Обычно при рассказах об аддитивных технологиях всегда рассказывают о их преимуществах и достоинствах, по сравнению с обычными. Этот рассказ будет немного иным.
В аэрокосмической технике широко используются шар-баллоны. Назначение у них разное, и соответственно, требования к ним разные. В данной статье пойдет речь о шар-баллонах для хранения сжатого до 400 атмосфер гелия внутри бака с жидким кислородом. Гелий из шар-баллона раскручивает турбонасосный топливный агрегат двигателя ракеты-носителя.
Примечание: такое использование шар-балонов характерно для ракет-носителей «Ангара» и «Протон-М» и разгонного блока «Бриз». В космических кораблях «Союз» и «Прогресс» шар-баллоны тоже используются, но назначение у них другое и условия эксплуатации менее жесткие.
Большое давление и низкая температура, жесткие требования к весу – определяют материал шар-баллона – титановый сплав ВТ6.
В нашей стране практически все шар-баллоны для космических аппаратов, вне зависимости от назначения, изготавливаются из этого сплава.
Традиционно шар-баллоны делают из двух тонких (около 5 мм толщиной) полусфер сваркой. Заготовки из титана получают методом объемной штамповки. Титан очень трудно деформируется, склонен к образованию трещин и гофр, его штамповка имеет много неприятных особенностей. Поэтому заготовка получается толстостенной – 25 мм, которую потом обрабатывают в размер. И около 80% металла уходит в стружку в прямом смысле этого слова. И это не только затраты на материал – это станочные машино-часы. Длительность механической обработки одной заготовки исчислялось, если верить Рубцову – неделями, цикл производства шар-балона – 2 месяца.
Так делали шар-баллоны в СССР и в США. В СССР производство шар-баллонов было сосредоточено в г.Днеропетровск, Украинская ССР. После распада союза до 2014 года продолжались поставки из Украины. Потом начались работы по «импортозамещению», или, правильнее сказать – по возрождению советских технологий в Россию.
Документация была, технология - известна, как и технология и АО «РКЦ «Прогресс»» без особого труда и без особой помпы запустил производство шар-баллонов по традиционной советской технологии – из толстостенных заготовок, полученный объемной штамповкой. С всеми прелестями технологии – большим объемом станочной работы
В это время уже было известно, что в США заготовки для шар-баллонов «печатают» на 3D-принтерах по технологии EBAM. Возможно именно эта информация и послужила толчком для бурного развития технологии Электронно-лучевого наплавления проволоки (ЭЛПП, ЭЛАТ, ЭЛАП) в нашей стране.
Первый серийные принтер ТЕТА выпустила в 2017 году, но его области построения было недостаточно для производства шар-баллонов, да и мощность электронной пушки (6 кВт) не позволяла проводить выращивание заготовок с нужной скоростью. Разработка линейки принтеров заняло время…
И РКЦ «Прогресс» при первой возможности приобрел 3D-принтер ТЕТА 30Е1500. С областью построения до 1,5х1,2х1,4м и вакуумной камерой размером 2,5х2,5х2,5м и электронной пушкой мощностью 30 кВт, имеет пятиосевой портал (перемещение пушки по координатам X, Y и Z, поворотная платформа построения по двум осям), и два независимых податчика проволоки для наплавки.
Сейчас в линейке серийных принтеров на сайте ТЕТА эта установка отсутствует, вероятно, был спецзаказ специально для РКЦ «Прогресс».
Опыты проводились совместно с НПК ТЕТА и закончились успехом в 2021 году. Специалисты ПНК «ТЭТА» разработали режимы наплавки, обеспечивающие необходимое качество изготовления. Благодаря наличию поворотной по двум осям платформы в процессе выращивания полусферы ванна расплава всегда оставалась постоянной, на одном месте.
В процессе работ была отработана технология изготовления шар-баллона емкостью 58 литров.
Примерно в тоже время ИФПМ СО РАН на заводе «Сеспель» (Чебоксары) проводились аналогичные опыты, только там размер шар-баллона был 5 литров, о чем было сказано заведующим лабораторией контроля качества материалов и конструкций Валерием Рубцовым:
«Наша технология позволяет изготовить заготовку, например, для шар-баллона объёмом 5 литров в течении 4 часов. Получается, что мы можем изготовить 2 заготовки полусферы для шар-баллона 5 литров в течении 2 рабочих смен. Затем производится сварка. Фактически заготовка готова. То есть полностью изготовить шар-баллон можно в течении нескольких дней, вместо нескольких месяцев».
Я здесь вижу лукавство – срок изготовления 2 месяца относится к 130 литровым шар-баллонам, а опыты производились по 3D-печати заготовок для 5-ти литровых.
Немного подведем итоги – при традиционной технологии нам надо снять 20мм металла с заготовки – 80%, при использовании напечатанных заготовок шар-баллонов – только 2,5…3 мм, максимум 5.
Что, можно праздновать победу аддитивной технологии над традиционной? Не спешите, самая главная интрига впереди.
Кроме вышеуказанных предприятий шар-баллонны планировали изготавливать и на ОАО «Красмаш» и Воронежском механическом заводе (ВМЗ). В отличии от РКЦ «Прогресс» советских чертежей и разработок им никто не передавал, и им пришлось заняться разработкой чертежей и технологий «с нуля». А знаний о том, как обрабатывать давлением сплав ВТ6, с момента разработки «советской» технологии прибавилось.
Ситуация несколько упрощалась еще тем, что ОАО «Красмаш» должен был выпускать шар-баллоны для «Союза» и «Прогресса», где условиях эксплуатации менее жесткие, а значит и возможности для экспериментов больше. И ОАО «Красмаш» начал эксперименты с листовой штамповкой – вытяжкой заготовки полусферы из листа ВТ6. Со всеми прелестями штамповки труднодеформируемых титановых сплавов – необходимостью сложной термообработки, вытяжки в несколько переходов и т.п.
Усилия увенчались успехом – шар-баллоны из вытянутых из листа заготовок выпускаются с конца 2017 года.
Но чудес не бывает – вытяжка из листа приводит к утонению толщины в вершине полусферы (в «донной части» вытяжки). У красноярцев утонение составило 20% от первоначальной толщины заготовки и в «стуржку» у них уходит примерно 50% металла – лучше, чем при объемной штамповке, но хуже, чем при 3D-печати заготовки.
Аналогичная ситуация сложилась и на Воронежском механическом заводе (ВМЗ), который должен был выпускать шар-баллоны для «Ангары» и «Протона-М». Отсутствие документации, сложности с разработкой технологии и т.п. Титан – сложный метал для пластической деформации.
Когда стало понятно, что сами специалисты завода не способны разработать технологию – они обратились в АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г.Воронеж).
В результате АО КБХ разработало «инновационный способ формирования полусфер», который включает:
- использование конусного прижима
- вытяжка производится холодным пуансоном (температурой цеха, без специального охлаждения) в горячей матрице (нагрев до 220 градусов По Цельсию) (смысл холодного пуансона и горячей матрицы – неравномерное охлаждение заготовки, что уменьшает утонение в районе дна)
- использование высокотемпературной смазки
- вытяжка в четыре перехода с разупрочняющим отжигом между преходами.
Пояснения технологии - на рисунках:
В целом «инновационный способ формирования» выглядит следующим образом:
Предварительные операции:
- вырубка заготовки из титанового листа
Формирование заготовки:
- листовая заготовка из титанового слава ВТ6 нагревается до 850 градусов по Цельсию. Время перемещения заготовки из печи до прессового оборудования не должно превышать 5 (пяти!) секунд.
- на прессовом оборудовании происходит вытяжка плоской заготовки в коническую чашку
- после вытяжки коническая чашка подвергается разупрочняющему отжигу
- коническая чашка холодным пуансоном вытягивается на глубину примерно 80%
- разупрочняющий отжиг
- вытяжка на глубину примерно 90%
- разупрочняющий отжиг
- вытяжка на полную глубину
Окончательная обработка
- отрезание «обки»
- обточка в размер на станках с ЧПУ 16К40Ф3 и LD55
В результате припуск для снятия металл сокращается до 1,2..2,1 мм на сторону, что сопоставимо с выращенной на 3D-принтере заготовкой (там – 1.2…1,5 мм на сторону).
Стоимость заготовок, с учетом необходимости использования дорогих печей, 4-х циклов нагрева, пуансонов, матриц кузнечно-прессового оборудования достаточно велика. Но и выращивание заготовок на 3D-принтере – удовольствие не из дешевых.
Правда, следует заметить, что 3D-принтеры можно использовать не только для выращивания заготовок, но и для сваривания двух полусфер в единый шар-баллон. Кроме того, на принтере можно напечатать заготовки с бонками на дне и штуцерами сверху, в случае штампованных заготовок штуцера и бонки изготавливаются отдельно и привариваются.
Потом две полусферы свариваются на установках электронно-лучевой сварки, к ним привариваются штуцера, проводятся криогенные испытания.
Кстати, КБ Химавтоматики разработало не только технологию, но и криогенную камеру для испытаний. Испытания проводятся в среде жидкого азота (вместо кислорода), с закачкой в шар-баллон сжатого азота, вместо гелия.
Но КБ Химавтоматика на этом не остановилось, и предложила дополнительно механически обрабатывать заготовку – стачивать металл по краям заготовки. В результате припуск на мехобработку сокращается до 0,5…0,7мм на сторону.
Справедливости ради надо отметить, что такое же решение использовать конусную заготовки для штамповки заготовки в условиях сверхпластичности было предложено научными работниками из УГАТУ. Но поскольку ОДК-УМПО не получило заказ на изготовление шар-баллонов эта работа так и осталось чисто теоретической разработкой, проведенными методами численного моделирования, без практической проверки.
Подводя итоги, можно сказать, что битва технологий аддитивное производство VS обработка давление в случае шар-баллонов закончилась с неясным результатом.
Выращивание заготовок на 3D-принтере – процесс дорогостоящий, и не быстрый. Но печи, кузнечно-прессовое оборудование, необходимость многократного отжига и быстрого перемещения заготовок от печи к прессу – тоже затратный процесс, как в плане энергии на нагрев, так и в плане стоимости оборудования.
PS. Об КБВД, испытаниях шар-баллонов и работах Тульского Государственного Университета - в постскриптуме к статье.
Постскриптум к статье по результатам комментариев читателей статьи:
Вводная статья по технологию Электронно-лучевое наплавление проволоки
Статья про отечественные принтеры по технологии ЭЛАТ
Путеводитель по каналу
