Штамповка взрывом

ред. Анучин М.А.

Машиностроение, 1972 г.

 Попытка применить энергию взрывчатых веществ (ВВ) для изготовления деталей впервые сделана примерно 80—90 лет назад. Промышленное использование импульсных методов обработки изделий, в том числе и гидровзрывной штамповки, началось лишь в пятидесятых годах. Это связано прежде всего с появлением большой номенклатуры крупногабаритных изделий, изготовляемых из листа небольшими партиями. Для изготовления таких изделий требуются мощные прессы и сложная дорогостоящая оснастка. С помощью же ВВ, используя простейшее оборудование и простую оснастку, заготовке можно передать практически любую необходимую для формообразования детали энергию. Для определенного класса изделий это обеспечивает значительное снижение капитальных затрат, себестоимости деталей, сроков подготовки производства, создает условия для быстрой его переналадки. В связи с этим в ряде отраслей машиностроения проявляется большой интерес к использованию гидровзрывной штамповки.

В Советском Союзе на многих предприятиях созданы участки гидровзрывной штамповки. Исследования взрывных процессов •обработки металлов ведутся в ряде научно-исследовательских институтов и вузов СССР.

Опубликованы работы, в которых обобщается опыт по внедрению процессов взрывной штамповки в промышленности и рассматриваются различные технологические схемы штамповки, освещаются вопросы конструирования оснастки и методики выбора основных параметров процесса штамповки [18, 21, 22]. Исследования и опыт, положенные в основу этих публикаций, играют большую роль в совершенствовании и внедрении технологии взрывной штамповки.

Достигнутые положительные результаты, а также усилия больших коллективов ученых и инженеров различных стран по изучению и расширению использования гидровзрывной штамповки в производстве предопределяют дальнейшее развитие этого прогрессивного способа обработки деталей.

Однако возникают трудности при изучении гидровзрывной штамповки вследствие того, что этот процесс включает разнооб разные физические явления: взрыв в воде, нагружение заготовки, скоростное деформирование ее, многократное ударное нагружение оснастки и т. д. Дело осложняется многообразием возможных схем штамповки и сложной геометрией зарядов, заготовок, матриц и бассейнов.

Отсутствуют удовлетворительные для практики методики по определению основных технологических параметров процесса.

Литература по взрыву в воде, несмотря на широкий круг рассматриваемых в ней проблем, не может быть полностью использована при разработке теории гидровзрывной штамповки. Так в монографиях по подводному взрыву изложены вопросы распространения ударных волн и нагружения ими податливых преград, расположенных на больших расстояниях от заряда ВВ [9, 15, 20, 24 ]. Поэтому ряд важных для штамповки вопросов, естественно, ' не затрагивается. Кроме того, при гидровзрывной штамповке условия развития и воздействия взрыва на податливую преграду (заготовку) существенно отличны от рассматриваемых в этих работах.

В связи с этим прямой перенос результатов, полученных в указанных исследованиях, в условия гидровзрывной штамповки может привести к серьезным ошибкам. Исследователи, занимающиеся гидровзрывной штамповкой, длительное время не уделяли внимания важному при подводном взрыве энергоносителю-гидропотоку, который можно не учитывать лишь при больших расстояниях преграды от заряда. При расчете веса заряда не принимались во внимание также диссип.ативные потери на фронте сильных ударных волн.

Рассмотрение процесса нагружения преграды в большинстве случаев проводилось на основании предположения о сплошности среды. Однако при штамповке взрывом практически во всех случаях наблюдается кавитация. Способы учета кавитационных явлений развиты слабо. Из-за потери сплошности среды малоубедительными являются рекомендации по использованию методов анализа взаимодействия заготовки с жидкостью на основе введения   понятия   присоединенной массы.

Большую роль для понимания процессов скоростного деформирования преград при штамповке взрывом сыграли работы X. А. Рахматулина.

Именно на основе этих работ были развиты представления о волновом характере деформирования оболочек. Однако и в этом случае специфика штамповки взрывом — большие деформации, большая подтяжка фланца и т. д. — требует разработки специальных приемов, позволяющих вести оценку характеристик деформирования.

К настоящему времени достигнуты определенные успехи в изучении специфических для штамповки условий развития взрыва и деформирования заготовок, сделаны многочисленные попытки создания методик расчета технологических параметров, прежде всего, веса заряда.

Большинство этих методик основано на так называемой импульсной схеме нагружения заготовки [3, 14, 21]. В этом случае уравнение по определению веса заряда выводится, из предположения о равенстве импульсов внешних и внутренних сил [21]. Однако при этом часто считается, что передача импульса от среды к заготовке происходит мгновенно. Нетрудно показать, что эти допущения приводят к нарушению закона сохранения энергии и, следовательно, к неправильному определению веса заряда.

В расчетные соотношения для веса заряда по этим методикам вводятся различного рода поправочные коэффициенты. Однако допущенную неточность из-за неверного представления о процессе передачи энергии исправить оказывается невозможным. Дело осложняется и тем, что используемая, в качестве основного и контрольного показателя величина энергии формообразования детали определялась при этом по весьма упрощенным соотношениям.

По этим причинам, а также в результате того, что при расчетах не учитывалось влияние некоторых указанных выше факторов (гидропотока, диссипативных потерь, ряда граничных условий), упомянутые методики во многих случаях дают большие расхождения в весах зарядов ВВ с опытом. Связь между параметрами операции штамповки (прогиб, коэффициент вытяжки), весом и положением заряда в этих методиках является неявной, что затрудняет использование их при отработке технологических процессов.

При определении веса заряда часто преимущество отдается различным упрощенным зависимостям, полученным в результате многочисленных экспериментов [30, 31, 33, 34]. Как правило, они не отражают физики процесса и имеют очень узкую область применения.

При этом следует отметить, что экспериментальные исследования и практический опыт предприятий дал возможность выработать рекомендации по назначению многих параметров гидровзрывной штамповки, которые, как показали теоретические исследования, оказались близкими к оптимальным. Речь идет о таких пара* метрах, как высота подвески заряда над заготовкой, высота столба жидкости над зарядом, радиусы галтелей перетяжного ребра матрицы и др.

Затруднения, возникающие из-за неразработанности общей теории, заставляют многих исследователей обратиться к более глубокому рассмотрению физики процесса гидровзрывной штамповки. В последние годы начали появляться работы, связанные с изучением отдельных сторон процесса. Количественных зависимостей для оценки воздействия тех или иных факторов, как правило, не приводится [32]. Вместе с тем, они свидетельствуют о стремлении всесторонне рассмотреть физические особенности процесса гидровзрывной штамповки с тем, чтобы на этой базе создать и количественные зависимости [26—29, 35—37].

Необходимо обратить внимание на важность решения и ряда других сложных вопросов, возникающих при отработке процессов гидровзрывной штамповки. К числу их следует отнести выработку рекомендаций по оценке деформационной способности материалов при взрывном нагружении, создание методики по определению с достаточной для практики степенью точности величины энергии формообразования, разработку доступных экспериментальных методов определения параметров штамповки (в частности, на основе теории моделирования) и др.

В настоящей книге были поставлены следующие основные задачи:

рассмотреть физические особенности развития взрыва, нагружения и формообразования заготовки при гидровзрывной штамповке на примере одной из важнейших операций — гидровзрывной вытяжки осесимметричных деталей; на основе теоретических и экспериментальных исследований рекомендовать методики определения основных технологических параметров этого процесса.

Материалы, использованные в настоящей книге, получены в результате многолетних исследований, проводившихся в МВТУ им. Баумана.

ОСОБЕННОСТИ   РАЗВИТИЯ   ВЗРЫВА

1.   КРАТКАЯ   ХАРАКТЕРИСТИКА   ШТАМПОВКИ   ВЗРЫВОМ

Процесс листовой штамповки с помощью взрывчатых веществ (ВВ) осуществляется следующим образом (рис. 1). На матрицу 2 с помощью фиксаторов устанавливается заготовка 4. Прижимное кольцо 3 под действием силовых элементов обеспечивает необходимое усилие прижима. Над заготовкой помещается заряд  взрывчатого вещества с электродетонатором. Между зарядом и заготовкой находится передаточная среда. При взрыве заряда ВВ часть высвобождаемой энергии передается окружающей среде. Ударные волны, вызванные взрывом в окружающей заряд среде, подходят к заготовке и передают ей часть своей энергии. Энергия, полученная заготовкой, затрачивается на деформирование заготовки, а также расходуется на преодоление вредных сопротивлений (трение, удар заготовки о зеркало матрицы).

Основные особенности этого способа состоят в применении нового вида энергоносителя, в специфике деформирования заготовки и передачи энергии заготовке.

Взрывчатые вещества, передаточные среды, заготовки и типы матриц, применяемые при взрывной штамповке, можно классифицировать, взяв за основу четыре основных элемента, характерных для любого вида листовой штамповки: энергоноситель -заряд ВВ, передающая среда, деформируемый элемент — заготовка и инструмент-матрица (рис. 2).

В качестве энергоносителя применяются бризантные ВВ и пороха, отвечающие требованиям- техники безопасности при работе в заводских условиях. Основные типы применяемых ВВ

и их характеристики приведены в табл. 1. Эти вещества позволяют получить самые разнообразные формы зарядов. Однако на практике чаще всего используются два вида зарядов: плоский и сосредоточенный. Другие формы зарядов используются редко.

Изменение формы заряда, как правило, мало влияет на окончательный профиль полученной детали показывает влияние только на характер процесса деформирования заготовки, что позволяет в определенных пределах управлять этим процессом.

В промышленном производстве наиболее широкое применение получили сосредоточенные заряды тротила, аммонита и пластита. Эти ВВ дешевы и безопасны.

Смещение заряда на величину, соизмеримую с его размерами, не оказывает значительного влияния ни на протекание процесса формирования заготовки, ни на конечную форму детали. Существенно влияет на результаты штамповки высота расположения заряда над заготовкой. Увеличение высоты расположения заряда над заготовкой приводит к увеличению веса ВВ, необходимого для   получения   готовой детали, усложняет   конструкцию