Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕКСТУРОВАННОЙ КУМУЛЯТИВНОЙ ОБЛИЦОВКИ

Изобретение относится к взрывной технике, например, к прострелочно-взрывной аппаратуре, перфораторам обсадных труб нефтяных или водозаборных скважин, средствам пробития перегородок в инженерных сооружениях и преградах, а также для дробления негабаритов в каменоломнях и шахтах, и может быть использовано, в частности, в теплоэнергетическом комплексе.

Актуальность проблемы обусловлена тем, что имеющиеся в настоящее время кумулятивные заряды имеют, в основном, недостаточную стабильность пробивного действия и низкую надежность при высокой стоимости.

Известны различные конструкции перфораторов, торпед, резаков и других устройств, в работе которых используются кумулятивные заряды и/или принципы их работы (Орленко Л.П. и др. Физика взрыва. 2002, М, т.2; Фридляндер Л.Я. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в скважинах. - М.: Недра, 1985).

В указанных источниках информации раскрываются физические особенности и характеристики кумулятивных зарядов (КЗ). В частности указывается на то, что часть энергии при взрыве КЗ переходит в металл кумулятивной облицовки (КО) таким образом, что она оказывается сконцентрированной в тонком слое, который образует кумулятивную струю (КС), с гораздо большей плотностью энергии, чем при подрыве заряда без КО.

Мощность КЗ определяется энергетикой процессов детонации взрывчатого вещества (ВВ) заряда, однородностью его по составу в различных сечениях, точностью инициирования, точностью геометрических размеров заряда, а также плотностью материала КО и точностью ее линейно-угловых параметров.

Как отмечено выше, в результате взрыва КЗ и схлопывания КО формируется металлическая КС с высоким градиентом скоростей по длине.

В полете КС удлиняется до разрыва на отдельные, уже безградиентные, элементы, которые участвуют в пробитии преграды в зависимости от расстояния до нее.

Способность КС к удлинению без разрыва на элементы зависит от релаксационных и прочностных характеристик материала КО, от ориентировки текстуры металла КО к фронту детонационной волны, а также заложенного ресурса пластичности внутренних слоев КО, из которых образуется высокоградиентная КС, которая по мере исчерпания ресурса пластичности делится на низкоградиентные или безградиентные элементы.

Приобретенная предварительная деформация при ротационной вытяжке кумулятивных облицовок обеспечивает вращение кумулятивных струй, направление которого контролируется «зашитой» деформацией кручения КО. Это кручение может быть визуализировано согласно патенту RU 2219489 от 01.02.1988. Описание особенностей механизма деформации кручения КО и сдвига наружных слоев облицовки относительно внутренних, целью которого является формирование поверхностных слоев облицовки со стабильными или изменяющимися по определенному закону характеристиками упрочнения по длине образующей облицовки, опубликованы в сборнике трудов «Передовой производственный опыт», ЦНИИНТИ, 1987, №5, стр.4-6).

Указанная «зашитая» деформация кручения КО, приобретенная на операции ротационной вытяжки, имеющая свои текстурные характеристики, названа «ротационной компонентой» в докладе Хельда М. на XII международном симпозиуме по баллистике в США (Dr. М. Held ″Spinning Jets from Shaped Charges with Turned Lines″//Proc. 12-th Int. Symp.On ballistics. - 1990, San Antonio, Texas (USA).

Степень совершенства текстуры и микронапряжения после РВ изменяются вдоль образующей КО, также как и степень деформации от вершины к основанию КО.

При этом нагартовка (наклеп) КО на операциях ротационной вытяжки при формообразовании и формоизменении может проводиться с обеспечением проработки всех слоев металла по толщине заготовки с целью получения необходимой топографии наружных и внутренних поверхностей облицовки, что приводит к плавной локализации предварительной деформации кручения и сдвига, например, в виде спирали, как показано на рис.1.

Сохранение вновь приобретенной текстуры и структуры деформации обеспечивается соответствующей термообработкой с учетом того, что участки КО, получившие наклеп разной степени при растяжении на операции ротационной вытяжки при последующем сжатии в струе имеют разную степень пониженного сопротивления (эффект Баушингера), что также влияет на градиент скоростей и симметрию соударения кристаллитов в кумулятивной струе.

Задача, на достижение которой направлено настоящее изобретение, заключается в управлении разделением кумулятивной струи на высокоскоростные низкоградиентные субструи и высокоскоростные группы безградиентных элементов.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении заданного деления КС на субструи (пучок струй) с последующим их делением на высокоскоростные, низкоградиентные и безградиентные группы элементов.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что КЗ содержит корпус, в котором размещается взрывчатое вещество с кумулятивной выемкой и облицовка кумулятивной выемки.

При этом кумулятивная облицовка выполнена текстурованной с возможностью разделения образующейся при подрыве заряда кумулятивной струи на субструи, вращающиеся вокруг продольной оси с различными скоростями вращения, и разделяющиеся, в свою очередь, на группы безградиентных элементов.

При этом наличие у КО определенной структуры деформации является необходимым, но недостаточным условием разделения КС на части, из которых образуются элементы.

Управление этим процессом образования текстуры и структуры предполагает создание условий для сохранения предварительной деформации получаемой заготовки на операциях технологического процесса формообразования КО, которое осуществляют из листовой заготовки (или иной формы заготовки, например, конической или цилиндроконической) ротационной вытяжкой за один подход на оправке давильно-раскатными роликами с реверсом шпинделя станка с раскатной оправкой, при этом количество реверсов (n) должно соответствовать необходимому количеству субструй (n+1), или групп малоградиентных или безградиентных высокоскоростных элементов.

Наиболее близким аналогом заявленного способа изготовления КО является патент RU 2180723 от 20.03.2002 «Способ изготовления осесимметричной облицовки кумулятивного заряда».

В указанном патентном источнике информации ротационную вытяжку (РВ) заготовки осуществляют в одну или более стадий.

При этом каждую стадию РВ осуществляют в два этапа, меняя направление вращения заготовки на противоположное, раскатывая всю заготовку без реверса, обеспечивая на обоих этапах одинаковое утонение заготовки.

Задача, на достижение которой направлено указанное изобретение, заключатся в избавлении от деформации кручения КО с целью обеспечения осесимметричности.

Авторы предлагают проводить РВ КО минимум, за четыре подхода, сначала на один угол (в примере 90°), а во второй стадии тоже за два прохода - на другой угол (в примере, 60°).

Отличие заявленного изобретения от аналога по способу изготовления КО заключается в том, что РВ осуществляют за один проход с необходимым числом реверсов, чем обеспечивается изменение направления деформации кручения КО на противоположное для достижения управляемого разделения КС на группы элементов.

В качестве подтверждения возможности управления разделением кумулятивной струи на малоградиентные части и безградиентные элементы были подготовлены КО, ротационную вытяжку которых проводили из предварительно подготовленных для визуализации характеристик течения металла заготовок из меди M1 (ГОСТ 495-77) δ-3,5 мм (37 мм по методике описанной в сборнике трудов «Передовой производственный опыт», ЦНИИНТИ, 1987, №5, стр.4 с использованием известного способа определения пластической деформации металла кумулятивной облицовки (RU 2219489 от 01.02.1988).

На рис.2 представлена КО без реверса раскатной оправки (а), и с одним реверсом оправки, который был осуществлен в двадцати миллиметрах от вершины облицовки (б).

В условиях этого эксперимента выявились характеристики и направление деформации привершинной зоны облицовки в сторону вращения оправки из-за инерционных сил, действующих в очаге деформации, преодолевающих действие тангенциальной составляющей силы вытяжки от раскатных роликов.

При изменении направления вращения оправки (реверс), характер деформации оставшейся части заготовки не изменяется за исключением направления. В окрестностях точки А (рис.2 (б)) деформация кручения меняет знак, что находит отражение в изменении условий деформации прилегающих объемов металла при последующем схлопывании КО при взрыве КЗ.

Изменение этих условий деформации привели к изменению ориентировки дислокационной структуры и релаксационных характеристик металла КО к фронту ударной волны при взрыве ВВ.

Проводили РВ листовых заготовок из меди толщиной 3,5 мм с двумя (а) и более реверсами (б) (рис.3).

Характер деформации или искажения координатной сетки с пятью реверсами представлен на рис.4.

Прямой радиальный луч координатной сетки, нанесенный на листовую заготовку в результате РВ с пятью реверсами оправки, представляет собой извилистую линию на поверхностях готовых КО (1), рис.4.

В случае увеличения числа реверсов (в пределе на каждый оборот оправки) радиальный луч координатной сетки остается прямой линией, при этом большее количество реверсов приведет к «перемолу» структуры металла, обеспечив квазиизотропию свойств КО (в смысле осесимметричности этих свойств).

Известно, что текстуры деформации металлов сохраняются до предплавильных температур, а для приведения меди в равновесное состояние путем снятия наклепа нужна температура не менее 600°С.

Для обеспечения гарантированного сохранения релаксационных характеристик металла КО, приобретенных на операции РВ, как результата текстурирования и создания соответствующей дислокационной структуры, термообработку КО при температуре (0,4 Т_пл. °С в заявленном изобретении заменяют на низкотемпературный отжиг (отдых или возврат) при 180-200°С.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет управлять разделением кумулятивной струи на несколько малоградиентных струй или групп безградиентных высокоскоростных элементов за счет устойчивого механизма пластической деформации кручения и сдвига материала кумулятивной облицовки, что, в свою очередь, способствует повышению эффективности и надежности работы кумулятивных зарядов.

Облицовка кумулятивной выемки выполнена текстурованной с возможностью разделения образующейся при подрыве снаряда кумулятивной струи на субструи, вращающиеся вокруг продольной оси с различными скоростями вращения, и разделяющиеся, в свою очередь, на группы безградиентных элементов.

Для обеспечения формирования текстуры деформации и отжига облицовки, а также для сохранения наклепа разной степени по образующей и толщине КО заявлен способ изготовления кумулятивной облицовки (КО), заключающийся в том, что осуществляют ротационную вытяжку заготовки КО, ее калибровку и отжиг; при этом ротационную вытяжку КО осуществляют из заготовки с постоянной и переменной толщиной, неоднократно меняя направление вращения заготовки за один проход; калибровку облицовки осуществляют в жестком штампе, а термообработку КО осуществляют в режиме низкотемпературного отжига (отдых или возврат).

Для расширения технологических возможностей, в том числе с целью применения материалов с большей плотностью, чем у меди, например, смеси порошков вольфрама и меди, изготовление кумулятивной облицовки по заявленному способу ведут из заготовки, которую получают прессованием и спеканием порошкового материала.

Для надежного получения необходимого количества струй или групп высокоскоростных элементов применяют способ изготовления кумулятивной облицовки, заключающийся в том, что создают условия для сохранения предварительной деформации получаемой заготовки КО на операциях технологического процесса формообразования КО, которое осуществляют или из листовой заготовки, или из заготовки конической или цилиндрической формы ротационной вытяжкой за один проход на оправке давильно-раскатными роликами с реверсом шпинделя станка с раскатной оправкой, при этом количество реверсов соответствует необходимому количеству субструй или групп малоградиентных или безградиентных высокоскоростных элементов.

Ротационную вытяжку КО осуществляют на токарных или специальных станках одним или несколькими давильно-раскатными роликами. Например, на рис.5 представлена двухроликовая ротационная вытяжка медной листовой заготовки кумулятивной облицовки.

При этом заготовка (1) прижимается к оправке (2) шпинделя станка с помощью упора (3). Электрический привод станка обеспечивает вращение шпинделя с возможностью изменения направления и частоты вращения (реверс). Давильно-раскатные ролики не имеют автономного привода; их вращение обеспечивается силой трения о вращающуюся заготовку облицовки. Подача роликов параллельно или под углом к конусу оправки осуществляется с помощью гидрокопировального устройства. Очевидно, что применение двух- или трехроликовой схемы ротационной вытяжки считается более предпочтительным по сравнению с однороликовой из-за обеспечения осесимметричности процесса обработки, исключающего прогиб оправки шпинделя даже в пределах радиального зазора в подшипниках, что является одной из причин разностенности облицовки в радиальном сечении.

Разделение очага деформации, имеющегося при однороликовой схеме ротационной вытяжки, на два или три при двух- и трехроликовй схеме дает возможность делокализовать деформацию, что снижает сопротивление деформированию и облегчает течение металла, которое приводит к наибольшим структурным изменениям в привершинной части облицовки.

Повысить интенсивность деформации с целью снижения сопротивления деформированию при РВ КО представляется возможным путем рассогласования вращательного движения давильно-раскатных роликов, что достигается применением одного ролика большего диаметра или большей массы по сравнению с другими из пары или трех в зависимости от кинематики станка (двух- или трехроликовая схема).

В этом случае увеличивается деформация кручения и сдвига наружных слоев металла КО относительно внутренних, при этом величина этой деформации достигает 3-4 толщин детали в привершинной зоне с плавным уменьшением вдоль образующей в направлении к основанию облицовки. Этим обеспечивается плавное изменение степени подвижности дефектов кристаллической решетки металла облицовки, что обеспечивает градиент скорости деформации по длине образующей и толщине облицовки при ударно-волновом нагружении.

С учетом изложенного, в процессе изготовления кумулятивной облицовки неоднократно меняют направление вращения заготовки КО в соответствии со схемой ротационной вытяжки заготовки за один проход двумя или тремя давильно-раскатными роликам, при этом один из пары или трех роликов имеет увеличенные размеры и массу по сравнению с остальными.