СПОСОБ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ШТАМПОВКИ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК B21D26/06 

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием энергии ударной волны, образуемой при детонации горючей газовой смеси, и предназначено преимущественно для штамповки изделий бытового назначения из листовой нержавеющей стали. Изобретение может быть использовано также в машиностроительной промышленности, приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и оболочек различного назначения.

В качестве материала для изделий бытового назначения типа раковин, моек и т. п. в последнее время используется листовая нержавеющая сталь марок 08Х18Т1, 12Х18Н10Т и др. толщиной 0,5-1,2 мм. За счет большого содержания хрома стали таких марок обеспечивают изделиям повышенную коррозионную стойкость и придают им качественный товарный вид без дополнительного декоративного покрытия.

Традиционная прессовая штамповка заготовок путем выдавливания жестким металлическим пуансоном приводит при обработке тонколистовой нержавеющей стали к относительно большому проценту брака из-за образования гофр, задиров и частых случаев разрыва материала. Прессовая штамповка к тому же достаточно трудоемка и сопряжена с использованием громоздкого оборудования и сравнительно сложной и дорогостоящей оснастки.

Для штамповки тонкостенных изделий из нержавеющей стали предпочтителен беспрессовый метод вытяжки, основанный на воздействии на заготовку ударной волны и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при детонации горючей газовой смеси. В качестве горючего компонента смеси могут служить метан, пропан, ацетилен, водород и др. в качестве окислителя кислород или атмосферный воздух. Экологически наиболее безвредной является стехиометрическая смесь водорода с кислородом (гремучий газ). При детонации такой смеси образуются лишь разогретые до высокой температуры пары воды, а создаваемого в ударной волне давления достаточно для глубокой вытяжки тонколистовых металлических заготовок, в том числе и из нержавеющей стали.

В настоящее время известны различные способы газовой детонационной штамповки листовой нержавеющей стали, основанные на энергии детонации гремучего газа.

Известен способ газовой детонационной штамповки листового металла, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся в результате детонации смеси водорода с кислородом, находящейся перед инициированием детонации под установленным начальным давлением.

Данный способ не может быть использован при штамповке тонколистовой нержавеющей стали, поскольку при детонации образуется ударная волна чрезмерно высокой интенсивности.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение качества штамповки тонколистовой нержавеющей стали.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе газовой детонационной штамповки листового металла, заключающемся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся в результате детонации смеси водорода с кислородом, находящейся перед инициированием детонации под установленным начальным давлением, при штамповке тонколистовой нержавеющей стали водород в смеси используют при заданном парциальном давлении (Р_вод.), а начальное давление смеси (Р_см.) устанавливают в зависимости от парциального давления водорода, исходя из следующего соотношения:
Р_вод. + 1,22 (Р_вод.)^0,65 ≅Р_см. ≅Р_вод. + +53,06 (Р_вод.)^-1,28
В данном техническом решении обеспечивается упрощение процедуры определения общего начального давления смеси и исключение разрыва заготовки вследствие установки более щадящего режима нагружения.

На фиг. 1 показана схема реализации способа, когда заготовка находится в исходном состоянии, т.е. перед зажимом в технологической оснастке; на фиг. 2 то же, момент деформирования заготовки; на фиг. 3 график зависимости общего давления смеси от парциального давления водорода, Р_см. f (P_вод.); на фиг. 4 внешний вид отштампованного изделия.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно с учетом толщины, площади, прочностных свойств материала заготовки и требуемой степени ее деформации определяют требуемое энерговыделение при детонации.

По найденному энерговыделению и калорийности водорода (справочная величина) определяют массу водорода, обеспечивающую это энерговыделение.

По массе водорода, его удельному объему (справочная величина) и по объему взрывной камеры находят парциальное давление водорода Р_вод.
Используя зависимость Р_см. f (Р_вод.), определяют диапазон допустимых значений общего давления водород-кислородной смеси Р_см. Выбирают значение Р_см, принадлежащее этому диапазону. Конкретное значение зависит от реализуемого режима нагружения заготовки относительно щадящий или относительно напряженный.

В матрицу 1 с вакуумным вентилем 2 помещают тонколистовую заготовку 3 из нержавеющей стали (фиг. 1). Соединяют матрицу со взрывной камерой 4, снабженной вентилем подачи водорода 5, вентилем подачи кислорода 6, газовым манометром 7, элементом инициирования детонации 8 и вакуумным вентилем 9. Камера 4 и матрица 1 на сочленяемых поверхностях имеют кольцевые герметизирующие прокладки (не показаны) и соответственно кольцевые выступы 10 и кольцевые проточки 11, обеспечивающие при замыкании пресс-формы герметичное жесткое замковое защемление заготовки 3.

Из матрицы 1 через вакуумный вентиль 2, а из взрывной камеры 4 через вакуумный вентиль 9 откачивают воздух. В камеру 4 через вентиль 5 подают водород до определенного выше парциального давления Р_вод. Давление контролируют по манометру 7. Затем через вентиль 6 добавляют кислород до суммарного давления Р_см, предварительно определенного по заявляемому соотношению Р_см f (Р_вод.).

На элемент инициирования детонации 8 подают импульс высокого напряжения. В результате высоковольтного разряда между электродами элемента 8 инициируется детонация газовой смеси внутри камеры 4 (фиг. 2). Ударная волна выходит на заготовку 3. Под действием ударной волны и расширяющихся нагретых продуктов взрыва заготовка 3 деформируется и вдавливается в полость матрицы 1.

Размыкают пресс-форму и извлекают отштампованную заготовку.

Приведенное соотношение для определения общего начального давления смеси Рсм по парциальному давлению водорода Рвод. выявлено опытным путем. В экспериментах исследовалась деформация листовой нержавеющей стали мартенситного и аустенитного типов толщиной 0,5-1,2 мм. Заготовки имели размер 90-700 мм. Использовалась водород-кислородная смесь с варьированием в ней содержания водорода 16-90% Парциальное давление водорода 0,1-10 атм. Общее давление смеси изменялось в пределах 0,2-25 атм. Размеры взрывной камеры диаметр 80-680 мм; глубина 20-170 мм.

Эксперименты показали, что, если общее давление смеси Р_см. меньше величины Р_вод. + 1,22 (Р_вод.)^0,65, то имеют место частые случаи разрыва заготовки. Это объясняется тем, что в такой газовой смеси за счет относительно большого содержания водорода ударная волна и давление за фронтом ударной волны имеют недопустимо высокие значения, приводящие к чрезмерно напряженному режиму нагружения заготовки. При этом характерно, что разрыв заготовки происходит без существенной ее вытяжки.

Разрушение заготовки наступает также, если общее давление смеси Р_см. больше величины Р_вод. + 53,06 (Р_вод.)^-1,28. В этом случае смесь оказывается пересыщенной относительно тяжелым кислородом и продукты взрыва, имея сравнительно высокую плотность при большой скорости расширения, оказывают также чрезмерно интенсивное импульсное воздействие. Однако характер разрушения здесь иной. Разрыв заготовки наступает в момент, когда она уже имеет существенную вытяжку.

Сохранность заготовки при требуемой вытяжке обеспечивается лишь при условии, когда общее давление смеси Рсм. не менее величины Р_вод. + 1,22 (Р_вод.)^0,65 и не более величины Р_вод. + 53,06 (Р_вод.)^-1,28. Это условие является необходимым и достаточным для работоспособности предлагаемого способа штамповки. На фиг. 3 выявленное соотношение
Р_вод. + 1,22 (Р_вод.)^0,65 ≅Р_см. ≅Р_вод. + +53,06 (Р_вод.)^-1,28 представлено в графическом виде. Пунктирной прямой на графике показана зависимость Р_см. f (Р_вод.) для гремучего газа классической стехиометрии 2Н₂ + O₂. Вся область заявляемых значений для общего давления смеси Р_см. лежит выше этой прямой.

Изобретение дает возможность по заданному парциальному давлению водорода быстро определять общее давление водород-кислородной смеси, обеспечивающее вытяжку тонколистовой нержавеющей стали без угрозы ее разрыва. Конкретное значение общего давления смеси внутри заявляемого диапазона устанавливают, исходя из конкретной толщины листа и требуемой проработки его поверхности. Так, для относительно тонкой заготовки целесообразно использовать смесь с пониженным содержанием кислорода. При этом общее давление смеси должно иметь значение, лежащее ближе к нижней границе области Р_см. f (Р_вод.) (фиг. 3). Для относительно толстой заготовки предпочтительно использовать смесь с повышенным содержанием кислорода. Общее давление смеси при этом должно иметь значение лежащее ближе к верхней границе области Р_см. f (Р_вод.) (фиг. 3).

При использовании данного соотношения может оказаться, что требуемое значение общего давления смеси Рсм. больше величины Р_вод. + 53,06 (Р_вод.)^-1,28, т. е. лежит выше верхней границы области Р_см. f (Р_вод.) (фиг. 3). Это означает, что для штамповки выбрана заготовка слишком большой толщины и осуществить ее вытяжку с помощью данного изобретения невозможно. Режим штамповки при этом выходит за пределы области применения предлагаемого технического решения. Необходимо использование иного способа штамповки, основанного, например, на вытяжке в два или большее число приемов, что уже не является предметом данного изобретения. Заявляемое соотношение, таким образом, является и условием ограничения толщины штампуемой заготовки. Допустимая толщина листа зависит от размера заготовки, но, как уже отмечалось, не должна превышать величины порядка 1,2 мм.

В качестве примера конкретного осуществления способа приводится краткое описание основных этапов отработанной технологической последовательности газовзрывной штамповки бытовых моек.

П р и м е р. Из листовой нержавеющей стали 08Х18Н10Т толщиной 1 мм была вырезана заготовка размером 515 х 485 мм с закругленными углами. Были использованы стальная матрица с полостью 340 х 370 мм глубиной 130 мм, снабженная вакуумным вентилем в донной части, и взрывная камера с внутренними размерами 340 х 370 х 130 мм и объемом 15 л, снабженная вакуумным вентилем, двумя газовыми вентилями ВК-86, газовым манометром МВШО-160 и элементом инициирования детонации со свечой зажигания А17ДВ.

С учетом прочностных характеристик заготовки и тепловых потерь при детонации определялось количество энергии, необходимое для требуемой деформации заготовки, 428 КДж.

По калорийности водорода и требуемому для деформации заготовки количеству энергии определяли необходимый объем водорода при атмосферном давлении 60 л.

По рассчитанному количеству водорода и объему взрывной камеры определялось давление, которое будет оказывать водород, наполняя весь объем камеры (парциальное давление) 4 атм.

Используя заявляемое соотношение, определялся по парциальному давлению водорода диапазон допустимых значений общего давления водород-кислородной смеси
7_атм ≅Р_см. ≅ 13 _атм.
Так как заготовка является сравнительно толстой (1 мм), а при ее вытяжке по характеру изделия требуется хорошая проработка угловых зон и областей перегибов, то общее давление смеси должно иметь значение, лежащее ближе к верхней границе допустимого диапазона значений Р_см. Выбрали общее давление смеси равным 12 атм.

Помещали заготовку в матрицу, после чего сочленяли матрицу со взрывной камерой. При этом необходимо обеспечивать жесткое герметичное защемление заготовки, исключающее перемещение ее фланцев при последующей вытяжке центральной части.

Из матрицы и взрывной камеры с помощью форвакуумного насоса 2ВНР5Д откачивали воздух до остаточного давления 1-10 мм рт.ст.

Заполняли взрывную камеру водородом до давления 4 атм. Контроль давления осуществляли с помощью манометра, установленного на взрывной камере.

Подали в камеру кислород, создав взрывчатую водород-кислородную смесь. Давление смеси 12 атм. На свечу зажигания элемента инициирования детонации подали импульс напряжения 6 Кв. Произошла детонация смеси. Ударная волна сдеформировала заготовку, вдавив ее в полость матрицы. Отсоединили взрывную камеру от матрицы и извлекли отштампованную заготовку.

Внешний вид полученного изделия показан на фиг. 4.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения данный позволяет сократить процент брака, улучшить качество выпускаемой продукции и сделать процесс штамповки более отвечающим требованиям высокотехнологичных производств.

Использование: для штамповки изделий бытового назначения из листовой нержавеющей стали, а также в машиностроительной промышленности, приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и оболочек различного назначения. Сущность изобретения: на заготовку воздействуют ударной волной, образующейся при детонации смеси водорода при заданном парциальном давлении с кислородом. Общее давление смеси устанавливают исходя из парциального давления водорода, по соотношению, приведенному в тексте описания. 4 ил.

СПОСОБ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ШТАМПОВКИ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся в результате детонации смеси водорода с кислородом, находящейся перед инициированием детонации под установленным начальным давлением, отличающийся тем, что при штамповке тонколистовой нержавеющей стали водород в смеси используют при заданном парциальном давлении P_вод, а начальное давление смеси p_см устанавливают в зависимости от парциального давления водорода, исходя из следующего соотношения:
P_вод+1,22(P_вод)^0,65≅P_см≅ P_вод+53,06(P_вод)^-1,28.