figure

Explosion stamping

Существует несколько импульсных методов штамповки, среди которых упомянем о штамповке взрывом, штамповке электрическим разрядом в жидкости (электрогидроимпульсной штамповке) и штамповке с помощью силового воздействия импульсного магнитного поля.

Благодаря применению импульсных способов штамповки удается добиться выполнения разделительных, формоизменяющих и сборочных операций листовой штамповки. Импульсная штамповка эффективна в сфере мелкосерийного производства. Так как она проводится с использованием частично универсальной оснастки, штамповка ведется с применением жесткой матрицы (без пуансона).

При методике импульсной штамповки воздействие на заготовку внешних сил весьма краткосрочно, происходит в доли миллисекунды, что обуславливает достаточно высокую мощность импульса. Благодаря импульсному характеру приложения внешней силы по завершении воздействия импульса можно наблюдать за пластическим формоизменением заготовки. Это можно объяснить воздействием инерционных сил, которые возникают при протекании импульса.

Благодаря высокоскоростному, импульсному характеру приложения нагрузок к обрабатываемым заготовкам, удается добиться существенного улучшения условий деформирования:

  • повышения температуры очага деформации,
  • возникновения полезных сил инерции,
  • уменьшения сил трения,
  • локализации очага деформации.

Эти достоинства приводят к снижению усилия деформирования и улучшению качества штампуемых изделий. Среди преимуществ импульсных штамповок отметим малую металлоемкость используемых установок в сравнении с металлоемкостью стандартных прессовых станков.

Благодаря современному уровню развития химического и энергетического машиностроения и интенсивному развитию ракетной техники повышается значение проведения работ с труднодеформируемыми высокопрочными и жаропрочными металлами и сплавами. Кроме того, постоянно увеличиваются размеры новых проектируемых деталей, используемых в ракетах и машинах. Потому так повышается важность обработки металлов с помощью импульсных процессов, среди которых и методика штамповки взрывом.

Идея данного способа штамповки в СССР появилась в 1949 году и принадлежала Р.В.Пихтовникову, работавшему в Харьковском авиационном институте.  Суть штамповки взрывом состоит в воздействии на заготовку энергии взрывной волны, передаваемой через жидкость или воздух. Воздействие на заготовку приводит к пластической деформации и приобретении формы полости матрицы, на которой была установлена заготовка. Помимо этого, с помощью энергии взрыва функционируют специальные машины-орудия, в которых происходит преобразование энергии взрыва с образованием кинетической энергии подвижных частей и, соответственно, кинетической энергии инструмента-штампа.

Происходит распределение энергии заряда ВВ,  взрывающегося в воде, между газовым пузырем, который образуется при взрыве, и ударной волной. После достижения ударной волной заготовки и начала ее пластической деформации энергия передается лишь частично. Энергия частично отражается от поверхности изделия, после чего начинается движение ударной волны в обратном направлении.

В связи с тем, что ударная волна изменяет направление движения, возникает область кавитации, с возникновением в ней большого количества пузырьков воздуха и пустот. У объема, находящегося в состоянии кавитации, имеется определенная энергия, частично передающаяся заготовке, которая проходит дальнейшее пластическое формоизменение. Одновременно происходит расширение газового пузыря, на который воздействуют газообразные продукты взрыва, что приводит к:

  • перемещению жидкости,
  • созданию радиально направленного потока, также способствующего формоизменению заготовки.

Взрывчатые вещества для штамповки взрывом

Штамповка энергии взрыва осуществляется с использованием медленно действующих (метательных) и быстродействующих (бризантных) взрывчатых веществ.

Среди медленно действующих ВВ упомянем о различного рода порохах, смесях горючих газов и сжиженных газах. Быстродействующие ВВ представлены тротилом, аммиачной селитрой, их смесями (аммонитом) и др.

Крупногабаритные детали из листового металла нередко изготавливают с помощью тротила, относящегося к стандартным ВВ. Для выполнения расчетов взрыва бризантных и метательных ВВ пользуются расчетами, соответствующими тротиловым зарядам. Для взрывов бризантных и метательных ВВ пользуются инициирующими ВВ (детонаторами), относящимися к весьма сильнодействующим ВВ (речь идет о гремучей ртути, азите свинца и др.). Для подрыва детонаторов применяется электрический ток или механическое воздействие с помощью удара по капсуле. Из ВВ (например, тротила) получают заряды с помощью отливки, прессования или пластифицирования. Формы зарядов соответствуют формам штампуемых деталей и подбираются экспериментально в виде сферы, цилиндра, конуса, плоской сплошной пластины, перфорированной пластины и др.

История применения энергии ВВ

Впервые энергия взрывчатых веществ при изготовлении деталей была использована от 80 до 90 лет назад. История промышленного использования импульсных методов для обработки изделий, включая гидровзрывную штамповку, началась в пятидесятых годах прошлого века. Именно тогда появилась обширная номенклатура крупногабаритных изделий, которую необходимо было изготавливать из листовых материалов ограниченными партиями. Изготовление подобных изделий невозможно было без мощных прессов и сложной дорогостоящей оснастки.

Благодаря использованию  ВВ можно было ограничиться простейшим оборудованием и простой оснасткой, для передачи заготовке практически любой необходимой для формообразования деталей энергии. Таким образом, удавалось получать определенный класс изделий, добившись при этом:

  • обеспечения значительного снижения капитальных затрат,
  • уменьшения себестоимости деталей,
  • снижения сроков для подготовки производства,
  • создания условий для ускоренной переналадки.

Именно поэтому некоторые отрасли машиностроения заинтересованы в использовании гидровзрывной штамповки.

На многих предприятиях Советского Союза были организованы участки, выполняющие гидровзрывную штамповку. Взрывные процессы для обработки металлов исследовались многими научно-исследовательскими институтами и вузами СССР.

Было опубликовано немало работ с обобщением опыта по процессам взрывной штамповки в разных отраслях промышленности. Ученые занимались рассмотрением различных технологических схем штамповки, освещением вопросов, связанных с конструированием оснастки и методиками выбора параметров, оптимальных для процессов штамповки. Наличие исследований и использование опыта, на котором основаны эти публикации, обладало большой ролью для совершенствования и внедрения технологии взрывной штамповки.

Благодаря достижению положительных результатов, а также усилиям, предпринятым большими коллективами инженеров и ученых в различных странах, связанным с изучением и расширением применения в сфере производства гидровзрывной штамповки, стало возможным развитие этой прогрессивной технологии обработки деталей.

Трудности по изучению гидровзрывной штамповки

Возникновение трудностей, связанных с изучением гидровзрывной штамповки, обусловлено наличием в этом процессе разнообразных физических явлений: взрыва в воде, нагружения заготовки, скоростного деформирования ее, многократного ударного нагружения оснастки и т. д. Сложность также была связана с разнообразными возможными схемами штамповки и сложной геометрией, присущей зарядам, заготовкам, матрицам и бассейнам. Отметим также отсутствие удовлетворительных для практического применения методик для работы над основными технологическими параметрами процесса.

Использование литературы, связанной со взрывами в воде, несмотря на наличие широкого круга проблем, рассматриваемых в ней, не может быть полноценным для разработки теории гидровзрывной штамповки. Это касается изложения вопросов, связанных с распространением ударных волн и нагружением с их помощью податливых преград, которые располагаются на большом расстоянии от заряда ВВ, в ряде монографий. В них не рассматриваются вопросы, обладающие первостепенной важностью для штамповки. Помимо этого, имеются существенные отличия между условиями развития и воздействия взрыва на податливые преграды (заготовки) в технологии гидровзрывной штамповки и в данных монографиях.

Если напрямую перенести результаты, полученные в данных исследованиях, в практику гидровзрывной штамповки, это может быть чревато серьезными ошибками. Исследователи методики гидровзрывной штамповки в течение длительного времени игнорировали важный для подводного взрыва энергоноситель-гидропоток, который не учитывается, если преграда находится на большом расстоянии от заряда. Вес заряда рассчитывали без учета диссипативных потерь на фронте мощных ударных волн.

При рассмотрении процессов нагружения преграды нередко руководствовались предположением о сплошности среды. Но процессы штамповки взрывом практически всегда сопровождаются кавитацией. Развитие способов учета явлений, связанных с кавитацией, идет слабо. Рекомендации, связанные с потерей сплошности среды, в отношении использования методик анализа взаимодействия между жидкостью и заготовками, в основе которых лежит понятие присоединенной массы, являются малоубедительными.

Исследование связей между штамповкой взрывом и процессами скоростного деформирования преград, рассмотренных в работах X. А. Рахматулина, обладает большим значением. Именно эти работы легли в основу развития представлений о волновом характере деформирования оболочек. Тем не менее, наличие больших деформаций, большой подтяжки фланца и других специфических явлений, сопутствующих штамповке взрывом, требует определения специальных приемов, предназначенных для оценки характеристик деформирования.

Сегодня можно утверждать о достижении определенных успехов в исследовании условий, специфических для штамповки взрывом, приводящих к деформированию заготовок. Проведено множество попыток по созданию методики для расчета технологических параметров, в первую очередь, веса заряда.

В основе большинства методик лежит так называемая импульсная схема нагружения заготовок. Для выведения уравнения и определения веса заряда используется предположение о том, что импульсы внутренних и внешних сил равны между собой. При этом зачастую признается мгновенная передача импульса к заготовке от среды. Логично предположить, что из-за этих допущений нарушается закон сохранения энергии, в связи с чем неправильно определяется вес заряда.

Расчет соотношений для определения веса заряда в соответствии с этими методиками производится с использованием различного рода поправочных коэффициентов. Однако исправление неточности, допущенной из-за неверных представлений в отношении процесса передачи энергии, становится невозможным. Сложность дела обусловлена также определением используемой в качестве контрольных и основных показателей величины энергии по очень упрощенным соотношениям.

В связи с этими причинами, а также в связи с тем, что при проведении расчетов не учитывались некоторые указанные выше факторы (гидропоток, диссипативные потери, некоторые граничные условия), использование упомянутых методик отличается большими расхождениями с опытными весами зарядов ВВ. Отметим неявную связь параметров операций штамповки (прогиба, коэффициента вытяжки) с положением и весом заряда в данных методиках. Поэтому настолько затруднено применение данных методик для отработки технологических процессов.

Для определения веса заряда преимущественно пользуются различными упрощенными зависимостями, полученными по результатам многих экспериментов. Однако, в них не отражается физика процесса, и они отличаются очень узкой сферой применения.

Отметим при этом, что проведение экспериментальных исследований и использование практического опыта предприятий служит для выработки рекомендаций для разработки параметров гидровзрывной штамповки. Результаты теоретических исследований показали близость этих параметров к оптимальным. Речь идет о следующих параметрах: высоте подвески заряда над заготовкой, высоте столба жидкости над зарядом, радиусах галтелей перетяжного ребра матрицы и др.

Разработка теории гидровзрывной штамповки

Из-за затруднений, возникающих в связи с не разработанностью общей теории, многие исследователи были вынуждены заняться более глубоким рассмотрением физики процессов, связанных с гидровзрывной штамповкой. В последнее время появилось немало работ, в которых изучаются отдельные аспекты процесса. Как правило, не приводятся количественные зависимости, позволяющие оценить воздействие различных факторов. Тем не менее, на основании них можно осуществить всестороннее рассмотрение физических особенностей процесса гидровзрывной штамповки для создания на их основе количественных зависимостей.

Обратим внимание на другие важные вопросы, связанные с отработкой процессов гидровзрывной штамповки, нуждающиеся в рассмотрении. Отметим важность выработки рекомендаций для:

  • оценки деформационной способности материалов при процессах, связанных со взрывным нагружением,
  • создания методик для определения степени точности уровня энергии формобразования, достаточного для практики;
  • разработки экспериментальных методов, способствующих доступному определению параметров штамповки (например, в основе которых лежит теория моделирования).

Настоящее исследование выполнено для решения нескольких основных задач, связанных с рассмотрением физических особенностей развития взрыва, формообразования и нагружения заготовки в процессе гидровзрывной штамповки. Для этого автор рассматривает важнейшую операцию – гидровзрывную вытяжку осесимметричных деталей. В соответствии с проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями можно рекомендовать методики, которые помогают определиться с основными технологическими параметрами данного процесса.

Особенности развития взрыва

Процесс листовой штамповки, проводящейся при помощи взрывчатых веществ, состоит из следующих этапов:

  1. Установки заготовки на матрицу при помощи фиксаторов.
  2. Создания необходимого усилия прижима с помощью прижимного кольца и силовых элементов.
  3. Помещения заряда взрывчатого вещества с электродетонатором над заготовкой.

Передаточная среда находится между заготовкой и зарядом. Во время взрыва заряда ВВ частично высвобождающаяся энергия поступает в окружающую среду. Ударные волны после взрыва передают часть своей энергии заготовке. Полученная заготовкой энергия предназначена для деформирования заготовки, а также для преодоления вредных сопротивлений (трения, удара заготовки о зеркало матрицы).

Данный способ отличается основными особенностями, связанными с новым видом применяющегося энергоносителя и спецификой деформирования заготовки после передачи энергии.

Классификация взрывчатых веществ, передаточных сред, заготовок и типов матриц, применяемых при взрывчатой штамповке, возможна на основе четырех основных элементов, характеризующих любой вид листовой штамповки:

  • энергоносителя – заряда ВВ,
  • передающей среды,
  • деформируемого элемента — заготовки,
  • инструмента-матрицы.

В качестве энергоносителя пользуются бризантными ВВ и порохами, отвечающими технике безопасности при работе с условиях производства. На практике зачастую пользуются двумя видами зарядов: плоским и сосредоточенным, другими формами зарядов пользуются гораздо реже.

Изменение формы зарядов мало связано с окончательным профилем полученных деталей, а лишь влияет на процесс деформирования заготовок, что удобно для управления данным процессом, хотя и в некоторых пределах.

В сфере промышленного производства шире пользуются сосредоточенными зарядами пластита, аммонита и тротила, которые являются более дешевыми и безопасными.

Если заряд смещается на величину, аналогичную его размерам, это не оказывает существенного влияния на процесс формирования заготовок и формы детали. Результаты штамповки значительно зависят от высоты расположения над заготовкой заряда. При увеличении высоты размещения заряда происходит увеличение веса ВВ, который позволяет получить готовую деталь, что приводит к усложнению конструкции.