СПОСОБ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ШТАМПОВКИ Российский патент 1997 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, и предназначено преимущественно для штамповки изделий бытового назначения из тонколистовой 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 разнообразных изделий как бытового, так и промышленного назначения в последнее время стала использоваться тонколистовая нержавеющая сталь мартенситного и аустенитного типов (08X18H10T, 08X18T1, 12X18H10T и др.) толщиной 0,1-0,8 мм. За счет большого содержания хрома такая сталь обеспечивает изделиям повышенную коррозионную стойкость и придает им качественный товарный вид без дополнительного защитного или декоративного покрытия.

Для штамповки изделий из нержавеющей стали широко применяется беспрессовый метод вытяжки, основанный на воздействии на заготовку ударной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при детонации горючей газовой смеси. В качестве горючего компонента смеси используются водород, метан, пропан, ацетилен и др. в качестве окислителя кислород или атмосферный воздух. По сравнению с традиционной прессовой штамповкой газовзрывной способ имеет ряд преимуществ, выражающихся в простоте и сравнительно малой стоимости оборудования, возможности формования изделий практически неограниченных размеров, точности и высоком качестве штамповки, относительной простоте подготовки и организации производства.

Но вытяжка газовзрывным способом относительно глубоких изделий из нержавеющей стали малой толщины (0,1-0,5 мм) связана с определенными затруднениями, обусловленными характерной для данного способа относительно высокой скоростью деформации заготовки, достигающей десятков и сотен метров в секунду и приводящий к частым ее разрывам. Для ограничения скорости деформации используются технические решения, основанные на растягивании процесса деформации заготовки во времени. При этом, например, для стали X18H9T с понижением скорости холодной деформации до 1 мм/с относительная вытяжка возрастает до 80%
В настоящее время известны различные способы газовзрывной штамповки, обеспечивающие вытяжку изделий в низкоскоростном режиме.

В одном из таких способов для уменьшения скорости деформации заготовки и предотвращения ее разрыва на нее предварительно накладывают инертную массу в виде свинцового листа [1]
Уменьшение скорости деформации обеспечивается относительно большой инерцией покоя такой комбинированной и тяжелой заготовки, а глубокая вытяжка - растянутым во времени последующим инерционным движением.

Однако необходимость постоянного использования накладного свинцового листа значительно увеличивает расходы дефицитного и к тому же токсичного материала, удорожает производство, существенно усложняет и загрязняет технологический процесс.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ газовой детонационной штамповки, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при возбуждении инициирующим импульсом детонации, находящейся во взрывной камере горючей газовой смеси, получаемой смешением горючего компонента и компонента-окислителя [2]
Указанный способ не позволяет получить изделия глубокого профиля требуемого высокого качества при штамповке их из листовых заготовок малой толщины.

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

Задача решается тем, что в известном способе газовой детонационной штамповки, заключающемся в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при возбуждении инициирующим импульсом детонации, находящейся во взрывной камере горючей газовой смеси, получаемой смешением горючего компонента и компонента -окислителя производят неоднократное воздействие на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующие горючую газовую смесь компоненты подают во взрывную камеру раздельно и последовательно, а инициирующий импульс генерирует после завершения подачи компонента смеси, вводимого в камеру первым, в периодически-импульсном режиме на протяжении всего времени подачи компонента, вводимого в камеру вторым. При этом детонацию горючей газовой смеси в данном способе осуществляют при нижнем ее концентрационном пределе взрываемости, а во взрывную камеру первым вводят либо окислитель, либо горючее в зависимости от конкретного реализуемого режима нагружения заготовки.

В данном техническом решении удалось исключить охрупчивание материала заготовки и сохранить ее способность к глубокому пластическому деформированию за счет многократной периодической смены состояний наклепа при ударных нагружениях состояниями разупрочнения при последующих разгрузках.

Сущность способа иллюстрируют фиг. 1-6, на которых схематично изображены этапы способа.

Осуществляют штамповку по данному способу следующим образом. В матрицу 1 (фиг. 1) помещают тонколистовую заготовку 2 и герметично сочленяют матрицу со взрывной камерой 3, например, с помощью гидравлических прижимов (не показаны). Через вакуумный вентиль 4 в матрице 1 и вакуумный вентиль 5 в камере 3 откачивают воздух из матрицы и камеры. Камеру 3 через газовый вентиль 6 под требуемым давлением заполняют первым компонентом горючей газовой смеси, например, кислородом.

На высоковольтный разрядник 7 (элемент инициирования детонации), установленный на полосе взрывной камеры 3, от генератора высоковольтных импульсов (не показан) подают высокое напряжение (U_кВ) в периодически-импульсном режиме (фиг. 2). В полости 8 взрывной камеры 3 между электродами разрядника 7 периодически происходят высоковольтные электрические разряды. (Помимо высоковольтного разряда инициирующий импульс может быть осуществлен и иным путем, например, тепловым воздействием, лучом лазера, тлеющим разрядом и др. что в данном случае непринципиально.) Высоковольтные разряды начинают генерировать на разряднике 7 сразу же после заполнения камеры 3 первым компонентом смеси -в момент начала подачи второго компонента. Это необходимо для гарантированного обеспечения последующей газовой детонации на нижнем пределе концентрации второго компонента в первом. Если же начинать генерировать разряды позже, то горючая смесь в момент инициирования может оказаться чрезмерно обогащенной, что приведет к недопустимо сильному взрыву и разрыву заготовки.

Через газовые жиклеры 9 в полость 8 взрывной камеры 3 под давлением подают второй компонент смеси, например, водород (фиг.3). Происходит перемешивание компонентов смеси с образованием взрывчатого состава. Количество и место расположения жиклеров 9 определяются конкретной конструкцией взрывной камеры и конкретно реализуемым механизмом перемешивания.

При достижении нижнего предела взрываемости смесь под действием высоковольтного разряда претерпевает взрывчатое превращение (фиг.4). Ударная волна и разогретые продукты взрыва воздействуют на заготовку 2, частично вдавливая ее в матрицу 1 и нагревая до температуры в сотни градусов по Цельсию.

Продолжают подачу в полость 8 взрывной камеры 3 второго компонента смеси (фиг.5).

При достижении нижнего предела взрываемости по концентрации второго компонента в первом (в нашем случае горючего в окислителе) снова происходит взрыв смеси (фиг.6). Заготовка 2 вдавливается в матрицу 1 на большую величину и дополнительно прогревается горячими продуктами взрыва.

И так при работающем разряднике 7 продолжают подачу второго компонента смеси до полного расходования, находящегося в полости 8 камеры 3, первого компонента. При этом заготовка 2, испытывая серию коротких и сравнительно несильных импульсных воздействий, вдавливается в матрицу 1, приобретая требуемую форму.

Отключают генератор высоковольтных импульсов. Отсоединяют взрывную камеру от матрицы и извлекают отштампованное изделие.

Выше описана последовательность операций, когда первым компонентом смеси является окислитель (в данном случае кислород), и вдув горючего компонента осуществляется в среду окислителя.

Допустимым является и другой вариант реализации способа, когда первым компонентом служит горючее (например, водород), а в среду горючего газа подается газ-окислитель. По существу различия этих двух вариантов состоят лишь в том, что в первом случае серия взрывов начинается со взрыва обедненной смеси, а во втором со взрыва сильно переобогащенной смеси. (Хотя во втором случае смесь сильно обогащена, ее взрыв будет также сравнительно слабым, поскольку присутствующий в смеси окислитель способен обеспечить реакцию химического превращения лишь небольшой части содержащегося в камере горючего компонента. ) Скорость ударной волны и давление на деформируемую заготовку при этом, конечно, различны. В зависимости от конкретного вида изделия, конкретных материала и толщины заготовки может осуществляться та или другая последовательность подачи газов во взрывную камеру: сперва окислитель, а потом горючее, или сперва горючее, а потом окислитель. Штамповку относительно тонких заготовок лучше производить взрывом обедненной смеси, а для относительно более толстых заготовок предпочтительнее использовать более обогащенную смесь.

В качестве окислителя целесообразно использовать сжатый кислород. В качестве горючего могут быть использованы водород (H₂), ацетилен (C₂H₂), пропан (C₃H₃), бутан (C₄H₁₀) и другие горючие газы. Концентрационные предметы взрываемости для этих газов в смеси с кислородом составляют [6] для водорода 15,5-92,9% для ацетилена 3,5-93,0% для пропана 2,5-42,5% для бутана 2,1-38,0%
Видно, что смеси этих газов с кислородом сохраняют способность к взрывчатому превращению, являясь как сильно обедненными (первая колонка цифр), так и сильно обогащенными (вторая колонка цифр). Наиболее широкий диапазон взрываемости имеют ацетилен и водород, Эти газы и предпочтительно использовать при реализации заявляемого способа как газы, способные обеспечить в смеси с кислородом наибольшее число взрывных циклов без продувки или разборки прессформы.

Способ обеспечивает штамповку изделий глубокого профиля из листовых заготовок малой толщины практически без брака. Высокое качество штамповки обусловлено помимо растягивания процесса деформации во времени, также прогревом заготовки горячими продуктами детонации до температуры в сотни градусов по Цельсию.

Осуществление высоковольтного разряда в периодически- импульсном режиме сразу после завершения подачи первого компонента смеси и на протяжении всего времени подачи второго компонента позволяет производить детонацию смеси на нижнем пределе взрываемости с образованием серии щадящих и относительно слабых импульсов воздействия на заготовку за один прием заполнения камеры газами. Это значительно уменьшает трудоемкость, повышает производительность и технологичность способа.

Заявляемый способ выявлен опытным путем при экспериментальной отработке технологии газовзрывной штамповки изделий глубокого профиля из листовой нержавеющей стали толщиной 0,2-0,4 мм.

Ниже в качестве примера конкретного осуществления способа приводится основная последовательность операций отработанной при этом технологии по штамповке изделий в виде шарового сегмента из тонколистовой нержавеющей стали с помощью энергии детонации гремучего газа (2H₂ + O₂).

Из листа нержавеющей стали 12XI8HIOT толщиной 0,3 мм вырезают круговую заготовку диаметром 380 мм. Помещают заготовку в стальную матрицу с углублением в виде шарового сегмента диаметром 306 мм и глубиной 105 мм. Устанавливают на матрицу стальную взрывную камеру с цилиндрической полостью диаметром 304 мм и глубиной 150 мм.

С помощью гидроцилиндров плотно притягивают камеру к матрице. При этом между заготовкой и матрицей и между заготовкой и взрывной камерой посредством кольцевых прокладок из вакуумной резины обеспечивают герметичность соединений, а заготовку по периметру защемляют жестко в замок.

Из взрывной камеры и матрицы через вакуумные вентили с помощью форвакуумных насосов 2BHP5D откачивают воздух до остаточного давления 1-10 мм.рт. ст.

Через газовый вентиль ВК-86 вдувают во взрывную камеру сжатый до давления 3 атм. кислород. Давление контролируют по установленному на камере газовому манометру МВШО-160.

На свечу зажигания A17DB, установленную в полюсе взрывной камеры (напротив деформируемой заготовки соосно с ней), от генератора высоковольтных импульсов с интервалом 0,3 с подают импульсы напряжения амплитудой 7 кВ.

Через шесть газовых жиклеров с внутренним каналом диаметром 0,15 мм каждый, расположенных в корпусе камеры равномерно по окружности на расстоянии 40 мм от ее нижнего торца под углом 80^o к плоскости заготовки, тонкими струйками вдувают в полость камеры сжатый водород. Давление подачи водорода - 13 атм. Величину давления контролируют в подводящей магистрали с использованием внешнего манометра. Происходит перемешивание водорода с кислородом в направлении от заготовки к свече зажигания. Осуществляется как турбулентное перемешивание за счет завихрения струек водорода в среде кислорода, так и гравитационное перемешивание, обусловленное разными удельными весами смешиваемых газов.

При достижении в области свечи зажигания нижнего предела взрываемости смеси (15,5% водорода) происходит ее детонация. В результате взрывчатого химического превращения окисляется весь водород, находящийся к этому моменту во взрывной камере, и расходуется часть кислорода, необходимая для этого окисления. Ударная волна воздействует на заготовку, частично вдавливая ее в углубление матрицы. Выделяющееся при детонации смеси тепло (t^o 3200^oC) передается стенкам взрывной камеры, непрореагировавшему газу и заготовке, повышая ее температуру до первых сотен градусов Цельсия (100-200^oC).

Продолжают подачу водорода в камеру. По достижении нижнего предела взрываемости снова происходит детонация от высоковольтного разряда на свече зажигания и дальнейшее вдавливание заготовки очередной ударной волной с последующим дополнительным ее нагревом, но уже на десятки градусов.

И так далее до полного расходования кислорода. Заготовка при этом испытывает ряд коротких и относительно несильных ударов, приобретая форму сферического сегмента с кольцевым фигурным фланцем.

Прекращают подачу водорода. Отключают генератор высоковольтных импульсов. Отсоединяют взрывную камеру от матрицы и извлекают отштампованное изделие.

Необходимо отметить, что при осуществлении описанного способа детонация смеси инициируется исключительно высоковольтным разрядом на свече зажигания. Воспламенения водорода при контакте с разогретой заготовкой не происходит, поскольку заготовка имеет максимальную температуру не более 450^oC, тогда как температура воспламенения водорода в среде кислорода составляет 580-590^oC [7]
По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый объект позволяет сократить процент брака и улучшить качество выпускаемой продукции из тонколистового металла, обеспечивает более полное сгорание горючего до экологически безвредных соединений и делает процесс штамповки более отвечающим требованиям высокотехнологичных производств.

Использование: в машиностроительной промышленности, приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и оболочек различного назначения. Сущность изобретения: неоднократно воздействуют на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при возбуждении инициирующим импульсом детонации во взрывной камере горючей газовой смеси. Смесь получают смешением горючего компонента и компонента - окислителя. Образующие горячую газовую смесь компоненты подают во взрывную камеру раздельно и последовательно. Инициирующий импульс генерируют после завершения подачи компонента смеси, вводимого в камеру первым, и осуществляют в периодически-импульсном режиме на протяжении всего времени подачи компонента, вводимого в камеру вторым. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ газовой детонационной штамповки, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при возбуждении инициирующим импульсом детонации находящейся во взрывной камере горючей газовой смеси, получаемой смешением горючего компонента и компонента-окислителя, отличающийся тем, что производят неоднократное воздействие на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующие горючую газовую смесь компоненты подают во взрывную камеру раздельно и последовательно, а инициирующий импульс генерируют после завершения подачи компонента смеси, вводимого в камеру первым, в периодически импульсном режиме на протяжении всего времени подачи компонента, вводимого в камеру вторым. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым во взрывную камеру вводят окислитель. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым во взрывную камеру вводят горючее.