Краткая характеристика импульсных методов обработки металлов давлением
Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов давлением (ОМД) представляют собой процессы, сопровождающиеся тепловыми эффектами, силовыми воздействиями, появлением инерционных сил, ударных волн и дополнительных динамических напряжений. При этом происходит локализация зоны пластической деформации обрабатываемого материала и изменение его физико-механических свойств.
Одной из основных характеристик импульсных методов ОМД является скорость деформирования обрабатываемого материала. Если при традиционных методах ОМД скорость деформирования составляет 0,3-1,5 м/с, а на ударных машинах - не более 5 м/с, то при импульсных методах она составляет 100 м/с и более.
Применение высокоэнергетических импульсных методов обеспечивает возможность использования большого запаса энергии энергоносителя при сравнительно небольшом его объеме, снижение стоимости оснастки, сокращение сроков ее проектирования и изготовления, резкое сокращение капитальных вложений (особенно для штамповки крупногабаритных деталей).
При штамповке взрывом создаются условия для направленного воздействия на объект необходимой силы, повышения точности размеров обрабатываемых деталей, в том числе из труднодеформируемых металлов и представляется возможность работать как в цеховых, так и в полевых условиях, а также в естественных и искусственных водоемах.
Характеристика импульсных методов ОМД приведена в табл.1.
Таблица 1. Характеристика импульсных методов ОМД
| Метода ОМД | Способы выделения энергии | Передающая среда | Скорость волны давления, м/с | Время воздействия волны давления, мкс | Предельные размеры штампуемых деталей, м | Область применения |
| Штамповка взрывом с использованием бризантного взрыв. вещества | Детонация | Вода, воздух, песок | 1200-7500 | 10-20 | 6,0 | Листовая и объемная штамповка |
| Пороха | Химическое сгорание | Вода, воздух | 300-2400 | 200-400 | 1.5 | Вырубка и пробивка отверстий, прессование |
| Газовых смесей | химическое сгорание | газ | 300-2400 | 200-400 | 1,5 | порошков, упрочнение, калибровка и развальцовка |
Продолжение табл.1
| Электрогидравлическая штамповка | Испарение проволочки, ионизация среда | Вода, воздух | 1000-6000 | 30-100 | 2,5-1,25 | То же и очистка литья |
| Магнитно-импульсная обработка металлов | Создание магнитного поля | Воздух | 3000-6000 | 60-100 | 0,9 | Листовая штамповка, формовка цилиндрических заготовок, обжатие, раз дача, соединение деталей |
| Ударная штамповка | Быстрое открытие клапана ресивера | Вода, эластичный материал | 100-1000 | 60-100 | 0,9 | Листовая и объемная штамповка |
Штамповка взрывом
Штамповка взрывом может осуществляться в газообразных"жидких и твердых средах.
Известен способ штамповки деталей посредством взрыва в герметичной камере (рис.1). Взрывчатое вещество (ВВ) и сжатый воздух подаются в смесительную камеру, откуда образовавшаяся взрывчатая смесь поступает в камеру сгорания, дном которой служит резиновая диафрагма. Штампуемую заготовку помещают между диафрагмой и матрицей.
Рис. 1 Взрыв в герметичной камере
Более эффективен способ гидровзрывной листовой штамповки, при котором необходимое давление в рабочей жидкости обеспечивается в результате взрыва заряда взрывчатого вещества.
Для реализации данного способа контейнер 1 (рис.2) с зарядом 2 устанавливают на заготовке 4 и заполняют рабочей жидкостью 3. В качестве уплотнителя 5 может быть применен обычный резиновый шнур. Возможно применение матрицы 6 как цельной, так и комбинированной.
Обработка металлов взрывом может осуществляться либо с помощью указанных установок, либо с помощью машин, в которых энергия взрыва преобразуется в кинетическую энергию их подвижных частей.
Рис. 2 Гидровзрывная листовая штамповка
Процесс гидровзрывной штамповки состоит из следующих стадий: взрыв в воде; нагружение заготовки; скоростное ее деформирование; многократное ударное нагружение оснастки.
На рис.3 показана классификация ВВ, передающих сред, заготовок и матриц, применяемых при гидровзрывной штамповке, в основу которой положены четыре элемента, характерные для любого вида листовой штамповки.
Наиболее распространенными энергоносителями являются бризантные ВВ, которые выпускаются в виде порошка, прессованных брикетов (шашек), литых зарядов различной формы, эластичных листов, шнуров и т.д.
ВВ должны быть безопасными в обращении, водоустойчивыми, иметь стабильные взрывчатые свойства; высокие скорость взрывной реакции и удельную теплоту взрыва и невысокую стоимость.
Передающие среды должны обеспечивать легкую доступность и максимальную упрощенность подготовки к ведению процесса и возможность повторного использования. В качестве такой среды может использоваться вода.
Рис.3. Классификация схем взрывной штамповки
Поскольку плотность воды превышает плотность воздуха более чем в 700 раз, при взрыве под водой практически исключается возможность разброса осколков, что позволяет значительно повысить безопасность работы. Начальное давление ударной волны подводного взрыва в 100 раз превышает начальное давление ударной волны воздушного взрыва.
Сведения о взрывчатых веществах
Взрывчатыми являются такие вещества, которые способны при определенных условиях к очень быстрому самораспространяющемуся химическому превращению с выделением тепла и образованием газов.
Каждое взрывчатое вещество характеризуется показателями бризантности и фугасности. Вблизи от заряда наиболее существенно воздействует бризантность ВВ, а вдали - фугасность.
Давление, развиваемое при детонации и определяющее бризантность ВВ, зависит от плотности заряда и скорости детонации.
Фугасность, или работоспособность, ВВ определяется теплотой взрыва, а также объемом газообразных продуктов взрыва.
Кроме перечисленных свойств ВВ характеризуется химической и физической стойкостью (способностью сохранять свои свойства в процессе подготовки, транспортировки и хранения), а также чувствительностью к внешним воздействиям, определяемой минимальным количеством энергии, необходимой для возбуждения взрыва.
Взрывные процессы распространяются путем горения, детонации и взрыва. При этом горение протекает сравнительно медленно со скоростью, не превышающей нескольких метров в секунду, а детонация - с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе (в газовых смесях - до 3500 м/с, а в твердых и жидких ВВ - до 9000 м/с).
Детонацию бризантных ВВ вызывают, с помощью детонаторов, представляющих собой гильзу с запрессованным в нее небольшим зарядом инициирующего легкодетонирующего ВВ.
В табл.2 представлены основные сведения о промышленных ВВ, применяемых для обработки металлов взрывом)
Таблица 2
Характеристики взрывчатых веществ, применяемых для обработки металлов взрывом.
| Взрывчатое вещество | Расчет. характеристики | Экспериментальные характеристики | |||||
| теплота взрыва, кДж/кг | объем газов, 10-3 м3/кг | плотность 10 кг/м3 | работоспо-собность, 10-6 м3 | толщина критич. слоя 10-3м | скорость детонации 103 м/с | чувстви- тельность удару,% | |
| Аммониты AT | 3700-3800 | 920-9930 | 0,85 - 0,9 | 270-285 | 10-20 | 1,5 - 3,8 | 8-24 |
| Гексоплас ГП-87К | - | 1,45-1,5 | 400-410 | 3-4 | 7,0 - 7,6 | 36-54 | |
| Аммонит А-2 | 0,85-0,95 | 300-310 | 35-55 | 2,5 - 4,5 | - |
Из перечисленных ВВ наиболее часто применяются аммониты, которые представляют собой смесь аммиачной селитры с нитросоединениями (тротил, ТЭН, гексоген, тетрил и др.). В данном случае аммиачная селитра используется в качестве окислителя, а нитросоединения - в качестве горючего.
Подрыв заряда бризантного ВВ производится с помощью электродетонатора. Заряд подвешивается в воде на определенной дистанции взрыва. Вес заряда и дистанция зависят от размеров и толщины заготовки, от необходимой энергии деформирования. Высота столба жидкости под зарядом принимается по формуле:
H≥3,5C0θ; θ=10-4(GR)1/4,
где С0 – плотность воды, R – дистанция взрыва, м, G – вес заряда
Дистанция взрыва:
R=(G1/3)1,33(533/Pм)1,33,
где Рм – максимальное давление, создаваемое ударной волной
Рм=533(G1/3/R)1,33
При взрыве цилиндрического снаряда:
Рм=722(q1/2/R)0,72