Тульский государственный университет, Тула, Россия:

А. С. Ямников, докт. техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, эл. почта: yamnikiovas@mail.ru
А. О. Чуприков, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, эл. почта: artemline@rambler.ru

Рассмотрен вопрос о целесообразности использования высокопрочных алюминиевых сплавов для изготовления корпусов баллонов высокого давления. Показана экономическая целесообразность замены высокопрочных сложнолегированных сталей на сплавы типа В95. Для алюминиевых сплавов ранее не проводили оценки напряжений и перемещений, возникающих при закреплении в трехкулачковых патронах. Актуальность этого исследования обоснована тем, что все физико-механические свойства (пределы прочности и текучести, модуль упругости) алюминиевых сплавов примерно втрое уступают стальным. По справочным данным рассчитаны составляющие силы резания и требуемые для закрепления заготовки в патроне силы зажима на каждом кулачке. При закреплении тонкостенных оболочковых заготовок в трехкулачковых патронах обычно применяли широкие и длинные кулачки с суммарным углом охвата заготовки, близким к полной окружности. Величину полученной силы прикладывали к каждому кулачку. Была создана 3D-модель сборки в SolidWorks и проведено компьютерное моделирование, по результатам которого установлено, что более высокое напряжение возникает в основном в деталях самого приспособления, где наблюдаются максимальные значения механического напряжения в диапазоне 1,269–1,384 МПа. На участках корпуса патрона, прилегающих к кулачкам — 0,69–0,923 МПа, а в основной части корпуса —0,015–0,023 МПа. Максимальное напряжение приходится на нижние кромки дна корпуса заготовки. Между кулачком и сегментом оно достигает 1,24 МПа, в этих местах широкие кулачки сдавливают заготовку. Наиболее жестким является участок по центру кулачков за счет наличия за его стенкой самого кулачка и ребра жесткости. Образуются три равноудаленные точки напряжения, однако напряжение в других местах на этом участке составляет 0,015–0,023 МПа. Измененная форма заготовки имеет вид огранки, отклонение от круглости которой составляет от 0,0014–0,00165 мм, что значительно меньше допуска.

1. Езжев А. С., Легких А. Н., Сидоров А. А. Разработка технологического процесса формообразования резьбы методом пластического деформирования с использованием программного комплекса DEFORM // Cборник тезисов. 2010. URL: https://tesis.com.ru/infocenter/downloads/deform/rezby_deform.pdf (дата обращения: 08.04.2020).
2. Ямников А. С., Матвеев И. А., Родионова Е. Н. Проявление технологического наследования при токарной обработке нежестких трубных заготовок // Черные металлы. 2019. № 5. С. 36–40.
3. Астапов В. Ю. Ротационная вытяжка тонкостенных цилинд рических деталей // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2015. № 2. С. 15–18.
4. Акопян Т. К., Дедяева Е. В., Падалко А. Г., Таланова Г. В., Шворнева Л. И. и др. Фазовые превращения в бинарном сплаве 10 ат. % Si – 90 ат. % Al при высоких давлениях и температурах // Металлы. 2014. № 3. С. 15–20.
5. Ibrahim M. F., Alkahtani S. A., Abuhasel Kh. A., Samuel F. H. Effect of intermetallics on the microstructure and tensile properties of aluminum based alloys: role of Sr, Mg and Be addition // Materials and Design. 2015. No. 86. P. 30–40.

6. Ikeshita S., Strodahs A., Saghi Z. Hardness and microstructural variation of Al – Mg – Mn – Sc – Zr alloy // Micron. 2016. Vol. 82. P. 1–8.
7. Kim J. T., Hong S. H., Park J. M., Eckert J., Kim K. B. Microstructure and mechanical properties of hierarchical multi-phase composites based on Al – Ni-type intermetallic compounds in the Al – Ni – Cu – Si alloy system // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 749. P. 205–210.
8. Li Zh., Yan H. Modification of primary α-Al, eutectic silicon and β-Al₅FeSi in as-cast AlSi₁₀Cu₃ alloys with (La + Yb) addition // Journal Of Rare Earths. 2015. Vol. 33, No. 9. — 995 p.
9. Sachek B. Y., Mezrin A. M., Muravyeva T. I., Stolyarova O. O., Zagorskiy D. L., Belov N. A. Investigation of the tribological properties of antifrictional aluminum alloys using sclerometry // Journal of Friction and Wear. 2015. Vol. 36, Iss. 2. P. 103–111.
10. Shi Z. M., Gao K., Shi Y. T., Wang Y. Microstructure and mechanical properties of rare-earth-modified Al – 1Fe binary alloys // Materials Science and Engineering: A. 2017. No. 632. P. 62–71.
11. Sims Z. C., Rios O. R., Turchi P. E. A. et al. High performance aluminum-cerium alloys for high-temperature applications // Materials Horizons. 2017. Vol. 4. P. 1070–1078.
12. Sims Z. C., Weiss D., McCall S. K., McGuire M. A., Ott R. T. et al. Cerium-based, intermetallicstrengthened aluminum casting alloy: high-volume co-product development // Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 2016. Vol. 68. P. 1940–1947.
13. Стоимость высокопрочных товаров в Туле // tiu.ru. URL : https://tula.tiu.ru/Vysokoprochnye.html?category=420818.
14. Плита алюминиевая сплав марка алюминия В95 лист ГОСТ 17232–99 и 21631–76 прокат 0,5–200 мм // tiu.ru. URL : https://tula.tiu.ru/p325780033-plita-alyuminievaya-splav.html
15. ГОСТ 17232–99. Плиты из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия. — Введ. 01.09.2000. — М. : Издательство стандартов, 1999.
16. ГОСТ 21631–76. Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия. — Введ. 01.07.1977. — М. : Издательство стандартов, 1976.
17. Ямников А. С., Ямникова О. А., Чуприков А. О., Харьков А. И. Влияние заднего угла и параметров упрочняющей фаски керамических резьбовых резцов на стойкость // Цветные металлы. 2018. № 12. С. 88–91. DOI: 10.17580/tsm.2018.12.13.
18. Ямников А. С., Ямникова О. А., Чуприков А. О. Исследование составляющих силы резания при выполнении резьбы резцами с керамическими пластинами // Черные металлы. 2019. № 10. С. 73–77.
19. Songmene V., Khettabi R., Zaghbani I. Kouam J., Djebara A. Machining and Machinability of Aluminum Alloys // Aluminium Alloys, Theory and Applications. 2011. P. 377–400.
20. Hazeley J. How It Works – Machining cast aluminum parts // Today’s Machining World. 2008. Vol. 4, Iss. 04.
21. Тимошенко С. П. Теория пластин и оболочек. — М. : Стройиздат, 1977. — 686 с.
22. Савельева Л. В. Закрепление тонкостенных деталей для высокоточной обработки // Инженерный вестник. URL: https://docplayer.ru/65528177-Zakreplenie-tonkostennyh-detaleydlya-vysokotochnoy-obrabotki-514208.html.
23. Дальский А. М., Кулешова З. Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. — М. : Машиностроение, 1988. — 304 с.
24. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. — М. : Машиностроение, 2002. — 686 с.
25. Алюминий В95. URL: http://vse-postroim-sami.ru/materials/metal/10010_alyuminievyj-splav-v95/ (дата обращения: 08.04.2020).
26. Справочник технолога-машиностроителя в 4-х т. Т. 2 / под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — M. : Машиностроение, 2003.
27. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation // ДМК-Пресс. 2010. — 230 с.
28. SolidWorks Web help. URL: http://help.solidworks.com/2019/Russian/SolidWorks/cworks/c_Meshing_Options.htm/ (дата обращения: 08.04.2020).
29. Malkov I., Sirovoy G., Kashkarov S., Nepran I. CAD/CAE simulation of mechanical properties of tubular elements made from composite structures // TEKA, Commission of motorization and energetics in agriculture. 2013. Vol. 13, No. 3. P. 133–138.
30. Ямников А. С., Ямникова О. А., Чуприков А. О., Матвеев И. А. Упругие деформации заготовок полых осесимметричных корпусов при закреплении в трехкулачковых патронах // Черные металлы. 2018. № 6. С. 25–30.