СПОСОБ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ШТАМПОВКИ Российский патент 1995 года по МПК B21D26/08 

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием энергии ударной волны и разогретых продуктов взрыва, образуемых при детонации горючей газовой смеси. Изобретение предназначено для крупногабаритной оперативной штамповки как в полевых, так и в производственных условиях и может быть использовано в машиностроительной промышленности, приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и оболочек различного назначения.

При холодной штамповке в полевых условиях крупногабаритных изделий из тонколистового металла широко используются способы, основанные на воздействии на заготовку ударной волной и расширяющимися газами, образуемыми при взрыве конденсированных ВВ, электрического разряда в жидкости или детонации горючей газовой смеси [1] Предпочтение в последнее время все больше отдается газовзрывным способам, как экологически наиболее безвредным и высокотехнологичным.

Известен способ импульсной штамповки листовых материалов, состоящий в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образуемыми при детонации стехиометрической газовой смеси [2] Однако данный способ не обеспечивает глубокой штамповки тонкостенных изделий. При увеличении интенсивности воздействия на заготовку, с целью получения большей деформации, заготовка разрывается.

Наиболее близким аналогом является способ газовой детонационной штамповки, состоящий в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации находящейся под заданным начальным давлением горючей газовой смеси [3]
Однако, и данный способ не обеспечивает требуемой глубины вытяжки.

Цель изобретения увеличение глубины вытяжки заготовки.

Цель достигается тем, что в известном способе газовой детонационной штамповки, состоящем в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации находящейся под заданным начальным давлением горючей газовой смеси, ударной волной и разогретыми продуктами взрыва воздействуют на заготовку несколько раз через интервалы времени не менее одной минуты, начальное давление горючей газовой смеси устанавливают перед каждым воздействием и определяют его величину из условия обеспечения последующего нагрева заготовки продуктами взрыва до температуры рекристаллизационного отжига, используя для этого следующее соотношение:
P_o K где Р_о устанавливаемое начальное давление смеси,
Δt₃ разница между температурой рекристаллизационного отжига для материала заготовки и температурой заготовки до момента воздействия;
c₃ удельная теплоемкость материала заготовки;
m₃ масса заготовки;
q_с калорийность взрывчатой газовой смеси;
ρ_c- плотность взрывчатой газовой смеси;
V_к объем, занимаемый взрывчатой газовой смесью;
К 3,2±0,2 эмпирический коэффициент, отражающий отношение общего количества тепловой энергии, выделяемой при детонации смеси, к количеству тепловой энергии, идущей на нагрев заготовки.

В данном случае удалось осуществить ступенчатую пластическую деформацию заготовки в режиме периодического снятия нагартовки материала без какой-либо дополнительной термической или механической обработки.

На фиг.1, 2, 3, 4 и 5 показаны штамповки; на фиг.6 и 7 внешний вид отштампованного данным способом изделия.

Осуществляют штамповку следующим образом.

В матрицу 1 (фиг.1) помещают листовую заготовку 2 и сочленяют матрицу со взрывной камерой 3, снабженной подводящей газовой арматурой 4, выпускным газовым вентилем 5 и элементом 6 инициирования детонации газовой смеси, например, детонационной трубкой. Из полости матрицы 1 через вакуумный вентиль 7 откачивают воздух. Полость взрывной камеры 3 через газовую арматуру 4 заполняют взрывчатой газовой смесью.

В качестве горючего могут быть использованы водород, ацетилен, метан, пропан и др. в качестве окислителя кислород или атмосферный воздух. Состав и давление смеси устанавливают такими, чтобы количество тепла, выделяемого при взрыве, было достаточно для последующего нагрева заготовки продуктами взрыва до температуры рекристаллизационного отжига.

Калорийность (теплота взрыва, отнесенная к единице массы) для любого состава смеси однозначно зависит от соотношения ее компонентов и может быть определена по соответствующим справочникам или рассчитана по известным соотношениям [4] Температура рекристаллизационного отжига также является конкретной величиной для конкретного металла или сплава, связана с температурой плавления материала и определяется по справочникам термической обработки металлов [5]
Давление закачиваемой взрывчатой смеси определяют следующим образом.

По справочнику определяют, до какой температуры необходимо нагреть материал заготовки, чтобы она подверглась рекристаллизационному отжигу. Затем измеряют температуру заготовки, находят Δt₃, как разницу между температурой рекристаллизационного отжига и измеренной температурой, определяют массу заготовки m₃. По справочнику находят удельную теплоемкость материала заготовки c₃. По справочнику определяют калорийность выбранной смеси q_c, выраженную в ккал/кг, и ее плотность ρ_c при атмосферном давлении. Вычисляют объем взрывной камеры V_к, т.е. объем, который будет занимать взрывчатая газовая смесь.

По формуле находят требуемое давление, выражая его в атмосферах.

Задействуют элемент 6 инициирования детонации газовой смеси (фиг.2). Смесь претерпевает взрывчатое превращение. Под действием ударной волны и расширяющихся раскаленных продуктов детонации смеси заготовка 2 частично вдавливается в матрицу 1. Материал заготовки за счет холодной пластической деформации переходит в упрочненное, нагартованное состояние. Далее, раскаленные продукты детонации, находясь в постоянном контакте с заготовкой, отдают ей значительную часть своего тепла и прогревают до температуры рекристаллизационного отжига. Происходит возвратное изменение кристаллической решетки материала заготовки и восстановление его пластичности. Процесс восстановления протекает за несколько десятков секунд.

Полость взрывной камеры 3 не менее, чем через минуту после подрыва смеси через газовую арматуру 4 и выпускной вентиль 5 продувают сжатым воздухом без разборки пресс-формы (фиг.3).

Полость камеры 3 вновь заполняют взрывчатой газовой смесью (фиг.4). Состав и давление смеси опять же подбирают такими, чтобы теплота ее взрыва обеспечила нагрев заготовки до температуры рекристаллизационного отжига после повторной вытяжки.

Задействуют элемент 6 инициирования детонации (фиг.5). Смесь взрывается. Заготовка под действием ударной волны и продуктов взрыва претерпевает дальнейшую деформацию без разрыва.

В зависимости от конкретных материала и толщины заготовки и конкретной геометрии получаемого изделия процесс штамповки может содержать различное число повторений описанной процедуры.

Чередование моментов ударноволнового нагружения, обеспечивающих требуемую деформацию заготовки, с воздействиями разогретыми до высокой температуры газообразными продуктами взрыва, сопровождающимися нагревом заготовки до температуры в сотни градусов Цельсия, позволяет проводить вытяжку материала в условиях периодического восстановления его пластических свойств за счет рекристаллизационного отжига и обеспечивает тем самым более глубокую штамповку заготовки без разрыва. Отсутствие необходимости использования каких-либо дополнительных материалов и способов воздействия, а также отсутствие потребности в разборке пресс-формы до завершения всего процесса штамповки повышает технологичность данного способа.

Способ может быть автоматизирован.

Проводилась экспериментальная отработка технологии газовзрывной штамповки в полигонных условиях на открытом воздухе. Коэффициент К 3,2±0,2. входящий в полуэмпирическое соотношение для давления газовой смеси Р_о, определен путем обработки экспериментальных данных по штамповке листовых заготовок из алюминиевых сплавов Д16, АМГ-3, АМГ-50 нержавеющей стали 08Х18Н10Т, 08Х18Т1, 12Х18Н10Т, стали 08КП. Толщина листа составляла 0,5-6 мм, диаметр рабочего углубления матрицы составлял 90-1800 мм. Габариты взрывной камеры изменялись в пределах: глубина 30-1000 мм; объем 1,9˙10^-5 2,5 м³.

Коэффициент К отражает реальное отношение общего количества тепловой энергии, выделяемой при детонации смеси, к количеству тепловой энергии, идущей на нагрев заготовки. Использовались водородо-кислородная, водородо-воздушная, пропано-кислородная и пропано-воздушная взрывчатые смеси.

Изобретение работоспособно только при К 3,0-3,4. При меньших значениях не будет происходить нагрева заготовки до требуемой температуры рекристаллизационного отжига. При больших значениях требуемый нагрев, естественно, будет реализовываться, но для получения этого большего К потребуется либо большое начальное давление взрывчатой газовой смеси (большая масса), либо использование более калорийного состава, что приведет к резкому увеличению давления в ударной волне при взрыве смеси и разрыву заготовки.

Опытным путем также установлено, что рекристаллизационный отжиг тонколистовых заготовок, пластически деформированных в режиме ударно-волнового нагружения, протекает за 20-60 с. Поэтому необходимым и достаточным условием работоспособности способа, наряду с нагревом заготовки, является выдержка интервалов времени между моментами воздействия ударной волной длительностью не менее 1 мин. При паузах меньшей длительности восстановления пластических свойств материала заготовки может не наступить.

П р и м е р. Из листа алюминиевого сплава АМГ-3 толщиной 2,6 мм вырезают круговую заготовку диаметром 1890 мм. (Далее все операции проводили на открытом воздухе при температуре (-10^о)С).

Берут стальную матрицу с рабочей выемкой параболической формы диаметром 1800 мм и глубиной 300 мм, снабженную вентилем откачки воздуха в донной части и герметизирующей кольцевой прокладкой на фланце.

Берут стальную взрывную камеру с цилиндрической внутренней полостью диаметром 1800 мм и глубиной 600 мм, толщина стенки 50 мм. Камера имеет три газовых вентиля ВК-86, газовый манометр МВОШ-1-160 и элемент инициирования детонации с высоковольтной свечой зажигания А20Д-1 в донной части. Фланец снабжен резиновой кольцевой герметизирующей прокладкой.

С помощью 12 болтов М75 камеру притягивают к матрице. Заготовку при этом жестко защемляют по всему периметру, а между камерой и заготовкой и между матрицей и заготовкой обеспечивают надежное герметичное уплотнение.

С помощью форвакуумного насоса 2ВНР5Д из матрицы откачивают воздух до остаточного давления 1-10 мм рт.ст.

Устанавливают необходимые состав и давление взрывчатой газовой смеси, для чего по справочнику определяют температуру рекристаллизационного отжига для АМГ-3 равную 360^оС, находят Δt₃ 380^оС; определяют массу заготовки m₃ 18 кг. По справочнику находят удельную теплоемкость материала заготовки
c₃=0,21
По справочнику выбирают в качестве взрывчатой смеси стехиометрическую смесь водорода с кислородом 2Н₂ + О₂ гремучий газ, как экологически наиболее безвредный, достаточно калорийный и обеспечивающий умеренные давления в ударной волне. По справочнику находят калорийность гремучего газа q_с 3230 ккал/кг, определяют плотность смеси ρ_c= 0,55 кг/м³ (при атмосферном давлении); вычисляют объем взрывной камеры V_к 1,52 м³.

По формуле находят требуемое давление гремучего газа, выражая его в атмосферах, Р_о= (1,7±0,1) атм.

Заполняют взрывную камеру стехиометрической газовой смесью, состоящей из двух частей водорода и одной части кислорода, при избыточном давлении 1,7 атм. Подают на свечу зажигания импульс напряжения 6 кв.

Происходит детонация газовой смеси во взрывной камере. В детонационной волне развивается температура около 3200^оС.

Ударная волна выходит на заготовку и деформирует ее. Прогиб заготовки составляет 220 мм. Происходит нагрев заготовки до ≈360^оС. Выдерживают паузу в течение 1 мин. Продувают камеру сжатым воздухом.

Вновь заполняют камеру стехиометрической водородо-кислородной смесью состава: два к одному до избыточного давления 1,7 атм. Подрывают смесь, подав на свечу зажигания импульс напряжения 6 кв.

Заготовка прогибается на глубину 300 мм и садится в матрицу.

Отсоединяют взрывную камеру от матрицы и извлекают отштампованную заготовку.

Внешний вид полученного таким способом параболического отражателя диаметром 1890 мм показан на фиг.6.

Штамповку изделия в данном примере осуществляют в два приема. Попытка осуществить штамповку в один прием путем увеличения массы, закачиваемой в камеру взрывчатой газовой смеси, приводит к разрыву заготовки.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения данный способ позволяет проводить холодную листовую штамповку материалов, характеризующихся повышенными нагартовкой и охрупчиванием при пластической деформации, а также находящихся при относительно низких атмосферных температурах. Последнее обстоятельство обеспечивает возможность проведения штамповки в полевых условиях при низкой температуре окружающего воздуха, в том числе и в зимнее время, когда температура заготовки и пресс-формы может опускаться до (-20)- (-25)^оС. Это дает возможность быстрой организации штамповочного производства на открытом воздухе практически в любых климатических условиях в любое время года.

Использование: в машиностроении, приборостроении и строительстве при изготовлении металлических корпусов и оболочек различного назначения. Сущность изобретения: ударной волной и разогретыми продуктами взрыва горючей газовой смеси воздействуют на заготовку последовательно несколько раз через интервалы времени не менее 1 мин. Перед каждым воздействием устанавливают начальное давление газовой смеси, исходя из условия обеспечения последующего нагрева заготовки продуктами взрыва до температуры рекристаллизационного отжига. Величину начального давления смеси определяют из приведенного соотношения. 7 ил.

СПОСОБ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ШТАМПОВКИ, состоящий в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации находящейся под заданным начальным давлением горючей газовой смеси, отличающийся тем, что ударной волной и разогретыми продуктами взрыва воздействуют на заготовку несколько раз через интервалы времени не менее одной минуты, начальное давление горючей газовой смеси устанавливают перед каждым воздействием и определяют его величину из условия обеспечения последующего нагрева заготовки продуктами взрыва до температуры рекристаллизационного отжига, используя для этого следующее соотношение:

где P_o устанавливаемое начальное давление смеси, атм;
Δt₃ разница между температурой рекристаллизационного отжига для материала заготовки и температурой заготовки до момента воздействия;
C₃ удельная теплоемкость материала заготовки;
m₃ масса заготовки;
q_c калорийность взрывчатой газовой смеси;
ρ_c плотность взрывчатой газовой смеси;
U_к объем, занимаемый взрывчатой газовой смесью;
K 3,2 ± 0,2 эмпирический коэффициент, отражающий отношение общего количества тепловой энергии, выделяемой при детонации смеси, к количеству тепловой энергии, идущей на нагрев заготовки.