначала коническая часть оправки перекрывает отверстие заготовки, а далее рабочая жидкость в контейнере 1 сжимается, создавая гидростатическое давление на свободную поверхность заготовки. Заготовка вместе с оправкой проходит через отверстие в матрице, в результате получаем необходимый внутренний диаметр и чистоту поверхности заготовки.

Анализ гидропрессования трубчатых заготовок из сталей 30ХН2МФА и 20Х17Н2 с подвижной гладкой оправкой проводили методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программного комплекса DEFORM TM -3D.

По результатам компьютерного моделирования было определено НДС изготовляемых деталей, необходимое гидростатическое давление, которое обеспечит деформирование в холодном состоянии для сталей 30ХН2МФА и 20Х17Н2 без разрушений (соответственно – 750 МПа и 700 МПа), конечную геометрию изделия, распределение удельных усилий на поверхности заготовки в месте контакта с инструментом, а также силовые параметры процесса.

Исходя, из полученных данных компьютерного моделирования был разработан технологический процесс получения ствольной заготовки и спроектирована оснастка для её изготовления путём гидроэкструзии в условиях высоких гидростатических давлений. На основании этого было изготовлено штамповое оборудование и реализован процесс гидроэкструзии ствольных заготовок на гладкой подвижной оправке. Сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными расчётным путём, показало их совместимость в пределах 10%, что подтвердило адекватность полученных расчётов.

Разработанная технология получения ствольных заготовок позволяет снизить себестоимость изготовления изделий и повысить продуктивность производства стволов СО. Это достигается путём исключения из технологического процесса методов получения заготовок на специальном оборудовании.

По результатам компьютерного моделирования показана возможность получения гидропрессованием на профильной оправке в среде высокого гидростатического давления фасонной внутренней полости трубчатой заготовки с образующими профильных элементов, параллельными продольной оси.

В то же время показано, что получить нарезной ствол с полигональным профилем поперечного сечения методом гидроэкструзии заготовки на профильной оправке при высоком гидростатическом давлении не представляется возможным из-за дополнительной деформации стенок профиля, обусловленной разными скоростями движения оправки и металла полуфабриката в очаге деформации.

Предложены новые технологии получения прецизионной толстостенной трубчатой заготовки с внутренними винтовыми канавками на примере изготовления ствола СО с полигональным профилем (рис. 2):

двухпроходной процесс, основанный на обжатии ствольной заготовки по профильной оправке неприводными роликами;
обжатие ствольной заготовки с профильной оправкой в гладкой конической матрице с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску по трём вариантам: без ограничения, с одно- и двухсторонним ограничением течения металла по длине.

Для формирования полигонального профиля внутренней поверхности ствольной заготовки, полученной методом гидропрессования в условиях неравноосного всестороннего сжатия, в работе использовался метод её обжатия после отжига на профильной оправке в неприводных роликах (валках). Четырьмя роликами создавалась волока (замкнутый калибр), через которую проталкивалась ствольная заготовка с профильной оправкой.

Данный процесс осуществляется за два прохода, так как ввиду неизбежного наличия зазора между роликами (валками), так называемых, «выпусков» при однократном проходе получается огранка ствольной заготовки, для устранения которой требуется дополнительный второй проход с предварительным поворотом полуфабриката после первого прохода на 45 0 (рис. 3).

Для изучения процесса профилирования внутренней поверхности ствольной заготовки, полученной обжатием по оправке неприводными роликами (валками), определения параметров НДС, усилий на ролики (валки) и крутящих моментов, знание которых необходимо для проектирования технологического устройства, использовался пакет прикладных программ DEFORM MT -3D на основе МКЭ.

Также проведено компьютерное моделирование процесса изготовления ствола с профилем полигонального типа проталкиванием-волочением ствольной заготовки с профильной оправкой через гладкую коническую матрицу (рис. 4), с помощью пакета прикладных программ DEFORM-3D, основанного на использовании МКЭ. Моделирование проводилось для обжатия в конической матрице с различными рабочими углами с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску без ограничения (сталь 30ХН2МФА), с одно- (сталь 30ХН2МФА и сталь 10) и двухсторонним (сталь 30ХН2МФА) ограничением течения металла по длине.

Результаты анализа показали приемлемость использования предложенного способа для изготовления ствола с профилем полигонального типа проталкиванием-волочением ствольной заготовки с профильной оправкой через гладкую коническую матрицу без ограничения течения металла по длине заготовки и с односторонним ограничением. Найдено оптимальное значение рабочего угла конической матрицы при обжатии трубчатой заготовки в указанных процессах, которое составило 10 0 .

Проведенные компьютерное моделирование и натурные эксперименты показали эффективность данных вариантов технологии изготовления стволов СО с полигональным профилем поперечного сечения.

Рассмотрена продольная устойчивость при осевом сжатии составного бруса, состоящего из цилиндрического стержня (оправки), вставленного внутрь цилиндрической трубы (заготовки), в области упругих и пластических деформаций для различных схем деформирования.

С помощью современных методов расчёта стволов СО была проведена проверка эффективности новых технологий их изготовления.

Впервые разработана методика определения НДС стволов СО с нарезной внутренней поверхностью различной формы, находящихся под воздействием внутреннего статического и динамического нагружения, основанная на использовании МКЭ. Данный расчёт был проведен с использованием компьютерной программы ANSYS.

Проведен расчёт параметров НДС ствола и оболочки пули при их взаимодействии в процессе выстрела. Рассматривалось динамическое взаимодействие пули с внутренней профилированной поверхностью ствола пистолета-пулемёта нарезного и полигонального типа. Анализ был проведен с использованием компьютерной программы ANSYS/LS-DYNA.

Выводы.

1. Впервые разработаны и опробованы новые технологии изготовления стволов СО из труднодеформируемых ствольных сталей методами холодного пластического деформирования (две стадии), исключающие недостатки, присущие традиционным способам получения изделий:

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎