автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Технологические возможности холодной штамповки сердечников пуль из высокопрочных сталей

Введение.

1 .Обзор подходов к анализу необходимого технологического усилия и технологии изготовления сердечников бронебойных пуль из высокопрочных сталей.

1.1.Повышение поражающего действия пуль за счет применения остроконечных бронебойных сердечников.

1.2.Существующие технологии изготовления сердечников.

1.3.Проблемы технологичности изготовления остроконечных сердечников

1.4.Анализ способов получения остроконечных сердечников бронебойных пуль пластическим деформированием.

1.4.1 .Прямое многопереходное выдавливание.

1.4.2.Ротационное обжатие.

1.4.3. Электрорастяжка.

1.4.4.Поперечно - клиновая прокатка.

1.4.5.Обкатка.

1,4.6.0стрение обкусыванием.

1.4.7.Результаты анализа.

1.5.Выбор методов теоретического и экспериментального анализа операций пластического формообразования.

1.5.1.Подходы к теоретическому силовому анализу.

1.5.2.0боснование целесообразности применения метода делительных сеток

1.6.Цель и задачи исследования.

2.Теоретический энергосиловой анализ пластического формообразования остроконечных сердечников пуль в матрицах с криволинейным рабочим профилем.

2.1. У становление операционных соотношений для частной конструкции поля линий скольжения, схематизирующей пластическую область, примыкающую к криволинейному контуру инструмента.

2.2.Штамповка остроконечного сердечника в гладкой конической матрице с криволинейным участком профиля.

2.3.Штамповка остроконечного сердечника в шероховатой матрице с криволинейным участком профиля.

2.4.Установление операционных соотношений интегрального преобразования Лапласа - Карсона для радиусов кривизны линий скольжения при решении смешанной краевой характеристической задачи.

2.5.Аналитическое описание пластического формообразования головной части сердечника гладким инструментом с криволинейным рабочим профилем.

2.5.1.Определение радиусов кривизны линий скольжения.

2.5.2.Вывод зависимостей для расчета геометрических и силовых параметров.

2.5.3.Альтернативный подход к решению задачи о течении материала в криволинейном гладком сужающемся канале.

В настоящее время среди основных путей повышения эффективности производства особое внимание уделяется снижению трудоемкости изготовления продукции, внедрению малоотходной и безотходной технологии изготовления изделий. Это представляет особую актуальность применительно к массовой продукции оборонного характера, поскольку в условиях значительного сокращения средств, выделяемых на оборонные нужды, сохраняется задача поддержания Вооруженных сил России на уровне, исключающем их качественное превосходство армиями других стран.

Зарубежная военная доктрина по-прежнему направлена на интенсивное оснащение вооруженных сил высокоэффективными средствами поражения живой силы. В первую очередь это относится к наиболее массовому - автоматическому стрелковому оружию. Универсальные возможности стрелкового оружия не позволяют ни одной армии мира сократить его штатный состав в подразделениях, а тем более полностью отказаться от него. Поэтому в послевоенный период в России и за рубежом постоянно ведутся поисковые работы, направленные на повышение эффективности систем стрелкового вооружения. Показательным примером может служить тот факт, что за последние 20 - 25 лет относительное количество поражающих элементов (пуль), создаваемое стрелковым вооружением мотопехотной роты США в полосе наступления возросло более чем в 3 раза [7].

Ответной реакцией на увеличение плотности поражающих элементов в боевых ситуациях явилось оснащение личного состава подразделений комплексами средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) от пуль и осколков, эффективность которого подтверждалась опытом боевых действий, имевших место в локальных военных конфликтах. Для изготовления СИБ в настоящее время используются новые высокопрочные материалы - керамика, титановые сплавы, синтетические ткани, позволяющие при рациональном их сочетании удовлетворить основным требованиям к материалу для СИБ: обеспечение гибкости, прочности, относительной легкости. Это обусловливает необходимость разработки новых и совершенствования стоящих на вооружении видов стрелкового вооружения и боеприпасов.

Одним из основных путей повышения поражающего действия кали-берных пуль является оснащение их остроконечным бронебойным сердечником, изготовленным из высокопрочных сталей и сплавов. Однако оснащение пулями с таким сердечником патронов всего комплекса стрелкового вооружения сдерживается отсутствием приемлемой для массового производства технологии изготовления остроконечных сердечников. В настоящее время относительно небольшие партии таких сердечников для пуль снайперского патрона изготавливают на заводах отрасли с использованием операций резания.

Актуальность работ по созданию высокопроизводительных ресурсосберегающих технологий массового изготовления остроконечных сердечников бронебойных пуль с повышенным пробивным действием определена приказами Миноборонпрома. В соответствии с этими решениями Тульский политехнический институт был определен соисполнителем НИР "Убеждение РВО" и "Скрап". Головной исполнитель - предприятие ЦНИИТОЧМАШ.

Созданию приемлемой для массового производства технологии получения остроконечных сердечников бронебойных пуль посвящена данная работа.

Первый раздел содержит обзор конструкций сердечников пуль стрелкового вооружения, использующихся в настоящее время, и применяемых для их получения технологий. Показаны пути и возможные способы повышения пробивного действия пуль. Проведен анализ возможностей отхода от операций резания в технологии получения остроконечных сердечников и базирования ее на операциях обработки давлением, а также рассмотрена приемлемость использования для этого различных способов штамповки. Поставлены цель и задачи исследований.

Второй раздел посвящен энергосиловому анализу типовых операций штамповки сердечников с криволинейной головной частью. Получены зависимости необходимого технологического усилия от геометрических и технологических параметров процесса. Для этой цели установлены необходимые операционные соотношения в плоскости отображений интегрального преобразования Лапласа - Карсона, позволяющие находить решения для смешанной краевой задачи. Получены зависимости, позволяющие определить величину размерного усилия от степени обжатия и геометрических параметров готового сердечника.

В третьем разделе приведены результаты анализа напряженного и деформированного состояния при штамповке сердечников с криволинейной образующей профиля. Из анализа полученных экспериментальных результатов установлена координата опасной точки, в которой степень использования запаса пластичности максимальна при соответствующем показателе напряженного состояния. Установлена ее величина, позволяющая определить число переходов при штамповке с учетом упрочнения соответствующего материала. Приведена методика расчета числа переходов для всех материалов, из которых изготавливаются бронебойные сердечники. Представлены пути совершенствования технологии на основе нестандартных заготовок и инструмента с переменной формой поперечного сечения на промежуточных переходах. Разработана типовая технология получения сердечников пуль с заданными геометрическими параметрами и механическими характеристиками готового изделия. Итогом проведенных теоретических и экспериментальных исследований явилось создание технологического обеспечения производства остроконечных сердечников бронебойных пуль из стали У12А выдавливанием разъемным инструментом.

В заключении приведены основные результаты работы. Приложение содержит документы, подтверждающие практическую реализацию полученных результатов.

3.9. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 .С помощью метода делительных сеток экспериментально получено ^определение в пластической области накопленной степени деформации ;двига Л при штамповке криволинейной головной части сердечников пуль ; различными радиусами образующей профиля и для различных отноше-тий диаметра вершинки острия к диаметру исходной заготовки. Построена I аппроксимирована зависимость осредненного по всему деформируемому >бьему значения накопленной степени деформации сдвига от геомегриче-:ких параметров.

2.С использованием метода линий скольжения получено распреде-[ение показателя напряженного состояния без учета упрочнения, реали-ующееся при штамповке гладким инструментом криволинейной головной [асти из любого материала, применяемого для изготовления сердечников.

3.Сопоставление указанных выше параметров напряженного и деформированного состояния позволило: для каждой фиксированной гео--тетрии исследуемого процесса установить координату опасной точки, на-юдящейся на оси симмегрии сердечника; рассчитать в ней величину А; >пределить показатель напряженного состояния, скорректированного для :аждого конкретного материала на учет деформированного упрочнения (ерез соответствующую аппроксимированную кривую упрочнения; выделить степень использования запаса пластичности Ч* в указанной опас-юй точке (т.е. максимальную).

4.Установлены закономерности и получены математические модели [зменения координаты опасной точки, нарастания в ней значений А, а/Т и Р в процессе штамповки головной части сердечника заданных размеров и формы.

5.Разработана методика определения числа технологических перехо-юв при штамповке, промежуточных термохимических циклов, обеспечи

178 I вающих получение готового изделия с улучшенными механическими ха-ракте р и сти кам и.

6.Разработана методика по определению максимально допустимого зйзора между матрицей и пуансоном при штамповке полуфабрикатов сер-де ч н и ко в разъе м н ы м и не гр уме нто м.

7.Спроектирован технологический процесс многопереходной холодной штамповки остроконечных сердечников, проведена оценка технологичности различных конструктивных вариантов и разработана штамновая оснастка и инструмент.

8.Проведена экспериментальная отработка перспективных вариантов совершенствования технологии изготовления остроконечных сердечников из высокопрочных сталей.

179

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили сформулировать научней обоснованные подходы к проектированию технологических процессов изгоI товления бронебойных сердечников пуль, обеспечивающие формирование оптимальных технологических свойств конструкций на ранних этапах проектирования, выполнение условий, предъявляемых к организации технологического обеспечения массового производства и минимизацию необходимых для этого суммарных затрат.

В качестве основных выводов и результатов можно привести следующее:

1 .Разработан математический аппарат, обеспечивающий проведение теоретического силового анализа основных формообразующих операций технологического процесса изготовления остроконечных сердечников пуль из высокопрочных сталей.

2. Решением типовой модельной задачи о течении жестком ласти ческою слоя в криволинейном сужающемся канале установлены: распределение и уровень контактных давлений; величины необходимого технологического усилия и других параметров, необходимых для обоснованного проектирования технологических процессов.

3.С помощью метода делительных сеток проведен анализ деформированного состояния при штамповке криволинейных головных частей сердечников пуль.

4.Создана методика определения числа формообразующих переходов и промежуточных термохимических циклов, обеспечивающих изготовление изделий с улучшенными механическими характеристиками.

5.Разработаны рекомендации по проектированию технологической □снасгки и инструмента, обеспечивающие реализацию предлагаемой технологии в производственных условиях.

180

6. Разработанные варианты технологических процессов прошли эпытно -промышленную отработку на предприятии ЦНИИТОЧМАШ, в соде Которой установлено повышение КИМ на 30.40%, увеличение нро-13водительности в 2,0.2,4 раза и снижение себестоимости изделий ориентировочно в 1,8 раза.

1. A.c. 279566 СССР. Устройство для поперечно- клиновой прокатки.

2. A.c. 567533 СССР. Инструмент для поперечно клиновой прокатки.

3. A.c. 583851 СССР. Инструмент для поперечно- клиновой прокатки.

4. Алексеев P.E., Панфилов Г.В., Шибаев JI.JI. Устойчивость цштиндричеIского стержня при формообразовании конического участка в глухой матрице // Изв. ВУЗов. Черная металлургия,- 1991,- № 7,- С. 57-59.

5. Бочаров С.М., Панфилов Г.В. Технологические возможности изготовления остроконечного участка дюбелей повышенного качества / В кн.: Прикладные задачи газодинамики и механики деформируемых и неде-формируемых твердых тел,- Тула, ТулГУ, 1996,- С.59. .63.

6. Бочаров С.М., Панфилов Г.В., Федосов И.М. Сжатие жесткопласгиче-ского слоя наклонными шероховатыми плитами // Изв. ВУЗов Машиностроение,- 1990,-№7,- С. 89.

7. Григорьев А.Г. Основные задачи исследования эффективности стрелкового оружия, связанные с применением личным составом средств индивидуальной защиты. НТБ. Серия4 1989-№6-7-С. 3-8.

8. Груздев С.С., Шибаев М.Л., Бочаров С.М. Определение напряженно-деформированного состояния при штамповке сердечников с помощью метода делительных сеток. В. сб.: Проектирование, производство и функционирование изделий Тула - ТулГУ - 1997- С. 64-72.

9. Дерягин A.A., Шерешевский М.С. Возможные пути развития стрелкового оружия в условиях применения противником противопульных бронежилетов. НТБ. Серия 4.-1989.- №6-7,- С. 9-12.

10. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению М.: «Высшая школа», 1965.-232 с.

11. Дулов Г А. Поперечно- клиновая прокатка- Аналитический обзор №1166.-М.: ЦНИИиТЭИ, 1975,- 84 с.

12. Исакин Д.Н., Панфилов Г.В. Теоретический силовой анализ штамповки остроконечных сердечников в разъемных матрицах.-- В сб.: «Сборник тезисов докладов Г1 межвузовской научно-технической конференции, Тула, ТВАИУ, 1997,- С. 257.

13. Исакин Д.П., Панфилов Г.В. Теоретический силовой анализ штамповки остроконечных сердечников в разъемных матрицах В сб.: «Сборник тезисов докладов II межвузовской научно-технической конференции, Тула, ТВАИУ, 1997,-С. 259.

14. Исакин Д.Н., Панфилов Р.Г. Применение матриц некруглого профиля для штамповки сердечников пуль. ТВАИУ

15. Исакин Д.Н., Панфилов Р.Г. Технологические особенности штамповки сердечников с удлиненной головной частью ТВАИУ

16. Кислый П.Е. О механизме деформаций при пластическом кручении круглых стержней. Машины и технология кузнечно-штамповочного производства. Сб. трудов ЭНИКМАШа№5, М., ЦБТИ, 1961, с. 47-56.

17. Кишкин С.Т., Ратнер С.И. Экспериментальная проверка основного закона пластичности. Журнал технической физики, т. XIX, вып. 3, 1949, с. 412-420.

18. Ковка и штамповка: Справочник в 4-х томах / Ред. Совет: Е.И. Семенов (пред.) и др.- М.: Машиностроение, 1987- Т.З. Холодная объемная штамповка / Под. ред. I .A. Навроцкого, 1987,- 384 с.

19. Колмогоров B.J1. Напряжения, деформации, разрушение.-М.: Металлургия, 1970. 230 с.

20. О.Крбха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. М.: Машиностроение, 1968, с. 131.

21. ЕКутергин O.A., Панфилов Г.В., Смарагдов И.А. Течение жесткопластиjческого слоя между гладкими наклонными плитами Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1989, №3, с. 100-103.

22. Кутергин O.A., Шибаев Л.Л. Аналитическое описание методом характеристик задач с круговой пластической свободной границей // Тр./183

23. Тулье к. политехи. ин-т.-Тула, 1987. 8 е.: ил.- Библиогр. 5 назв.- Рус. Деп. в ВНИИТЭМР 27.07.87, № 355.

24. Малов А.Н. Производство патронов стрелкового вооружения,- М.: Оборонтиз, 1947.-312 с.

25. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под. общ. ред. В.Г. Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989 640 с.

26. Навроцкий Г.А. Холодная объемная штамповка: Справочник М.: Машиностроение, 1973.-84 с.

27. Павпертов В.Г., Степанян Н.Ж. Методика расчета степени использования запаса пластичности при многопереходном холодном объемном формоизменении // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением-Тула, 1985.-е. 137-141.

28. Панфилов Г.В. Аналитическое интегрирование уравнений начальной характеристической задачи плоской теории пластичности // Изв. ВУЗов. Машиностроение.- 1987 .-№11.-С. 17-20.

29. Панфилов Г.В. Течение материала по криволинейным контактным поверхностям // Изв. ВУЗов. Машиностроение 1990- №8 - С. 97-101.

30. Панфилов Г.В., Исакин Д.Н. Обеспечение качества сердечников бронебойных пуль при многопереходной холодной штамповке. Тезисы докладов Международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С.И. Мосина Тула.-1999.-С. 84-86.

31. Панфилов Г.В., Исакин Д.Н., Груздев С.С. Многопереходная холодная штамповка остроконечных сердечников / В сб.: Прикладные задачи механики и газодинамики.- Тула, ТулГУ, 1997 С. 67.73.

32. Панфилов Г В., Исакин Д.Н., Груздев С.С. Теоретический силовой анализ штамповки стержневых остроконечных изделий / В сб.: Исследования в области теории, технологии и оборудования обработки металлов давлением-Орел-Тула.-1998-С. 50.56.

33. Панфилов Г.В., Исакин Д.П., Груздев С.С. Штамповка сердечников пуль из заготовок квадратного сечения / В кн.: Прикладные задачи механики и газодинамики.- Тула, ТулГУ, 1997,- С. 74—79.

34. Панфилов Г.В., Недошивин C.B. Оценка технологичности конструкций сердечников бронебойных пуль. Тезисы докладов Международной конференции, посвященной 150^летию со дня рождения С.И. Мосина-Тула. 1999 С. 86.

35. Панфилов Г.В., Смарагдов И.А. Аналитическое описание полей характеристик в технологических задачах плоской деформации Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1987, №3, с. 157-160.

36. Панфилов Г.В., Торин С.С. / В кн.: Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства,- Тула, ТулПИ, 1990. С. 68 71.

37. Патент 2393115 США. Электрорастяжка элементов боеприпаса.

38. Патент 2456962 США. Устройство для электрорастяжки.

39. Патент 2650290 США. Устройство для получения сердечников пуль.

40. Патент 3056876 США. Устройство для электрорастяжки сердечников пуль.

41. Поперечно-клиновая прокатка / Г.В. Андреев, В.А. Клушин, Е.М. Ма-кушок, В.М. Сегал, В.Я. Щукин Минск: Наука и техника, 1974 - С. 116-134.

42. P.E. Алексеев, Г.В. Панфилов, JI.Л. Шибаев. Особенности технологии изготовления заостренных цилиндрических деталей обкаткой роликами / Кузнечно-штамновочное производство-1992.- № 6,- С. 8 10.

43. Рагнер С.И. Сопротивление разрушению углеродистых сталей при различных методах испытаний «Заводская лаборатория». 1946. Том XII, №7-8, с. 730-735.

44. Рейне И.П. Теория конечных деформаций и экспериментальных методов исследования деформированного состояния: Учебное пособие — Тула: ТПИ, 1985, 76 с.

45. Ренне И.П. Экспериментальные методы исследования пластическогоi

46. Смарагдов И.А. Формообразование головных частей СПЭ. НТБ, 1983, №10,-С. 50-52.

47. Смирнов -Аляев Г.А., Чикидовский В.Г1. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972 г.360 с,

48. Смирнов C.B. и др. Исследование деформируемости и восстановления запаса пластичности высокоуглеродистой стали. В. кн.: Обработка металлов давлением— Вып. 14.: Межвузовский сборник.- Свердловск: изд. УПИ, 1987, с.57-64.

49. Теория пластических деформаций металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.II. Колмогоров и др.; Под. ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова М.: Машиностроение, 1983-598 с.

50. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. Металлургия, 1964 г. С. 109-127.

51. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ- 1956407 с.