Разработка и исследование технологических возможностей новой технологии изготовления бронебойных сердечников к пулям патронов стрелкового оружия

«Разработка и исследование технологических возможностей новой технологии изготовления бронебойных сердечников к пулям патронов стрелкового оружия»

Содержание Введение

1. Постановка задачи

1.1 Область применения изделий и предъявляемые к ним требования

1.2 Понятие «технологические возможности процесса»

1.3 Анализ применяемой технологии изготовления сердечников

1.4.Задачи исследования

2. Предлагаемая технология изготовления бронебойных сердечников

3. Исследование технологических возможностей процессов формообразования ступенчатых заготовок

3.1 Выбор методов исследования

3.2 Формообразование ступенчатых заготовок способами штамповки

3.2.1 Технологические особенности процесса штамповки

3.2.2 Анализ силовых параметров и механизма процесса деформации

3.2.3 Анализ напряженно-деформированного состояния

3.3 Формообразование ступенчатых заготовок способом плоской поперечно-клиновой прокатки

3.3.1 Характеристика способа

3.3.2 Анализ силовых параметров и характерных стадий процесса

3.3.3 Анализ напряженно-деформированного состояния

4. Моделирование нового процесса штамповки сердечника из ступенчатой заготовки

4.1 Постановка задачи

4.2 Анализ силовых параметров

4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния

5. Физическое моделирование нового процесса формообразования бронебойных сердечников способом штамповки из ступенчатых заготовок Выводы и заключение Литература

Введение

Создание в 1980 — 1990;х гг. относительно легких противопульных бронежилетов с высоким уровнем защищенности и насыщение ими подразделений сухопутных войск многих армий мира привело к необходимости совершенствования патрона с обыкновенной пулей.

Длительное время вопрос технологичности производства патронов превалировал над возможным повышением пробивного действия пули — как известно, оно обеспечивается в основном материалом и формой сердечника. В частности, не допускалась закалка сердечника, а его форма определялась трудоемкостью штамповки. Тем не менее, широкое распространение средств индивидуальной бронезащиты, обеспечивших защиту от пуль со стальным сердечником из малоуглеродистой стали, потребовало модернизации патронов.

Изменениям подверглись форма, материал (вместо малоуглеродистой стали, начали использовать высокоуглеродистую инструментальную сталь У12А) и процесс термообработки сердечника. В результате пуля стала бронебойной. Новый патрон был принят на вооружение в 2002 г. и получил наименование — «7,62-мм патрон образца 1943 г. с бронебойной пулей БП», условное наименование — «7,62 БП», индекс — 7Н23. Пробивное действие пуль новых патронов с новым сердечником повысилось в 1,5−2 раза.

Однако изменения формы и конструкции сердечника повлекли за собой усложнение технологии его изготовления, путем замены в технологическом маршруте штамповочных операций операциями обработки металлов резанием, что в свою очередь снизило производительность и увеличило затраты на материал, а также отрицательно сказалось на эксплуатационной прочности сердечника.

В условиях увеличивающегося спроса на данный вид продукции, одной из основных задач отрасли специального машиностроения является разработка прогрессивной технологии изготовления бронебойных сердечников пуль к патронам стрелкового оружия, отвечающей современным требованиям и тенденциям. В представляемой работе решается задача совершенствования технологии изготовления бронебойных сердечников за счет применения новых прогрессивных способов холодной обработки металлов давлением.

1. Постановка задачи

1.1 Область применения изделия и предъявляемые к нему требования Патрон 7Н23 предназначен для поражения живых целей в средствах индивидуальной бронезащиты (расположенных открыто или за легкими укрытиями), огневых средств и небронированной техники. По пробиваемости твердых преград он более чем в три раза превосходит патрон с обыкновенной пулей того же калибра. Именно стальной бронебойный сердечник обеспечивает пробивное действие. Конструкция пули и патрона показана на рис 1.1.

а) б) Рис. 1.1. Патрон образца 1943 г. клб. 7,62 мм с бронебойной пулей БП: а — пуля; б — патрон; 1 — оболочка; 2 — рубашка; 3 — сердечник Для вооружения современной армии требуется большое количество стрелковых боеприпасов. Огромный их расход определяет высокие требования к производству, его характеру и структуре. Поэтому вопросы совершенствования технологии изготовления патронов, ввиду значительных материальных и трудовых затрат, заслуживает самого пристального внимания. Производство бронебойных сердечников, как и всех элементов патрона, носит массовый характер, объем выпуска на предприятиях отрасли достигает десятков миллионов штук в год, и к ним предъявляются высокие требования по качеству. С точки зрения оценки технологичности конструкции изделия (ТКИ), бронебойный сердечник относится к низко-технологичным изделиям. Трудность изготовления изделия заключается в сложности формообразования головной части сердечника (рис. 1.2), получение острой или притупленной вершины. Решение задач интенсификации производства неразрывно связано с созданием ресурсосберегающих технологий, повышающих производительность труда и качество продукции.

Рис. 1.2. Эскиз бронебойного сердечника к патрону 7Н23

Требование обеспечения высокой надежности характеризует одновременно высокую степень сложности технологических требований, предъявляемых к технологии изготовления сердечников.

Надежная технология изготовления любого изделия обеспечивает необходимый комплекс его эксплуатационных свойств. Подсистема эксплуатации тесно связана с подсистемой технологии, поэтому создание надежной технологии изготовления бронебойных сердечников является одним из обязательных условий обеспечения соответствующих эксплуатационных свойств.

Технологические свойства бронебойных пуль и сердечников должны обеспечивать их качественное изготовление и при наименьших затратах всех видов ресурсов исключать возможность появления отказов при встрече пули с преградой в результате, например, разрушения сердечника. Критерии отказов обусловлены многими причинами, в том числе конструктивными и, в значительной степени, технологическими.

С технической точки зрения, оптимизация нагружаемой конструкции пули и сердечника заключается в нахождении конструктивных и технологических решений, обеспечивающих при имеющихся производственных возможностях наивыгоднейшее для заданных условий эксплуатации сочетание их показателей работоспособности.

Выбор конструкции, прежде всего формы изделия, определяется многими факторами: назначением, условиями функционирования, условиями изготовления и др.

На этом основании определилась форма сердечников в виде тел вращения сплошного сечения с различной формой образующей.

1.2 Понятие «технологические возможности процесса»

Под технологическими возможностями процесса следует понимать совокупность его технологических особенностей, определяющих возможность и целесообразность изготовления деталей с определёнными формой, размерами, качеством и механическими, эксплуатационными свойствами за наименьшее число операций при обеспечении прочности инструмента.

Технологические процессы должны гарантировать точность и взаимозаменяемость деталей, закономерное распределение механических свойств, строгое соответствие массе, заданной чертежом, минимальную разностенность, отсутствие трещин, царапин, заусенцев.

Выполнение требований по массе и точности размеров обеспечивает необходимые динамические и баллистические характеристики пули, стабильность ее полета. Минимальное отклонение от правильной геометрической формы, положение центра массы, отсутствие дефектов, трещин, царапин и др., технологически обеспеченная заданная закономерность распределения прочностных характеристик гарантируют невозможность демонтажа пуль, правильность полета их на траектории, высокую кучность и бронепробиваемость.

Под качеством изделия понимают совокупность свойств, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии со своим назначением. Количественные характеристики этих свойств называют показателями качества, которые могут выражаться в различных единицах. Различают единичные показатели качества, т. е. по одному из свойств продукции, и комплексные, относящиеся к нескольким свойствам.

Принято учитывать четыре главные группы свойств, проявляемые в процессах конструирования (конструктивные), изготовления (технологические), эксплуатации (эксплуатационные), сбыта (производственно-экономические).

К группе основных эксплуатационных показателей относятся показатели назначения, надежности и безопасности.

К показателям назначения относятся показатели качества функционирования технической системы, отражающие степень ее приспособленности к выполнению основных функций. Вид показателя качества функционирования и его значения во многом определяется целью, которую стремятся достичь при создании технического устройства. Показатель качества функционирования выражает меру полезности системы. В процессе эксплуатации изделия изменяется его состояние, а, следовательно, в каждом новом состоянии оно может выполнять свои функции с иным, определенным уровнем качества.

К показателям надежности относят показатели безотказности, долговечности и сохраняемости. Показатели безотказности характеризуют свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Показатели долговечности характеризуют свойства объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Показатели сохраняемости характеризуют свойство объекта сохранять исправное и работоспособное состояние в течении и после хранения (или) транспортирования.

Конструктивные свойства: геометрические, механические, физико-механические и другие — служат истинными или условными мерами оценки эксплуатационных свойств.

Технологические свойства изделия определяются понятием технологичности конструкции изделия (ТКИ), характеризующим его пригодность к изготовлению, эксплуатации, восстановлению и ремонту при обязательном обеспечении его эксплуатационных свойств.

К производственно-экономическим свойствам относятся невысокая стоимость и недефицитность материалов, применяемых для изготовления элементов, технологичность конструкции. При этом первостепенной задачей является снижение расхода металлов.

Повышение ТКИ обеспечивает значительное снижение расходуемого материалов, применение наиболее простых и экономичных способов изготовления, наименьшее число технологических операций, количество рабочих и технологического оборудования, наименьшую трудоемкость при наиболее высокой производительности и, в конечном итоге, наименьшую себестоимость патронов.

1.3 Анализ применяемой технологии изготовления сердечников Для анализа применяемой технологии выбран типовой процесс изготовления бронебойного сердечника к патрону 7Н23 из прутка, применяемый на Барнаульском патронном заводе.

От прутка отрезают в штампе цилиндрическую заготовку, которую затем калибруют, контролируя длину исходной заготовки, и подвергают фосфатированию, включающему подготовительную обработку: обезжиривание, промывку, травление, омыление, сушку и охлаждение. После фосфатирования полуфабрикаты проходят промежуточный контроль и транспортируются на роторную линию, где происходит штамповка первого и второго конусов сердечника. После штамповки выполняется промывка или протирка деталей. Затем выполняется заключительная формообразующая операция «обточка», в результате которой получается деталь с соответствующими чертежу размерами. Для обеспечения требуемых прочностных свойств деталь подвергается необходимой термической обработке (закалке и отпуску).

Несмотря на высокую степень автоматизации, данный технологический процесс имеет существенные недостатки:

1. высокую трудоемкость изготовления и низкую производительность вследствие использования станочного оборудования;

2. невысокую стойкость режущего инструмента ввиду быстрого износа его режущих кромок;

3. низкий коэффициент использования металла (не более 60−70%);

4. значительные производственные площади, занимаемые станочным оборудованием;

5. относительно высокие затраты электроэнергии;

6. перерезывание металлических волокон материала сердечников, что снижает их эксплуатационную прочность в целом и качество продукции;

7. применение разнотипного технологического оборудования.

В связи с этим целесообразно совершенствование технологии изготовления остроконечных бронебойных сердечников.

1.4 Задачи исследования

1. Разработка нового прогрессивного технологического процесса изготовления бронебойного остроконечного сердечника, основанного на применение способов пластического деформирования и исключение процессов обработки резанием.

2. Исследование технологических возможностей предлагаемых новых способов формообразования остроконечных сердечников.

3. Разработка рекомендаций.

2. Предлагаемая технология изготовления бронебойных сердечников Применение в технологии изготовления сердечников способов пластического формообразования обеспечивает ряд несомненных преимуществ по сравнению с заводской технологией:

1. высокая производительность;

2. высокая стойкость рабочего инструмента;

3. возможность механизации и автоматизации процесса;

4. высокий коэффициент использования металла;

5. возможность повышения эксплуатационной прочности сердечников при проникновении в преграду.

Несмотря на перечисленные выше преимущества способов пластического деформирования, основной проблемой при изготовлении сердечников и способа штамповки является точное формообразование головной части, заключающееся в трудности заполнения металлом при пластической деформации глухой полости матрицы с оживальной формой образующей и остроконечным углублением.

С целью обеспечения заполняемости металлом полости матрицы с оживальным профилем образующей и снижения удельных усилий, действующих на рабочий инструмент, на кафедре Е-4 БГТУ «Военмех» предложен новый способ штамповки сердечников, основанный на реализации принципа последовательной локальной деформации высадкой исходной ступенчатой заготовки (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Технологическая схема процесса последовательной локальной высадки (осадки) ступенчатой заготовки: а — исходное положение; б, в, г — 1-я, 2-я, 3-я стадии процесса; 1 — матрица; 2 — пуансон; 3 — заготовка Согласно этому принципу в применяемой ступенчатой заготовки отношение площадей поперечных сечений соседних сечений при перемещении к вершине с наименьшим диаметром всегда должно быть больше единицы и должно обязательно удовлетворять двум условиям:

а) локального пластического деформирования

;

б) продольной устойчивости пластического деформирования

где — критическое значение усилия, вызывающего пластическую деформацию в предшествующей j-й ступени заготовки на i-й операции; - относительная высота j-й деформируемой ступени.

На основе предварительных расчетов и экспериментов в данной работе предложена конструкция ступенчатой заготовки (рис. 2.2.), которая, как будет показано ниже, обеспечивает заполнение металлом полости матрицы с оживальной формой образующей.

Рис. 2.2. Эскиз ступенчатой заготовки Получение исходной ступенчатой заготовки возможно различными способами. Наиболее перспективными металлосберегающими методами предварительного профилирования заготовок являются способы продольного холодного выдавливания и поперечно-клиновой прокатки.

Для получения исходной ступенчатой заготовки в данной работе предложено два новых способа:

1. штамповка по комбинированной схеме «редуцирование-высадка» за три операции в инструментальных блоках на автоматической роторной линии (АРЛ);

2. плоская поперечно-клиновая прокатка.

Схемы этих процессов и получаемых заготовок показаны и описаны в п.п.3.2.1−3.3.1. Все подготовительные операции и завершающая термообработка приняты по действующей технологии.

3. Исследование технологических возможностей процессов формообразования ступенчатых заготовок

3.1 Выбор метода исследования В данной работе предусмотрено применение двух основных методов:

1. эксперимента с использованием натурных заготовок и лабораторных штампа и технологического оборудования;

2. компьютерное моделирование методом конечных элементов (МКЭ).

Использование экспериментальных методов исследования в полном объеме не всегда представляется возможным в виду больших трудозатрат на изготовление технологической оснастки и ее дороговизны. Поэтому предоставляется целесообразным использование теоретических и численно-аналитических методов для предварительного моделирования процессов, уточнения технологических параметров и последующей постановки экспериментов.

Особенностью процессов обработки металлов давлением является наличие конечных пластических деформаций, теоретический учет которых представляет собой сложную задачу. Это обусловливает необходимость широкого применения на практике экспериментальных и теоретических методов определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС).

В практике расчетов параметров НДС используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов (МКЭ) и другие методы, напротив не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным развитием и распространением вычислительной техники, способствует их распространению.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и.т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.

МКЭ в настоящее время нашел широкое применение для моделирования полей напряжений и деформаций при исследовании различных случаев механического взаимодействия тел.

Наиболее важными преимуществами МКЭ, благодаря которым он может быть использован, являются следующие:

1. свойства материалов смежных элементов могут быть различны;

2. криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных элементов или описана точно с помощью криволинейных элементов;

3. размеры элементов могут быть переменными.

Существует достаточно большое количество систем инженерного анализа (CAE-систем), реализующих МКЭ. К таким программным продуктам, например, относятся LS-DYNA, MSC. SuperForm, DEFORM и др.

Решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов:

1. идентификация задачи, присвоение ей имени; создание чертежа конструкции и нагрузок;

2. создание геометрии модели, пригодной для МКЭ;

3. разбиение модели на сетку конечных элементов;

4. приложение к модели граничных условий (закрепление на границе или граничные нагрузки);

5. численное решение системы уравнений (автоматически);

6. анализ результатов.

Этапы 1,2,3,4 относятся к препроцессорной стадии, этап 5 — к процессорной стадии, этап 6 — к постпроцессорной стадии.

Построенная модель (сердечник) делится на конечные элементы достаточно простой формы. Имеются несколько типичных форм конечных элементов, в которых поле смещений определяется по смещениям узлов с помощью некоторых интерполяционных функций. По вычисленным таким образом смещениям определяются поля напряжений и деформаций.

3.2 Формообразование ступенчатых заготовок способами штамповки

3.2.1 Технологические особенности процесса штамповки Предлагаемый способ формообразования готовой ступенчатой заготовки реализуется за два этапа (три операции):

1. предварительное формоизменение способом продольного холодного выдавливания в одноступенчатой конической матрице за одну операцию (рис. 3.1.);

2. окончательное формообразование способами редуцирования и локальной высадки за две операции.

Рис. 3.1. Схема продольного выдавливания:

1 — пуансон; 2 — заготовка; 3 — матрица; 4 — выталкиватель

После второй штамповочной операции вводится промежуточный отжиг с целью восстановления пластичности и штампуемости материала заготовки.

Модель и эскиз исходной цилиндрической заготовки показаны на рис. 3.2.

а)б) Рис. 3.2. Исходная цилиндрическая заготовка: а — модель; б — эскиз Моделирование процесса штамповки заготовки на первой операции выполнено для четырех вариантов матрицы, отличающихся углами конусности. Это позволяет определить рациональный вариант, обеспечивающий получение наименьшей величины диаметра заготовки dнк (см. рис. 3.3, б) и наибольший перепад диаметров заготовки d0/dнк .

а) б) Рис. 3.3. Модель (а) и эскиз (б) отштампованной на первой операции заготовки В табл. 3.1 приведены размерные параметры заготовок, полученных на первой операции способом продольного холодного выдавливания при заданном усилии P=60 кН для различных вариантов матриц.

Таблица 3.1.

Влияние угла конусности б матрицы на размерные параметры штампуемой на первой операции заготовки

Из табл. 3.1. следует, что наиболее целесообразно использовать на первой операции матрицу с углом конусности б=10°, т.к. формируется наименьший диаметр dнк заготовки сердечника и обеспечивается наилучшая заполняемость рабочей полости матрицы.

Возможность формообразования конечной ступенчатой заготовки (рис. 2.2.) за минимальное число штамповочных операций ограничена в основном стойкостью рабочего инструмента. Анализ результатов компьютерного моделирования этапа 2 доказал возможность получения конечной ступенчатой заготовки за две операции при допустимых нагрузках на инструмент.

На второй операции происходит формообразование двухступенчатой конической заготовки из одноступенчатой конической заготовки, отштампованной на первой операции (рис. 3.4).

а)б) Рис. 3.4. Схема формообразования двухступенчатой заготовки на второй операции

Аналогичные схемы формообразования трехступенчатой заготовки показаны на рис. 3.5. Общей особенностью этих схем является наличие радиальных зазоров между заготовкой и стенкой матриц в исходном положении (рис. 3.4,а, 3.5,а). Это обуславливает при заданной форме исходных заготовок реализацию принципа последовательной локальной деформации по схеме редуцирование торцевой и высадка промежуточных сечений заготовки.

а)б) Рис. 3.5. Формообразование конечной ступенчатой заготовки на третьей операции Анализ силовых параметров и параметров напряженно-деформированного состояния представлен для заключительной, третьей операции формообразования трехступенчатой заготовки.

3.2.2 Анализ силовых параметров и механизма процесса деформации Для оценки силовых параметров и характерных стадий процесса воспользуемся диаграммой «усилие деформирования? перемещение инструмента» (рис. 3.6.), полученной при моделировании.

Рис. 3.6. График зависимости «усилие деформирования? путь инструмента»

На основе анализа диаграммы «усилие деформирования? путь инструмента» выделены стадии процесса, объясняющие механизм процесса формообразования детали (табл. 3.2.).

Таблица 3.2

Анализ характерных стадий процесса

Окончательный выбор зазоров между заготовкой и стенками матрицы осуществляется на заключительной третьей стадии процесса. Рис. 3.7. дает наглядное представление о заполняемости материалом заготовки полости матрицы. Темно-синим цветом указана область отсутствия зазора.

Рис. 3.7. Распределение конечного зазора по длине заготовки

3.2.3 Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) Анализ НДС предусматривает оценку последовательности распространения пластической деформации, формирования ОПД, заполнения полости матрицы металлом заготовки при пластическом течении, величины и характера распределения главных компонентов деформации (осевая еx, окружная еy и радиальная еz) и напряжений уx, уy, уz, интенсивности деформации еi и напряжения уi, вида деформированного не и напряженного ну состояний.

Анализ НДС приведен для конечной (третьей) стадии процесса.

На рис. 3.8. представлен характер распределения полей напряжений параметров по всей заготовке.

а)б) в) г) Рис. 3.8. Поля напряжений (а? уi, б? уx, в? уy, г? уz)

На рис. 3.9. представлен характер распределения полей деформаций по всей заготовке.

а) б) в) г) Рис. 3.9. Поля деформаций (а? еi, б? еx, в? еy, г? еz)

Как видно из рис. 3.9,а на конечной стадии процесса формируются очаги малых пластических деформаций на участках второй и третьей ступеней заготовки и больших деформаций на границе первой и второй ступеней.

На рис. 3.10. показаны форма отштампованной заготовки и расчетные точки, расположенные на оси заготовки.

Рис. 3.10. Схема расположения расчетных точек Характеристики деформированного состояния в расчетных точках показано на рис 3.11, из которого видно, что практически во всех точках вид деформированного состояния соответствует сжатию (не=+1), что соответствует процессу высадки.

Рис. 3.11. Распределение характеристик деформированного состояния еi, еx, еy, еz и не в продольном сечении заготовки На рис. 3.11 показано, что в точках 1 и 7 вид деформированного состояния соответствует растяжению, что связано с весьма малым уменьшением диаметра заготовки в этих сечениях ввиду обжатия-редуцирования. Точки 1−5 соответствуют области больших, а точки 6−15 — области малых упруго-пластических деформаций.

Целесообразно проводить анализ напряженного состояния для области больших деформаций.

Характеристики напряженного состояния в расчетных точках 1 — 7 представлены на рис. 3.12, из которых следует, что характер распределения интенсивности напряжений уi (рис. 3.12,а) по длине деформируемой части заготовки равномерный, что свидетельствует о достаточно равномерном деформационном упрочнении металла. Вид напряженного состояния (рис. 3.12,б) соответствует растяжению (ну=-1) практически во всех точках, в точке 7 — сдвигу (ну =0).

а)

б)

в)

Рис. 3.12. Распределение характеристик напряженного состояния в продольном сечении заготовки: (а)? уx, уy, уz, уi; (б)? ну; (в)? K

На рис. 3.13. показано положение расчетных точек, расположенных на наружной поверхности заготовки в продольном направлении.

Рис. 3.13. Схема расположения расчетных точек на поверхности заготовки Распределение характеристик деформированного состояния в расчетных точках (рис 3.14) соответствует представленному распределению на рис. 3.11. Это свидетельствует о достаточно равномерной деформации по поперечным сечениям заготовки.

Рис. 3.14. Распределение характеристик деформированного состояния еi, еx, еy, еz и не в расчетных сечениях

Из рис. 3.14. видно, что практически во всех точках вид деформированного состояния соответствует сжатию (не =+1), что соответствует процессу высадки. Из рис. 3.14 также следует, что точки 1−9 соответствуют области больших, а точки 10−15 — области малых упруго-пластических деформаций.

Распределение характеристик напряженного состояния в области больших упруго-пластических деформаций (точки 1−9) представлено на рис. 3.15.

а)

б)

Рис. 3.15. Распределение характеристик напряженного состояния в продольном сечении заготовки: (а)? уx, уy, уz, уi; (б)? ну, K

Из рис. 3.15,а видно, что характер распределения интенсивности напряжений уi по длине деформируемой части заготовки равномерный, что свидетельствует о достаточно равномерном деформационном упрочнении металла. Вид напряженного состояния практически во всех точках расчетного сечения соответствует растяжению (ну =-1), в точке 8 — сжатию (ну =+1).

3.3 Способ поперечно-клиновой прокатки

3.3.1 Характеристика способа Выбор способа изготовления сердечников методом плоской поперечно-клиновой прокаткой обусловлен рядом его преимуществ по сравнению с другими известными методами:

1. высокая производительность;

2. относительно высокая стойкость рабочего инструмента;

3. возможность автоматизации процесса;

4. высокий коэффициент использования металла.

Технологическая схема процесса плоской поперечно-клиновой прокатки представлена на рис. 3.16. Штучная заготовка 2, отрезанная от прутка, укладывается поперёк заходной части нижнего клинового инструмента 3. Верхний клиновой инструмент 1 настраивается на исходный диаметр прокатываемой заготовки 2. Оба названных инструмента движутся навстречу друг к другу с одинаковой скоростью 0,25 м/с и за счет действия сил трения вращают, а за чет уменьшения зазора между клиньями обжимают заготовку. Боковые наклонные грани клиньев заставляют перемещаться избытки металла по направлению к торцам, тем самым, удлиняя заготовку. Под действием осевых сил заготовка растягивается до полного разрыва на две части. Затем эти части удаляются, а инструменты возвращаются в исходное положение.

Рис. 3.16. Технологическая схема процесса плоской поперечно-клиновой прокатки: 1 — верхний клиновой инструмент; 2 — заготовка; 3 — нижний клиновой инструмент В качестве технологического оборудования могут применяться либо специальные станки и автоматические линии, либо приспособления, например, к поперечно-строгальным станкам.

Этим способом могут обрабатываться практически все конструкционные, ряд инструментальных сталей, а также цветных жаропрочных материалов. Исключение составляют малопластичные стали.

Для обеспечения устойчивости вращения заготовки и исключения проскальзывания в работе предложено применить в конструкции клиньев технологические «дорожки рифлений», вдавливаемые в заготовку при движении клиньев. Рассмотрены и промоделированы варианты профиля «дорожек рифлений» (шаг, глубина, радиусы закругления), выбран рациональный вариант, как с технологической, так и с конструктивной точки зрения, обеспечивающий повышение плотности монтажа пуль и неухудшающий условия бронепробиваемости.

Данный способ позволяет получить из одной цилиндрической две ступенчатые заготовки за один ход инструмента. Точность полученных заготовок, которую можно оценить наложением на полученную ступенчатую заготовку её «идеального» контура, соответствующего чертежу (рис. 3.17.), достаточно высока.

Рис. 3.17. Оценка точности полученной заготовки

3.3.2 Анализ силовых параметров и характерных стадий процесса Для оценки силовых параметров и характерных стадий процесса использована диаграмма «усилие деформирования — перемещение инструмента», полученная в результате моделирования (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Диаграмма «усилие деформирования — перемещение инструмента»

Результаты анализа характерных стадий процесса представлены в таблице 3.3. В таблице приняты следующие обозначения: — диаметр исходной заготовки; - диаметр наименьшего сечения.

Следует отметить, что далее рассмотрена только симметричная часть заготовки.

Таблица 3.3

Характерные стадии процесса

3.3.3 Анализ напряженно-деформированного состояния Параметры напряжённого и деформированного состояний рассчитаны в 12 точках в продольном сечении ступенчатой заготовки на срединной (рис. 3.19, а) и наружной (рис. 3.19, б) поверхностях в конце завершающей стадии 4.

а) б)

Рис. 3.19. Схемы расположения расчётных точек:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности На рисунке 3.20 приведены графики распределения интенсивности деформации еi, окружных еx, осевых еy и радиальных еz деформаций, характеристики вида деформированного состояния не.

Из анализа графиков следует, что характеристика вида деформированного состояния по длине заготовки на срединной и наружной поверхностях различна. На срединной поверхности в точках 1−5 не соответствует растяжению, в точках 6−8 — сдвигу, а в точках 9−12 — сжатию. В точке 7 значения деформаций пренебрежимо малы. На наружной поверхности не соответствует растяжению только в точке 1. Далее характеристика вида деформированного состояния не стремится к сжатию в точке 4. Затем не плавно изменяется до -1 (растяжение) в точке 9 и стремится к сдвигу в точке 12. Таким образом, в вершине заготовки преобладают максимальные растягивающие деформации, в центральной головной части заготовки преобладают деформации сдвига.

а) б)

Рис. 3.20. Распределение интенсивности деформаций, главных компонентов деформации, характеристики вида деформированного состояния на конечной стадии процесса: а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности На рисунке 3.21 приведены графики распределения интенсивности напряжений уi, окружных уx, осевых уy и радиальной уz напряжений. На рисунке 3.22 приведены графики распределения характеристики вида напряжённого состояния ну и коэффициента жёсткости напряжённого состояния К.

а) б)

Рис. 3.21. Распределение интенсивности напряжений, главных компонентов напряжений на конечной стадии процесса:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности

а) б)

Рис. 3.22. Распределение характеристик вида напряжённого состояния ну и коэффициента жёсткости напряжённого состояния К:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности Из анализа графиков следует, что характеристика вида напряжённого состояния ну на срединной и наружной поверхностях примерно одинакова и соответствует сдвигу. Коэффициент жёсткости напряжённого состояния К на срединной поверхности изменяется в пределах от растяжения (+1) до сжатия (-1). На наружной поверхности коэффициент К<<0, напряжённое состояние соответствует всестороннему неравномерному сжатию.

4. Компьютерное моделирование процесса формообразования готового сердечника

4.1 Постановка задачи Основными задачами данного исследования являются:

1. проверка соблюдения принципа последовательной локальной высадки;

2. анализ напряженно-деформированного состояния деформируемых заготовок;

3. сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

4. определение степени достоверности выбранного метода исследования.

4.2 Анализ силовых параметров Программный пакет разбивает заданную величину перемещения (8.1 мм) на 81 шаг (исходя из заданного интервала расчета — 0,1 мм). На каждом шаге программа рассчитывает величины НДС заготовки: деформацию, напряжения, скорость деформации и др., а также величину усилия на инструменте. Рассчитанные данные сохраняются в базе данных за каждый ход.

Для оценки силовых параметров и характерных стадий процесса воспользуемся графиком «усилие-перемещение инструмента», полученным в результате моделирования.

Рис. 4.1. График зависимости «усилие деформирования — путь инструмента»

Анализируя график (рис. 4.1), можно выделить 3 характерных стадии процесса:

1. нестационарная стадия (1−30 шаг) — выбор начального зазора между наименьшим торцом пуансона и внутренней поверхностью матрицы;

2. стационарная стадия (31−68 шаг) — постепенное формирование оживальной формы детали, выбор зазора между внутренней поверхностью матрицы и конической частью пуансона.

3. условно стационарная стадия (69−81 шаг) — окончательный выбор зазоров между поверхностями матрицы и детали, окончательное формирование оживальной формы.

4.3 Анализ напряженно-деформированного состояния Для оценки напряженно-деформированного состояния заготовки рассмотрена стадия 3. На данной стадии окончательно сформирован оживальный профиль готовой детали. Схема расположения расчётных точек представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема расположения расчётных точек На рис. 4.3 представлены графики распределения интенсивности деформаций, главных деформаций, характеристик вида и схемы деформированного состояния.

а)

б) Рис. 4.3. Распределение интенсивности деформаций, главных деформаций, характеристик вида деформированного состояния на конечной стадии процесса:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности Как видно из графиков, на срединной поверхности заготовки характеристика схемы деформированного состояния не изменяется от 0,51 в точке 1 до 0,99 в точке 11. Схема деформированного состояния соответствует сжатию. Далее следует зона сдвига: не изменяется от 0,38 в точке 14 до -0,47 в точке 20.

На наружной поверхности заготовки величины компонентов деформации меньше, чем на срединной поверхности. Зона сжатия преобладает над зоной сдвига. Характеристика вида деформированного состояния не изменяется от 0,55 в точке 4 до 0,95 в точке 11.

На рис. 4.4 представлены графики распределения интенсивности, а также главных напряжений и коэффициенты жесткости напряженного состояния заготовки на срединной и наружной поверхностях ммІ.

а) б)

Рис. 4.4. Распределение интенсивности напряжений, главных напряжений, характеристик вида напряженного состояния:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности

а) б)

Рис. 4.5. Распределение характеристик вида напряжённого состояния ну:

а — на срединной поверхности; б — на наружной поверхности Как видно из графиков, на срединной поверхности в зонах малой интенсивности напряжений действуют максимальные сжимающие напряжения. Характеристика жесткости схемы напряженного состояния К<<0, характеристика схемы напряженного состояния ну изменяется в пределах от 0,1 в точке 1 до -0,7 в точке 5. Напряженное состояние в этой зоне примерно соответствует сдвигу. В зоне максимальной интенсивности напряжений (основной ОПД), характеристика схемы напряженного состояния ну изменяется в пределах от 0,45 в точке 7 до 0,75 в точке 10. Таким образом схема напряженного состояния соответствует сжатию. Коэффициент жесткости К<0.

5. Физическое моделирование нового процесса формообразования бронебойных сердечников способами штамповки из ступенчатых заготовок С целью проверки способа последовательной локальной высадки на кафедре Е4 БГТУ «Военмех» в лабораторных условиях проведены эксперименты для оценки характера формообразования оживальной части бронебойного сердечника из ступенчатой заготовки.

Постановкой задачи экспериментального исследования предусматривалось:

1. определение оптимального вида исходной заготовки для получения остроконечной детали с оживальным профилем образующей с наилучшими показателями соответствия формы и размеров, требуемых по чертежу;

2. проверка с возможной корректировкой методики технологических расчетов процесса формообразования головной части сердечника способом последовательной локальной высадки с применением профилированных ступенчатых заготовок;

3. проверка достоверности методики моделирования процесса на ЭВМ.

Для исследования технологических возможностей способа последовательной локальной высадки применялись конструкции заготовок (рис. 5.1 и табл. 5.1.), изготовленные из инструментальной углеродистой стали У12А (ГОСТ 1435−99).

Рис. 5.1. Эскизы заготовок: а, б — трехступенчатая с двумя цилиндрическими участками и плоскими торцами; в, г — трехступенчатые с плоскими вершинами; д, е — трехступенчатые с острыми вершинами Для исследования процесса формоизменения применялся метод поэтапного нагружения.

Контроль качества отштампованных деталей осуществлялся как визуально, так и с применением измерительных приборов для определения размеров деталей и соответствия их размерам и форме рабочего инструмента.

Таблица 5.1

Расчетные размеры исходных заготовок

При визуальном осмотре выявляется состояние поверхности деталей:

1. наличие искривлений;

2. неправильность формы;

3. царапины и другие дефекты.

Измерение размеров оживальной части заготовок и деталей проводились на инструментальном микроскопе в проходящем свете по схеме, представленной на рис. 5.2. Погрешность измерения микроскопа составляет ±0,005 мм.

Качество заготовок контролировалось с целью выявления дефектов по форме и размерам и оценке точности штампуемых сердечников по геометрии оживальной части.

бронебойный сердечник пуля патрон штамповка Рис. 5.2. Схема измерения размеров детали В результате оценки качества наружной поверхности полученных сердечников была выбрана оптимальная геометрия исходной ступенчатой заготовки, соответствующая варианту «г».

Результаты анализа характера формоизменения заготовки по стадиям процесса штамповки в матрице с отверстием представлены в таблице 5.2. В таблице даны:

1. модель и эскизы заготовок с обозначением ступеней;

2. диаграмма «усилие — путь инструмента»;

3. графики соответствия поперечных размеров заготовок по стадиям процесса штамповки;

4. внешний вид отштампованных заготовок по стадиям;

5. эскиз рабочего инструмента;

6. оценка характера формообразования заготовок.

Таблица 5.2

Анализ формообразования заготовки в процессе штамповки

Выводы и заключение

1. Разработан технологический процесс изготовления остроконечных бронебойных сердечников, основанный на применении процессов пластического деформации, исключающих необходимость применения процессов обработки резанием. Это позволило повысить коэффициент использования металла, снизить трудоемкость изготовления изделия и повысить производительность процесса.

2. Разработана конструкция ступенчатой профилированной заготовки, обеспечивающая реализацию принципа последовательной локальной пластической деформации в предложенном новом способе штамповки остроконечных сердечников.

3. Предложены способы изготовления ступенчатых профилированных заготовок методами редуцирования и высадки в штампах и методом плоской поперечно-клиновой прокатки.

4. Выполнено моделирование методом конечных элементов процессов штамповки и плоской поперечно-клиновой прокатки с определением характера формирования очагов пластической деформации, деформированного и напряженного состояний заготовки.

5. Выполнено компьютерное и физическое моделирование завершающей стадии процесса формообразования остроконечного бронебойного сердечника, подтвердившее адекватность результатов моделирования.

6. Предусматривается внедрение разработанной технологии на предприятиях отрасли.

7. Анализ технологических возможностей процесса плоской поперечно-клиновой прокатки позволяет рассматривать направление изготовления готового сердечника за одну формообразующую операцию.

1. Агеев Н. П., Данилин Г. А., Огородников В. П. Технология производства патронов стрелкового оружия Ч.1. Технологические основы проектирования патронов. — Спб., Балт. гос. техн. ун-т., 2005 г, 352с.

2. Агеев Н. П., Данилин Г. А., Огородников В. П. Технология производства патронов стрелкового оружия Ч.2. Процессы штамповки — Спб., Балт. гос. техн. ун-т., 2007 г, 533с.

3. Лясников А. В., Агеев Н. П. и др. Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработки металлов давлением. Под ред. А. В. Лясникова. СПб.: Внешторгиздат — Петербург, 1995, 527.

4. Клушин В. А., Макушок Е. М., Щукин В. Я. Совершенствование поперечно — клиновой прокатки. Минск.: Наука и техника, 1980, 280 с.

5. Данилин Г. А., Огородников В. П., Заволокин А. Б. Основы проектирования патронов к стрелковому оружию. Спб., Балт. гос. техн. ун-т., 2005 г, 374 с.