СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ПЛАСТМАССОВОГО ВЕДУЩЕГО ПОЯСКА Российский патент 2019 года по МПК F42B14/02 

Изобретение относится к артиллерийским малокалиберным боеприпасам, а более конкретно, к технологии формирования пластмассовых ведущих поясков методом литья под давлением в форму.

Уровень данной области техники характеризует способ, описанный в патенте RU 2086900, F42B 14/02, 04, 1997 г., в котором оптимизирована кольцевая канавка на центрирующем утолщении корпуса для надежного сцепления с пластмассовым пояском, который обеспечивает обтюрацию пороховых газов метательного заряда при стрельбе.

Прочностные параметры крепления этого пластмассового пояска в профилированной канавке корпуса обеспечиваются в диапазоне температур эксплуатации снарядов.

Для практической функциональности описанного пластмассового ведущего пояска в канале ствола необходимым дополнительным условием является использование в составе покрытия, наносимого на внутреннюю поверхность гильзы описанного унитарного патрона, где размещается метательный пороховой заряд, материалов, имеющих энергию возгонки не более 150 кДж/моль, в частности, цинка, кадмия, и выполняющих роль катализатора при взаимодействии пластмассы пояска с нарезами канала ствола в процессе формирования трибомеханической прослойки.

Эти дополнительные технические условия комплектации гильз ограничивают практическое использование снарядов с пластмассовым пояском.

Более совершенным является способ литья под давлением полимерной композиции, которая обеспечивает заданные эксплуатационные характеристики формируемых в размер ведущих поясков с антифрикционной поверхностью и стойких к растрескиванию, который описан в патенте RU 2155929 C1, F42B 14/02, 04, 2000, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве ближайшего аналога предложенному способу.

В известном способе для увеличения прочности сцепления пластмассового ведущего пояска с корпусом снаряда специально профилируется канавка на центрирующем утолщении, на дне которой выполняют кольцевые рифли.

В качестве материала пояска используют полиарилатную композицию предпочтительно марки ДВ-524 по ТУ 6-55-221-1013-88, в состав которой введена добавка (1-2 мас. %) фторопласта в результате чего продукты термического разложения от трения ведущего пояска снаряда при выстреле, основу которых составляют окись и двуокись углерода, хорошо совмещаемые с пороховыми газами горения метательного заряда, практически полностью исключает их эрозионное воздействие на поверхность граней нарезов ствола и газоотводных каналов пушек.

Этот литьевой материал для формирования ведущих поясков обеспечивает конструкционную прочность в диапазоне температур от -60°C до +150°C при больших осевых, радиальных и скручивающих нагрузках, без существенного износа ствола оружия.

Литье указанной полиарилатной композиции, модифицированной фторопластом, с температурой 345-355°C проводят впрыском в течение 4-5 с мерной массы под давлением в диапазоне 120-150 МПа в литьевую форму, нагретую до температуры 115-125°C, заполняя кольцевую канавку корпуса снаряда.

Известный способ с описанными технологическими режимами формования и крепления пластмассового ведущего пояска заданной геометрии и точных размеров, которые не требуют финишной механической доработки, обеспечивает требуемые основные технические характеристики при хранении и эксплуатации боеприпасов, а именно: кратно увеличена стойкость к трещинообразованию, улучшена химическая стойкость за счет выхода на поверхность пояска фторопласта в количестве 6-10 мас. %, образующего трибомеханическую пленку в форме твердой смазки в зоне силового взаимодействия при врезании ведущего пояска в нарезы канала ствола оружия.

В данном изобретении обоснован выбор температуры расплава полимерной композиции на выходе из сопла литьевой машины, температуры литьевой формы, времени и давления впрыска для гарантированной стойкости изготовленных поясков к трещинообразованию.

Однако, трещиностойкость полимерных ведущих поясков является всего лишь одним из показателей эксплуатационной пригодности, в ряду которых также находится надежность их крепления, которая зависит от плотности и степени дефектности материала пояска, особенно следы стыка потока материала (спаи) при наличии трещин в отформованном литьем кольце (см. ОСТ В 84-1602-88, с. 8).

Недостатком известного способа является то, что технологические параметры литья под давлением ведущих поясков из известной полиарилатной композиции не обеспечивают бездефектность стыка потока материала ведущих поясков и требуемую надежность крепления пластмассовых ведущих поясков (момент сопротивления скручиванию).

При этом контролируемыми параметрами качества полимерных ведущих поясков нормативно установлены: плотность материала (г/см³), момент сопротивления скручиванию (Нм), время до растрескивания пояска в четыреххлористом углероде и отсутствие дефектов следующих типов: 1 - недоливы, 2 - поверхностные пузыри или следы от них общей площадью более 2% от общей площади поверхности пояска, 3 - раковины и утяжены на поверхности поясков глубиной более 0,08 мм, 4 - вскрывшиеся пузыри в месте удаления литников, утопающие относительно поверхности пояска более чем на 0,1 мм, 5 - следы течения материала и слоистость структуры пояска глубиной более 0,2 мм.

В качестве косвенного показателя меры надежности крепления полимерного ведущего пояска используется экспериментально определяемый момент сопротивления скручиванию сформированного ведущего пояска.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация технологических режимов способа, при которых гарантированно обеспечивается надежность механического крепления ведущих поясков на корпусах снарядов при выстреле, при этом технические характеристики материала стыка потока должны быть на уровне характеристик формируемого полимерного кольца.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе крепления пластмассового ведущего пояска из полиарилатной композиции, содержащей 1-2 мас. % фторопласта, литьем под давлением на цилиндрическое изделие, помещенное в нагретую пресс-форму, при контролируемых параметрах впрыска, согласно изобретению, впрыск мерной дозы полиарилатной композиции с температурой 315-340°C, имеющей показатель текучести расплава 0,2-0,9 г/10 мин, осуществляют при давлении 170-290 МПа в течение 2-4 с в нагретую до 130-155°C пресс-форму.

Отличительные признаки предложенного способа с оптимизированными технологическими режимами промышленной технологии гарантированно обеспечили прочность стыка потока материала с показателями назначения на уровне формируемого полимерного кольца, что необходимо для надежного крепления пластмассовых ведущих поясков при функционировании в канале ствола.

Дополнительным техническим результатом от изобретения является стабильность триботехнических характеристик сформированного полимерного пояска, в результате чего кратно снижается износ стволов.

Селекция полиарилатной композиции по показателю текучести расплава в оптимальном диапазоне (0,2-0,9 г/10 мин) повысила молекулярно-массовые и физико-механические характеристики изготавливаемых пластмассовых ведущих поясков.

Повышение давления впрыска до 170-290 МПа позволило заметно снизить рабочую температуру расплава, который нагнетается более динамично (с более высокой скоростью потока), при кратном расширении температурных диапазонов технологии.

Оптимальные показатели режимов предложенного способа рассчитаны по теории планирования эксперимента и были проверены испытаниями изготовленных опытных образцов, анализ которых позволяет сделать следующие выводы.

При более высокой температуре нагрева пресс-формы, когда температура расплава заметно снижена, стало возможным снизить перепад температур более динамично впрыскиваемой композиции на 20%, что способствует равномерному охлаждению формируемого пояска, исключая растрескивание материала и формирование пояска с повышенной степенью дефектности.

Установленный в предложенном способе температурный диапазон литья обеспечил снижение термодеструкции полиарилатной композиции, что повысило уровень прочности готового ведущего пояска.

При температуре литья ниже 315°C наблюдаются случаи неполного уплотнения стыка потока материала кольцевого пояска из-за высокой вязкости расплава полиарилатной композиции, которая характеризуется при этом плохой текучестью, в результате чего сформированный поясок имеет пониженную плотность материала, при наличии недоливов и дефектов в стыке, а также недостаточную плотность материала в объеме пояска, что не гарантирует надежного его крепления на корпусе снаряда.

При температуре литья выше 340°C интенсифицируется термодеструкция полиарилатной композиции, снижающая молекулярно-массовые характеристики и прочность готовых ведущих поясков.

Оптимизация показателя текучести расплава направлена на достижение улучшенных молекулярно-массовых характеристик материала и его технологичности, при повышении надежности крепления ведущего пояска на корпусе снаряда.

Показатель текучести расплава - характеристика, определяемая в соответствии с ГОСТ 11645-73.

Экспериментально установлено, что заявленная полиарилатная композиция с показателем текучести расплава в диапазоне 0,2-0,9 г/10 мин максимально пригодна для изготовления литьем под давлением ведущих поясков на корпусах малокалиберных артиллерийских снарядов.

Полиарилатная композиция с показателем текучести расплава меньше 0,2 г/10 мин имеет высокую вязкость в выбранном диапазоне температур литья 315-340°C, вследствие чего возникают недоливы материала с дефектами сплошности, значительно снижается плотность ведущих поясков и надежность их крепления.

Снижение вязкости может быть достигнуто за счет повышения температуры литья выше 340°C, однако при этом происходит интенсификация процесса термодеструкции материала, что не позволяет получить пластмассовые ведущие пояски с требуемыми техническими характеристиками.

Полиарилатная композиция с показателем текучести расплава больше 0,9 г/10 мин не обеспечивает заданный уровень прочностных характеристик формируемого ведущего пояска и надежности его крепления на корпусах снарядов из-за пониженных молекулярно-массовых характеристик материала.

Выбранный диапазон температуры нагрева пресс-формы (130-155°C) обеспечивает соединение стыка потока материала с прочностью на уровне кольцевого пояска, который в выбранном диапазоне технологических параметров уплотняется при минимальных внутренних напряжениях.

При температуре пресс-формы меньше 130°C прочность стыка потока материала кольцевого пояска уменьшается, при повышенных внутренних механических напряжениях, рост которых определен термическими напряжениями, возникающими вследствие большой разницы температур расплава и пресс-формы.

При температуре пресс-формы больше 155°C надежность крепления полимерного ведущего пояска снижается из-за внутренних механических напряжений, возникающих под действием объемного сжатия в материале при литье.

Относительным повышением температуры пресс-формы обеспечивается уменьшение разницы с температурой впрыскиваемого материала для исключения напряжений и дефектов слоистости готового пояска.

Повышение давления впрыска, сравнительно с прототипом, позволило уменьшить время впрыска и снизить температуру переработки полиарилатной композиции в ведущий поясок, надежно функционирующий в условиях повышенных ударных нагрузок при выстреле.

При времени впрыска мерной дозы полиарилатной композиции меньше 2с возможны недоливы материала в пресс-форму, что служит причиной неудовлетворительного его уплотнения в пояске, который имеет дефекты типа поверхностных пузырей.

При времени впрыска мерной дозы полиарилатной композиции больше 4с образуются недопустимые дефекты слоистости структуры материала пояска, возникающей вследствие уплотнения и смещения слоев расплава относительно уже застывающих его слоев, примыкающих к металлу корпуса, при возникновении внутри материала механических напряжений.

При давлении литья выше 290 МПа увеличивается механодеструкция полиарилатной композиции и внутренние механические напряжения в материале пояска.

Относительное увеличение давления впрыска позволяет снизить температуру переработки полиарилатной композиции, сравнительно с прототипом, и кратно расширить температурный интервал, что упрощает технологию.

При давлении литья ниже 170 МПа резко падает прочность стыка потока материала из-за недолива расплава и его недостаточного уплотнения, в результате чего появляются дефекты типа раковин, утяжин и пузырей на поверхности пояска.

Увеличение температуры литья для устранения отмеченных дефектов приводит к термодеструкции материала, снижая прочность в стыке его потока и ухудшая показатели назначения и все физико-механические характеристики пояска.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Сущность изобретения поясняется примерами выполнения способа, которые имеют чисто иллюстративную цель и не ограничивают объема притязаний совокупности признаков формулы.

Для изготовления полимерных ведущих поясков литьем под давлением в оптимальных диапазонах контролируемых технологических параметров использована полиарилатная композиция, модифицированная дополнительным содержанием в количестве 1-2 мас. % фторопласта, которая имеет показатель текучести расплава (ПТР) в диапазоне 0,2-0,9 г/10 мин.

Технологические параметры литья под давлением оказывают влияние на совокупность свойств формируемых поясков, в том числе: уровень дефектности, плотность, прочностные показатели материала.

Один из механизмов данного влияния заключается в том, что технологические параметры литья под давлением определяют интенсивность протекания деструкции материала, приводящей к ухудшению прочностных характеристик материала.

Другой механизм влияния заключается в том, что интенсивность образования дефектов структуры материала поясков также сказывается на прочностных характеристиках материала.

Деструкция материала протекает под воздействием температуры (термодеструкция) и давления (механодеструкция), при этом дефектность материала пояска существенно снижает его прочностные характеристики.

В совокупности указанные факторы влияют на надежность крепления полимерных ведущих поясков, исходя из чего в изобретении решена задача с определением технологических параметров литья, которые обеспечивают минимизацию деструкции материала и дефектности сформированного пояска.

Для литья под давлением использовалось промышленно выпускаемое оборудование - термопластавтоматы марок WOOJIN PLAIMM NE-80, Атлант TC60K, JINHWA ММСII-50.

Пример 1.

Процесс впрыска в пресс-форму, нагретую до температуры 130°C полиарилатной композиции с температурой литья 337°C осуществляли при давлении впрыска 290 МПа в течение 4 с.

Получено:

- плотность материала пояска 1,22 г/см³;

- момент сопротивления скручиванию 617 Н⋅м;

- отсутствуют дефекты типов 1, 2, 3, 4 и 5;

- время до растрескивания пояска в четыреххлористом углероде составило 154 мин.

Пример 2.

Процесс впрыска в пресс-форму, нагретую до температуры 148°C полиарилатной композиции с температурой литья 325°C осуществляли при давлении впрыска 269 МПа и в течение времени 3 с.

Получено:

- плотность материала пояска 1,23 г/см³;

- момент сопротивления скручиванию 622 Н⋅м;

- отсутствуют все дефекты типа 1, 2, 3, 3, 4 и 5;

- время до растрескивания пояска в четыреххлористом углероде составило 120 мин.

Пример 3.

Процесс впрыска в пресс-форму, нагретую до температуры 153°C полиарилатной композиции с температурой литья 320°C осуществляли при давлении впрыска 170 МПа и в течение времени 4 с.

Получено:

- плотность материала пояска 1,21 г/см³;

- момент сопротивления скручиванию 611 Н⋅м;

- отсутствуют все дефекты типа 1, 2, 3, 3, 4 и 5;

- время до растрескивания пояска в четыреххлористом углероде составило 100 мин.

Статистические данные опытной проверки способа по изобретению полимерных ведущих поясков подтвердил пригодность предложенных режимов для получения годной продукции в условиях серийного производства.

Целевой показатель - момент сопротивления скручиванию составляет более 600 Н⋅м, что значительно больше, чем по прототипу (450 Н⋅м), что обеспечивает высокую надежность крепления ведущих поясков в канавку корпусов артиллерийских снарядов и поддона подкалиберных снарядов, чем расширена область использования способа.

Изобретение обеспечивает трещиностойкость изготавливаемых ведущих поясков выше, чем в прототипе: 60-200 мин против 30-88 мин соответственно.

Еще одно преимущество заключается в стабильности свойств материала пластмассового ведущего пояска при хранении не менее 15 лет, после чего требуемые характеристики качества пластмассовых ведущих поясков заметно не изменяются.

Это обеспечивается тем, что предложенные технологические режимы позволяют получить пояски с молекулярной массой M_w в диапазоне 50000-70000, что значительно выше необходимого уровня 30000-40000 (см. табл. 1 патента 2155929). Запас молекулярной массы компенсирует ее потерю при старении полимерного материала в процессе длительного хранения.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Предложенные отличия способа крепления полимерных ведущих поясков, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по боеприпасам.

Изготовление совокупности технологических операций предложенного способа возможно осуществлять на действующем производстве.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.

Изобретение относится к артиллерийским малокалиберным боеприпасам, а более конкретно к технологии формирования пластмассовых ведущих поясков методом литья под давлением в форму. Способ крепления пластмассового ведущего пояска из полиарилатной композиции, содержащей 1-2 мас. % фторопласта, осуществляют литьем под давлением на цилиндрическое изделие, помещенное в нагретую пресс-форму, при контролируемых параметрах впрыска. Впрыск мерной дозы полиарилатной композиции с температурой 315-340°C, имеющей показатель текучести расплава 0,2-0,9 г/10 мин, осуществляют при давлении 170-290 МПа в течение 2-4 с в нагретую до 130-155°C пресс-форму. Способ с оптимизированными технологическими режимами промышленной технологии гарантированно обеспечил прочность стыка потока материала с показателями назначения на уровне формируемого полимерного кольца, что необходимо для надежного крепления пластмассовых ведущих поясков при функционировании в канале ствола.

Способ крепления пластмассового ведущего пояска из полиарилатной композиции, содержащей 1-2 мас. % фторопласта, литьем под давлением на цилиндрическое изделие, помещенное в нагретую пресс-форму, при контролируемых параметрах впрыска, отличающийся тем, что впрыск мерной дозы полиарилатной композиции с температурой 315-340°C, имеющей показатель текучести расплава 0,2-0,9 г/10 мин, осуществляют при давлении 170-290 МПа в течение 2-4 с в нагретую до 130-155°C пресс-форму.