Оптика, оптикоэлектронные приборы и комплексы технология изготовления анизотропной облицовки кумулятивного заряда
 Скачать 441.68 Kb.
|
|
237 ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ УДК 623.541 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНИЗОТРОПНОЙ ОБЛИЦОВКИ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА Владилен Федорович Минин Доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, академик АТН РФ, e-mail: prof.minin@gmail.com Олег Владиленович Минин Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, заведующий ка- федрой метрологии и технологии оптического производства, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru Игорь Владиленович Минин Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метроло- гии и технологии оптического производства, e-mail: prof.minin@gmail.com Работа посвящена технике кумулятивных зарядов, в частности технологии изготовле- ния кумулятивных облицовок, которые могут быть использованы в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтедобыче или боевых частях снарядов или ракет. Рассматривается метод изготовления анизотропной облицовки кумулятивного заряда. При этом в качестве материала кумулятивной облицовки используется преимущественно медь или сплавы на основе меди, алюминий или сплавы на основе алюминия, железо или сплавы на основе железа. Ключевые слова: кумулятивная струя, кумулятивный заряд, кумулятивная облицовка, анизотропия, технология, пробитие. Задача увеличения глубины пробиваемой преграды является основной при разработке кумулятивных зарядов любого типа. Глубина пробиваемого отвер- стия во многом определяется качеством изготовления облицовки кумулятивно- го заряда, плотностью, пластичностью и микроструктурой ее материала. Основными характеристиками, определяющими эффективность перфора- ции, является длина формируемой кумулятивной струи, которая пропорцио- нальна пластичности материала струи, диаметру струи и максимальному гради- енту скорости вдоль струи, а также плотность материала струи [1–3]. Вестник СГУГиТ, вып. 4 (36), 2016 238 Во всех известных кумулятивных зарядах для увеличения длины кумуля- тивной струи уменьшают величину зерна в материале кумулятивной облицов- ки, для получения однородного измельченного зерна, близкого к равноосному. Технологии изготовления таких кумулятивных облицовок рассмотрены, на- пример, в работах [4–7] и т. д. Недостатками этих технологий являются низкая пробивная способность кумулятивного заряда, так как на величину пробивной способности оказывает влияние размер зерна в структуре металла, его направленность и обусловлен- ные этим неоднородность и несимметрия свойств облицовки, а также низкая стабильность результатов кумулятивных зарядов при их испытании на проби- ваемость, связанная с несимметрией обжатия кумулятивной облицовки. Задачей работыявляется повышение пробивной способности заряда с ку- мулятивной облицовкой при одновременном повышении стабильности резуль- татов кумулятивных зарядов при их испытании на пробиваемость. Техническим результатом работы является получение в структуре обли- цовки кумулятивного заряда зерен с одинаковой кристаллографической на- правленностью, с равномерной столбчатой структурой, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки. Известно, что применение в качестве инертного материала кумулятивных облицовок металла с однородной мелкозернистой структурой для повышения его пластичности обеспечивает «изотропные» механические свойства материа- ла, но не позволяет использовать предельные свойства используемого металла, что приводит к уменьшению предельной получаемой длины кумулятивной струи и ее максимальной скорости и, как следствие, уменьшает эффективность перфорации [1–3]. Для обеспечения максимальной пластичности материала и изотропности механических свойств материала, зерна применяемых в кумулятив- ных облицовках материалов делают максимально мелкими, до величины несколь- ко микрон, что повышает сложность их изготовления и стоимость устройства. Известно, что механические свойства материала (скорость звука, пластич- ность, прочность и т. д.) различны для различных ориентаций кристаллов ее со- ставляющих. Так, например, у меди анизотропия модуля упругости достигает почти 300 %. Под действием взрывного течения материала кумулятивной обли- цовки кристаллы превращаются в нитевидные, длина которых зависит от их размеров, а свойства – от их кристаллографического направления [3]. Основные механические свойства кристаллов, такие как пластичность, скорость звука, сжимаемость и т. д., являются тензорными и векторными вели- чинами и различны в разных кристаллографических направлениях. Величина этого различия может быть значительной для гранецентрированных металлов с кубической решеткой. Например, скорость звука в меди в зависимости от кри- сталлографической направленности зерен изменяется от 2,8 км/с (направление <001>) до 4,7 км/с (направление <111>). Таким образом, максимальная ско- рость кумулятивной струи и ее длина могут изменяться в зависимости от кри- сталлографической направленности зерен материала кумулятивной облицовки. Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы 239 При использовании кумулятивной облицовки с анизотропными механиче- скими свойствами, в которой все кристаллы ориентированы в направлении те- чения материала, пластичность материала становится максимальной, возраста- ют длина кумулятивной струи и глубина перфорируемого отверстия. При этом эффективность такой кумулятивной облицовки не зависит от размеров зерен материала и повышается стабильность и эффективность перфорации. Кумулятивная струя, состоящая из таких столбчатых кристаллов с различ- ными механическими свойствами, имеет возможность аномального растяжения, что и является причиной высокой эффективности перфорации скважин. Предлагается метод изготовления анизотропных облицовок для кумуля- тивных зарядов, включающий изготовление заготовки оболочечной детали ку- мулятивной облицовки и тонкое точение полученной детали, закрепленной в токарном станке. Новым является то, чтозаготовка оболочечной детали куму- лятивной облицовки изготавливается методом направленного намораживания металла на кристаллизатор, при этом изготавливается кристаллизатор с внеш- ней формой поверхности, совпадающей с внутренней формой поверхности ку- мулятивной облицовки, осуществляется наращивание полой оболочечной заго- товки из расплава металла на охлаждаемый кристаллизатор с одновременным прессованием, с выдержкой кристаллизатора в расплаве на время, достаточное для формирования на нем столбчатых кристаллов перпендикулярно к внешней поверхности кристаллизатора на заданную толщину стенки с учетом припуска на механическую обработку. При этом в качестве пуассона, формирующего внутренний контур, используется водоохлаждаемый кристаллизатор, а в каче- стве матрицы, формирующий внешний контур облицовки, используется нагре- ваемая форма, температура которой поддерживается не менее чем на 5-10 гра- дусов выше ликвидуса. Происходит вынимание кристаллизатора с заготовкой кумулятивной облицовки из расплава, снятие заготовки кумулятивной обли- цовки с кристаллизатора и охлаждение ее, например, на воздухе или в воде, удаление припуска с внешней поверхности кумулятивной облицовки. Кроме того, в качестве материала кумулятивной облицовки используется преимущест- венно медь или сплавы на основе меди, алюминий или сплавы на основе алю- миния, железо или сплавы на основе железа. Кроме того, на поверхность кри- сталлизатора предварительно методом гальванического осаждения наращивает- ся слой электролитической меди толщиной 200–300 мкм. Процесс получения анизотропной облицовки осуществляют следующим образом. Изготавливают охлаждаемый кристаллизатор-пуассон с внешней формой поверхности, совпадающей с внутренней формой поверхности кумуля- тивной облицовки, затем в разогретую форму-матрицу заливают расплавлен- ный металл, при этом температура нагреваемой формы-матрицы с помощью электронагревательного элемента поддерживается не менее чем на 5–10 граду- сов выше температуры ликвидуса. В качестве электронагревательного элемента может использоваться индукционная печь. Далее осуществляется погружение кристаллизатора-пуассона в расплав металла и наращивание полой оболочеч- Вестник СГУГиТ, вып. 4 (36), 2016 240 ной заготовки из расплава металла на охлаждаемый кристаллизатор-пуассон с одновременным прессованием расплава металла и выдержкой кристаллизатора- пуассона в расплаве на время, достаточное для формирования на нем столбча- тых кристаллов перпендикулярно к внешней поверхности кристаллизатора на заданную толщину стенки с учетом припуска на механическую обработку. Из- готовление облицовки происходит при большом переохлаждении и с большим перепадом температур. В этом случае формирование структуры облицовки происходит следующим образом: из зародышей кристаллов на поверхности кристаллизатора-пуассона, число которых можно регулировать степенью пере- охлаждения, идет рост в направлении теплосъема, т. е. по нормали поверхности кристаллизатора-пуассона. При этом наблюдается два эффекта: все зерна раз- вернуты в направлении роста кристаллографическим направлением, имеющим максимальную теплопроводность и совпадающим с направлением максималь- ной пластичности материала для металлов на основе меди, алюминия, железа; фронт кристаллизации отжимает легкоплавкие примеси в расплав, что приво- дит к дополнительной очистке материала облицовки. Например, для медной облицовки диаметром 42 мм процесс роста стенки облицовки происходит в за- зоре всего 2 мм между формой-матрицей и кристаллизатором-пуассоном. Это позволяет получать заготовки облицовок с равномерной столбчатой структу- рой, с кристаллами, по размерам и по геометрии близкими к размерам чертежа. Затем вынимают кристаллизатор-пуассон с заготовкой кумулятивной облицов- ки из расплава, снимают заготовку кумулятивной облицовки с кристаллизато- ра-пуассона и охлаждают ее, например, на воздухе или в воде, удаляют припуск с внешней поверхности кумулятивной облицовки точением. Кроме того, для того чтобы можно было использовать в качестве материа- ла кумулятивной облицовки низкосортную медь, предварительно на кристалли- затор-пуассон методом гальванического осаждения наращивают слой чистой электролитической меди толщиной 200–300 микрон (толщина струеобразую- щего слоя), необходимой для струеобразования. В качестве низкосортной меди используется, например, медь марки М3. Разработанная технология позволяет получить кумулятивные облицовки с плотной радиально-направленной столбчатой структурой, которые обладают высокой симметрией свойств в любом сечении облицовки, нормальной к ее оси, и оптимальными механическими свойствами при формировании кумулятивной струи, чем достигается повышенная эффективность кумулятивных зарядов с такими облицовками и высокая стабильность результатов кумулятивных заря- дов при их испытании на пробиваемость (таблица). Испытания таких облицовок из меди и алюминия показали, что они обла- дают повышенной на 10–20 % эффективностью по сравнению с эффективно- стью точеных и штампованных облицовок и обеспечивают стабильность про- бития в 2-3 раза выше, чем стабильность таких же облицовок, полученных то- чением из проката или штамповкой из листа. Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы 241 Сравнительные характеристики пробития Способ изготовления Относительная величина пробития Относительная величина среднеквадратичного отклонения Медные облицовки, изготовленные точением 1 1 Медные облицовки, изготовленные по предлагаемому способу 1,18 0,32 Медные облицовки, изготовленные по предлагаемому способу с внут- ренним электроосажденным слоем 1,23 0,30 Алюминиевые облицовки, изготов- ленные точением 1 1 Алюминиевые облицовки, изготов- ленные по предлагаемому способу 1,29 0,57 Работа частично была поддержана грантом РФФИ 15-03-00691. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Минин И. В., Минин О. В. Кумулятивные заряды. – Новосибирск : СГГА, 2013. – 160 с. 2. Минин В. Ф., Минин И. В., Минин О. В. Физика гиперкумуляции и комбинирован- ных кумулятивных зарядов. – Новосибирск : НИИЭП, 2013. – 275 с. 3. Минин В. Ф., Минин И. В., Минин О. В. Способ и устройство (варианты) формиро- вания высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими неза- пестованными каналами и с большим диаметром : пат. № 2412338 Российская Федерация, МПК Е43/117, F42B1/02. ; заявл. 07.12.2009 ; опубл. 20.02.2011. – Бюл. № 5. – 46 с. 4. Способ изготовления кумулятивных облицовок / А. Б. Дронов, Е. Д. Павленко, А. В. Уцын, В. А. Маленичев, А. В. Чайников, С. В. Михайлин : патент № 2237849 Россий- ская Федерация, МПК МПК F42B1/036, B21K 21/10, B21D 51/10; заявл. 03.03.2009; опубл. 10.09.2010. –Бюл. № 25. 5. Владыкин Э. И., Курепин А. Е., Семин В. А. Способ изготовления осесимметричной облицовки кумулятивного заряда : патент № 2180723 Российская Федерация, МПК B21D 22/14, F42B 1/036, F42B 10/36, заявл 05.10.2000; опубл. 20.03.2002. – Бюл. № 27. 6. Кумулятивный заряд с биметаллической облицовкой и способ ее изготовления / В. Г. Смеликов, В. М. Базилевич, И. Г. Воропаев, А. П. Карабанов : патент № 2151362 Россий- ская Федерация, МПК F42B1/032, F42B1/036, заявл. 23.04.1999; опубл. 20.06.2000. – Бюл. № 26. 7. Avigdor Hetz, Clarence W. Wendt, John D. Loehr. Injection molded shaped charge liner. МПК F42B1/02, Пат. США № 7581498; заявл. 23.08.2005; опубл. 01.09.2009. Получено 15.09.2016 © В. Ф. Минин, О. В. Минин, И. В. Минин, 2016 Вестник СГУГиТ, вып. 4 (36), 2016 242 TECHNOLOGY OF SHAPED CHARGE ANISOTROPIC LINER MANUFACTURING Vladilen F. Minin D. Sc., Professor, USSR State Prize Laureate, Academician of the Russian Federation of ATH, e- mail: prof.minin@gmail.com Oleg V. Minin Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor, Нead of Department of metrology and Technology of Optical Devices, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru Igor V. Minin Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor, Department of Metrology and Technology of Optical Devices, e- mail: prof.minin@gmail.com The work is devoted to the technique of shaped charges, in particular for the manufacture of cumulative liner technologies that can be used in punching technique when shooting-blasting in oil or combatant shells or missiles. The method of manufacturing an anisotropic liner shaped charge is described. Thus as the cumulative liner material used mainly copper or copper-based alloys, alumi- num or aluminum-based alloys, iron or iron-based alloys. Key words: shaped charge jet, shaped charge, shaped charge liner, anisotropy, technology, penetration. REFERENCES 1. Minin, I. V., & Minin, O. V. (2013). Kumulyativnye zaryady [Shaped charges]. Novosi- birsk: SSUGT [in Russian]. 2. Minin, V. F., Minin, I. V., & Minin, O. V. (2013). Fizika giperkumulyatsii i kombinirovannykh kumulyativnykh zaryadov [Physics of hypercumulation and combined shaped charges]. Novosibirsk: NIIEP [in Russian]. 3. Minin, V. F., Minin, I. V., & Minin, O. V. (2011). Patent RF No 2412338, Е43/117, F42B1/02. Novosibirsk: IP Russian Federation [in Russian]. 4. Dronov, A. B., Pavlenko, E. D., Utsin, A. V., Malenichev, V. A., Chainikov, A. V., & Mikhailin, S. V. (2010). Patent RF № 2237849, F42B1/036, B21K 21/10, B21D 51/10. IP Russian Federation [in Russian]. 5. Vladikin, E. I., Kurepin, A. E., Semin, V. A. (2002). Patent RF № 2180723, B21D 22/14, F42B 1/036, F42B 10/36. IP Russian Federation [in Russian]. 6. Smelikov, V. G., Bazilevich, V. M., Voropaev, I. G. Karabanov, A. P. (2000). Patent RF № 2151362, F42B1/032, F42B1/036. IP Russian Federation [in Russian]. 7. Avigdor Hetz, Clarence W. Wendt, & John D. Loehr. (2009). Patent USA № 7581498. IP USA. Received 15.09.2016 ©V. F. Minin, O. V. Minin, I. V. Minin, 2016 |