RU2762225C1

RU2762225C1 - Method for manufacturing blanks of seamless cylindrical bodies of solid-fuel gas generators

Info

Publication number: RU2762225C1
Application number: RU2021110453A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Володин; Григорий Николаевич Рыбаулин; Сергей Владимирович Салин
Original assignee: Публичное акционерное общество "Тяжпрессмаш"
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-12-16

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: method is proposed for manufacturing blanks of seamless cylindrical solid fuel gas generator housings using a hollow centrifugal cast blank with a 1 mm thick parting paint on the inner surface of the mold with a rotational speed providing centrifugal pressure on the crystallizing metal layer of at least 0.5 MPa, and after extraction of the solidified casting, it is sent without mechanical processing for further broaching and calibration into a four-die forging block to obtain a long tube billet, a multiple for the manufacture of four to six of the aforementioned housing blanks.

EFFECT: ensuring the necessary strength characteristics of the metal.

1 cl

Description

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в конструкциях твердотопливных газогенераторов или ракетных двигателей твердого топлива.The invention relates to the field of rocketry and can be used in the construction of solid fuel gas generators or solid fuel rocket engines.

В эксплуатационных условиях твердотопливного газогенератора его цилиндрический корпус подвергается повышенным знакопеременным силовым и тепловым нагрузкам под влиянием газовой среды и продуктов сгорания твердого топлива при высоких значениях температур и давлений.Under the operating conditions of a solid fuel gas generator, its cylindrical body is subjected to increased alternating power and thermal loads under the influence of the gaseous medium and solid fuel combustion products at high temperatures and pressures.

В связи с этим к прочностным характеристикам металла корпусов твердотопливных газогенераторов предъявляются повышенные требования, уровень которых соответствует значениям по пределу текучести не менее 700 МПа и по временному сопротивлению разрыва не менее 785 МПа.In this regard, increased requirements are imposed on the strength characteristics of the metal of the bodies of solid fuel gas generators, the level of which corresponds to the values for the yield point of at least 700 MPa and for the ultimate tensile strength of at least 785 MPa.

Известен способ изготовления заготовки корпуса твердотопливного газогенератора из высокопрочной стали путем сварки трех колец, свальцованных из листового проката кромки которых подвергаются сварке продольным швом [1].A known method of manufacturing a blank body of a solid fuel gas generator from high-strength steel by welding three rings, rolled from sheet metal, the edges of which are welded with a longitudinal seam [1].

Недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является высокая трудоемкость операции по вальцеванию толстолистового проката для получения трех сварных колец с продольным швом, подвергаемых дальнейшей сварке между собой поперечным швом для образования цельной заготовки корпуса.The disadvantage of this method of manufacturing blanks for the bodies of solid fuel gas generators is the high labor intensity of the operation of rolling thick-plate products to obtain three welded rings with a longitudinal seam, which are further welded together with a transverse seam to form a solid blank body.

Следующим недостатком указанного способа является появление структурной неоднородности металла кольцевых заготовок в зоне сварных швов (двух поперечных и трех продольных), снижающей эксплуатационную надежность изделия.The next disadvantage of this method is the appearance of structural heterogeneity of the metal of annular blanks in the zone of welded seams (two transverse and three longitudinal), which reduces the operational reliability of the product.

Известен способ изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов, использующий сплошные стационарнолитые слитки, подвергаемые операциям обдирки, биллетировки, осадки, прошивки и прессованию для получения полой цилиндрической заготовки корпуса [2].A known method of manufacturing blanks for bodies of solid fuel gas generators, using solid stationary cast ingots, subjected to operations of stripping, billetting, upsetting, piercing and pressing to obtain a hollow cylindrical blank body [2].

Недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является многочисленность кузнечных операций для производства полой цилиндрической заготовки, снижающих эффективность технологического процесса их изготовления.The disadvantage of this method of manufacturing blanks for bodies of solid fuel gas generators is the large number of forging operations for the production of a hollow cylindrical blank, which reduces the efficiency of the technological process of their manufacture.

Следующим недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является нарушение непрерывности технологического процесса из-за частых перемен кузнечных операций, способствующих снижению производительности труда и удорожанию производимой продукции.The next disadvantage of this method of manufacturing blanks for bodies of solid fuel gas generators is the disruption of the continuity of the technological process due to frequent changes in forging operations, which contribute to a decrease in labor productivity and an increase in the cost of manufactured products.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения принят способ изготовления заготовок бесшовных цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов, раскрыты в патенте [3], в котором в качестве передельной заготовки используется полая центробежно-литая заготовка для последующего прессования, полученная при заливке металла во вращаемую изложницу, внутренняя поверхность которой покрывается теплоизоляционной сыпучей смесью, состоящей из кварцевого песка и дистенсиллиманита, а после заливки металла производится ввод порошкообразного флюса в изложницу на внутреннюю поверхность жидкого металла, при этом извлеченная из изложницы полая заготовка после ее окончательного затвердевания без предварительной механической обработки ее поверхностей направляется на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой с коэффициентом вытяжки μ=1,8 и калибровкой с коэффициентом вытяжки μ=1,4 применительно к трубным заготовкам из конструкционной стали 16ГС [3].The closest analogue of the claimed invention adopted a method of manufacturing blanks of seamless cylindrical bodies of solid fuel gas generators, disclosed in the patent [3], in which a hollow centrifugally cast blank is used as a processing blank for subsequent pressing, obtained by pouring metal into a rotary mold, the inner surface of which is coated a heat-insulating bulk mixture consisting of quartz sand and distensillimanite, and after pouring the metal, a powdery flux is introduced into the mold on the inner surface of the liquid metal, while the hollow billet removed from the mold after its final solidification without preliminary mechanical treatment of its surfaces is sent to forging by a hydraulic press with a four-die forging device followed by broaching with an elongation ratio μ = 1.8 and calibration with an elongation ratio μ = 1.4 as applied to tubular billets made of 16GS structural steel [3].

Указанный способ (аналог) позволяет осуществить промышленное производство заготовок упомянутых корпусов из высокопрочной стали с обеспечением геометрических параметров и физико-механических свойств этих изделий в соответствие с требованиями техническим условий.The specified method (analogue) allows the industrial production of blanks of the mentioned housings from high-strength steel with the provision of geometric parameters and physical and mechanical properties of these products in accordance with the requirements of technical specifications.

Однако недостатком указанного способа является использование сыпучего покрытия на внутренней поверхности изложницы, способствующего проникновению частичек кварцевого песка и дистенсиллиманита в тело отливки под воздействием заливаемого металла, загрязняя ее неметаллическими включениями сверх допустимого уровня.However, the disadvantage of this method is the use of a free-flowing coating on the inner surface of the mold, which facilitates the penetration of particles of quartz sand and distensillimanite into the casting body under the influence of the poured metal, contaminating it with non-metallic inclusions above the permissible level.

Следующим недостатком аналога являются низкий уровень коэффициентов вытяжки при протяжке заготовки (μ=1,8) и калибровке (μ=1,4), которые не позволяют получать требуемые прочностные характеристики металла.The next disadvantage of the analogue is the low level of elongation coefficients when broaching the workpiece (μ = 1.8) and calibration (μ = 1.4), which do not allow obtaining the required strength characteristics of the metal.

Общим недостатком упомянутых заготовок корпусов является их единичное изготовление из применяемой передельной заготовки, что приводит к снижению производительности труда и повышению их себестоимости.A common disadvantage of the above-mentioned body blanks is their single production from the applied conversion blank, which leads to a decrease in labor productivity and an increase in their cost.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, заключается в устранении указанных недостатков в известных способах изготовления заготовок корпусов газогенераторов путем создания технологии, обеспечивающей изготовление в процессе одной кузнечной операции длинномерной трубной заготовки с возможностью получения после ее механической разрезки на мерные заготовки серии упомянутых корпусов с высокой плотностью исходного литого металла, достигаемого в результате увеличения центробежного давления не менее 0,5 МПа на кристаллизующийся слой металла, покрытого жидким флюсом толщиной слоя не менее 10% от толщины слоя исходного металла, а после извлечения полой заготовки из формы, подвергаемой без предварительной механообработки ковке на четырехбойковом блоке с протяжкой при температуре не менее 1210°C с коэффициентом вытяжки (μ=1,9) и калибровкой при температуре не менее 910°C с коэффициентом вытяжки (μ=1,5) для изготовления трубной заготовки длиной не менее 7,9 м, кратной после механической разрезки четырем-шести заготовкам корпусов твердотопливных газогенераторов.The technical result provided by the claimed invention consists in the elimination of these disadvantages in the known methods of manufacturing blanks for gas generator casings by creating a technology that ensures the production in the process of one forging operation of a long pipe blank with the possibility of obtaining, after its mechanical cutting into dimensional blanks, a series of said casings with a high density of the original cast metal achieved as a result of an increase in centrifugal pressure of at least 0.5 MPa on a crystallizing metal layer covered with a liquid flux with a layer thickness of at least 10% of the thickness of the parent metal layer, and after removing the hollow billet from the mold, subjected to forging on a four-die a block with a pull at a temperature of at least 1210 ° C with an elongation ratio (μ = 1.9) and calibration at a temperature of at least 910 ° C with an elongation ratio (μ = 1.5) for the manufacture of a pipe billet with a length of at least 7.9 m , multiple after me hanical cutting of four to six blanks of bodies of solid fuel gas generators.

При значении центробежного давления менее 0,5 МПа на кристаллизующийся слой жидкого металла во вращаемой форме газоусадочная пористость не исчезает, а при значении выше 0,5 МПа металл приобретает максимальную плотность без признаков газоусадочной пористости.At a value of centrifugal pressure less than 0.5 MPa on a crystallizing layer of liquid metal in a rotating mold, gas-shrinkage porosity does not disappear, and at a value above 0.5 MPa, the metal acquires maximum density without signs of gas-shrinkage porosity.

Использование жидкого флюса для защиты внутренней поверхности кристаллизующегося металла во вращаемой форме взамен порошкообразного, способствует лучшему его растеканию по поверхности металла и более эффективной защите от тепловыделения с обеспечением строго направленного затвердевания от внешней поверхности отливки к внутренней, при этом толщина слоя флюса не менее 10% от толщины слоя жидкого металла полностью обеспечивает это условие, а при толщине слоя флюса более 10% его расход становится убыточным.The use of a liquid flux to protect the inner surface of a crystallizing metal in a rotated form instead of a powder one, contributes to its better spreading over the metal surface and more effective protection against heat generation, while ensuring strictly directed solidification from the outer surface of the casting to the inner one, while the thickness of the flux layer is at least 10% of the thickness of the liquid metal layer fully ensures this condition, and with a thickness of the flux layer of more than 10%, its consumption becomes unprofitable.

Трубные заготовки, полученные при температурах протяжки 1190°C и 1200°C, т.е. менее 1200°C, и при температурах калибровки 890°C и 900°C, т.е. менее 910°C, отличались наличием трещин на поверхности заготовок и подвергались браку.Pipe billets obtained at drawing temperatures of 1190 ° C and 1200 ° C, i.e. less than 1200 ° C, and at calibration temperatures of 890 ° C and 900 ° C, i.e. less than 910 ° C, were characterized by the presence of cracks on the surface of the workpieces and were subject to rejects.

Пример использования предлагаемого способа.An example of using the proposed method.

Способ опробован в производственных условиях ПАО «Тяжпрессмаш» (г. Рязань) при изготовлении серии заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов.The method was tested in production conditions of PJSC "Tyazhpressmash" (Ryazan) in the manufacture of a series of blanks for the bodies of solid fuel gas generators.

Выплавка металла производилась в дуговой печи емкостью 6 т.The metal was smelted in an arc furnace with a capacity of 6 tons.

Заливка металла осуществлялась при температуре 1580°C в изложницу с частотой вращения 670 об/мин для обеспечения центробежного давления величиной 0,5 МПа, определяемого по формуле [4] с покрытой изнутри противопригарной краской толщиной слоя 1 мм.The metal was poured at a temperature of 1580 ° C into a mold with a rotational speed of 670 rpm to provide a centrifugal pressure of 0.5 MPa, determined by the formula [4] with a 1 mm thick layer of non-stick paint coated from the inside.

После затвердевания отливки ее извлекали из изложницы, очищали поверхность от остатков краски и направляли без механической обработки на прессование в четырехбойковый ковочный блок с протяжкой при температуре 1210°C с коэффициентом вытяжки μ=1,9 и последующей калибровкой при температуре 910°C с коэффициентом вытяжки μ=1,5.After solidification of the casting, it was removed from the mold, the surface was cleaned from paint residues and sent without mechanical treatment for pressing into a four-die forging block with a broach at a temperature of 1210 ° C with a stretch ratio μ = 1.9 and subsequent calibration at a temperature of 910 ° C with a stretch ratio μ = 1.5.

Полученную трубную заготовку длиной 7,9 м после соответствующей термообработки (закалка при 920°C + отпуск 620°C) направляли на механическую обработку с последующей разрезкой на мерные заготовки упомянутых корпусов в количестве 4 или 6 штук.The resulting tubular billet 7.9 m long after appropriate heat treatment (quenching at 920 ° C + tempering 620 ° C) was sent for machining, followed by cutting into dimensional billets of the mentioned bodies in the amount of 4 or 6 pieces.

Механические свойства металла определялись на кольцевых образцах, вырезанных с двух концов трубной заготовки, и соответствовали значениям по пределу текучести 760-780 МПа, а по временному сопротивления разрыву 860-880 МПа, что вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям.The mechanical properties of the metal were determined on annular specimens cut from both ends of the pipe billet, and corresponded to the values for the yield strength of 760-780 MPa, and for the ultimate tensile strength of 860-880 MPa, which fully meets the requirements.

Заявленный способ позволяет обеспечить высокие характеристики металла по прочностным свойствам, а также снизить трудоемкость изготовления упомянутых заготовок корпусов на 40-50% и повысить производительность труда в 2-3 раза по сравнению с традиционными способами их изготовления.The claimed method makes it possible to provide high characteristics of the metal in terms of strength properties, as well as to reduce the labor intensity of manufacturing the mentioned body blanks by 40-50% and to increase labor productivity by 2-3 times in comparison with traditional methods of their manufacture.

Источники информацииSources of information

1. ОСТ 5.9970-85. «Конструкции сварные из стали марок АК и АЛ. Типовой технологический процесс высокого отпуска».1. OST 5.9970-85. “Welded structures of steel grades AK and AL. Typical Technological Process of High Tempering ".

2. ТУ-3-923-75. «Трубы котельные бесшовные механически обработанные из конструкционных сталей».2. TU-3-923-75. "Seamless machined boiler pipes from structural steels."

3. Патент РФ № 2714355С1 В21В 21/00 от 14.02.2020.3. RF patent No. 2714355С1 В21В 21/00 dated 02/14/2020.

4. С.Б. Юдин, С.Е. Розенфельд, М.М. Левин. «Центробежное литье». М.: Машиностроение, 1972, с. 18-19.4.S.B. Yudin, S.E. Rosenfeld, M.M. Levin. "Centrifugal casting". M .: Mechanical Engineering, 1972, p. 18-19.

Claims

A method of manufacturing blanks for seamless cylindrical bodies of solid-fuel gas generators, characterized by the fact that a hollow centrifugally cast metal blank is used, the crystallization of which is carried out in a rotary mold coated from the inside with a non-stick paint with a layer thickness of 1 mm, with a rotation frequency that provides a centrifugal pressure of at least 0.5 MPa on a crystallizing metal coated with a liquid flux, with a layer thickness of 10% of the thickness of the liquid metal layer, and after removing the hollow billet from the mold, it is pressed on a four-die block with a broach at a temperature of at least 1210 ° C with an elongation coefficient μ = 1.9, and also by calibration at a temperature of at least 910 ° C with an elongation factor μ = 1.5 for the manufacture of a pipe billet 7.9 m long, a multiple of four to six billets of cylindrical bodies of solid fuel gas generators.