Способ изготовления тонкостенных полых изделий

 

Изобретение относится к ракетостроению и может быть использовано при изготовления корпусов камер сгорания реактивных двигателей (КСРД). Цель изобретения - повышение конструктивной прочности корпусов КСРД. Заявленный способ предусматривает после формирования стенки одновременно с термической упрочняющей обработкой дополнительно производить термомеханическую деформацию растяжением в радиальном направлении.

Изобретение относится к ракетной технике и предназначается для получения корпусов камер сгорания ракетных двигателей (КСРД). Основным недостатком существующих способов изготовления корпусов КСРД является низкая механическая прочность получаемых корпусов.

Детали и узлы корпусов КСРД работают под большим внутренним давлением газов, имеющих высокую температуру, большую скорость движения, а также содержащих механические примеси в виде несгоревших частиц твердого топлива. В процессе работы корпуса КСРД не должны существенно изменять своих геометрических размеров, поэтому к материалу предъявляются высокие требования по механическим свойствам. Большинство конструкционных материалов, как правило, имеют высокие механические свойства в обычных условиях.

При высоких же температурах прочностные характеристики металлов значительно ниже, кроме того для корпусов КСРД предъявляются требования к возможно меньшему весу.

Технология изготовления корпусов КСРД определяется различными факторами, в том числе видом материала, служебным назначением, сложностью формы, точностью исполнения размеров и др.

В зависимости от этих факторов корпуса КСРД могут изготавливаться горячей или холодной штамповкой, механической обработкой из проката, комбинированными способами (с последующими операциями сварки), ротационной вытяжкой и другими способами.

Широкое применение в получении корпусов КСРД нашли способы ротационной вытяжки с утонением стенки.

Достижение высоких прочностных характеристик корпусов КСРД происходит за счет совокупности операций пластического деформирования и упрочняющей термической обработки.

Например, известен способ изготовления тонкостенных цилиндрических деталей методом ротационной вытяжки (см. Н.И.Могильный. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М. Машиностроение, 1983).

Недостаток указанного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокую прочность тонкостенных оболочек, работающих под большим внутренним давлением газов.

Известны методы повышения прочности созданием остаточных напряжений в стенке детали. Так известен способ обработки изделий [1] в котором для повышения конструктивной прочности изделий, работающих на кручение, после поверхностного наклепа, производят холодную деформацию кручением.

Недостаток указанного метода заключается в том, что он не повышает конструктивной прочности изделий, работающих на растяжение в радиальном направлении.

Известен "Способ изготовления пустотелых изделий" [2] включающий холодную пластическую деформацию рядом ротационных вытяжек с утонением стенки, межоперационную термическую обработку, упрочняющую термическую обработку и механическую обработку.

Данное техническое решение принято авторами за прототип.

Недостатком данного метода является то, что он не повышает конструктивную прочность изделий, работающих на растяжение в радиальном направлении, при сохранении тонкостенности оболочки и малого веса.

Целью изобретения является разработка способа изготовления корпусов КСРД, который обеспечивает высокую конструктивную прочность корпусов КСРД, работающих на растяжение в радиальном направлении.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления пустотелых изделий, включающем холодную пластическую деформацию, для формирования стенки в сочетании с термической и механической обработкой после формирования стенки одновременно с термической упрочняющей обработкой дополнительно производят термомеханическую деформацию растяжением.

Дополнительная термомеханическая деформация растяжением после окончательного формирования стенки обеспечивает получение более высоких прочностных характеристик материала в радиальном направлении.

Пример. Создание сжимающих напряжений в стенке корпуса, повышающих конструктивную прочность, противодействующих усилиям растяжения, действующим на корпус в радиальном направлении во время работы двигателя, осуществлялось на заключительном этапе после окончательного формирования стенки корпуса. Технологическая цепочка способа изготовления пустотелых изделий представлена в таблице.

Предлагаемый способ был проверен при изготовлении корпусов КСРД. Окончательное формирование стенки проводилось известным методом с помощью ротационной вытяжки.

Создание остаточных напряжений сжатия в радиальном направлении проводилось одновременно с термической упрочняющей обработкой.

Корпус нагревали до температуры 970-1020^oC и сжали на разжимную оправку. Разжимая радиально-подвижные кулачки оправки, создавали предварительный натяг стенки корпуса и выдерживали при указанной температуре в течение 3 мин. Далее производили охлаждение корпуса вместе с оправкой на воздухе.

При охлаждении стенка корпуса пытается принять первоначальное положение сжаться. Оправка препятствует этому, в результате чего происходит пластическое деформирование ее и накапливание напряжений, таким образом при полном охлаждении корпуса происходит заневоливание стенки корпуса в радиальном направлении.

Далее корпуса подвергались окончательной токарной обработке.

При изготовлении корпусов КСРД по указанному способу конструктивная прочность была повышена дополнительно на 15% при сохранении прежней толщины стенки оболочки, что в свою очередь позволяет уменьшить вес снаряда за счет уменьшения толщины стенки двигателя, увеличить дальность стрельбы и т.д.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ изготовления корпусов КСРД отличается от прототипа тем, что в нем после формирования стенки одновременно с термической упрочняющей обработкой дополнительно производят термическую деформацию растяжением.

Поэтому данное техническое решение отвечает критерию "Новизна".

Исследуя уровень техники в процессе проведения патентного поиска по всем видам сведений, общедоступных в печати, обнаружили, что заявляемое техническое решение "Способ изготовления пустотелых изделий, преимущественно корпусов камер сгорания реактивных двигателей" для специалиста явным образом не следует из известного на сегодня существующего уровня техники, поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень.

По изобретению в настоящее время изготовлены и успешно испытаны корпуса КСРД калибра 30 мм.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления корпусов КСРД с дополнительной термомеханической деформацией растяжением сформированной стенки является промышленно применимым, так как он повышает конструктивную прочность изделий.

Учитывая перспективность предложенного способа, организация решила запатентовать его в ряде зарубежных стран.

Формула изобретения

Способ изготовления тонкостенных полых изделий, преимущественно корпусов камер сгорания реактивных двигателей, включающий многократную холодную деформацию, промежуточную термическую обработку и упрочняющую термическую обработку, отличающийся тем, что в процессе упрочняющей термической обработки осуществляют пластическую деформацию растяжением в радиальном направлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1