Формование деталей с использованием энергии взрыва, высоковольтного разряда и импульсного электромагнитного поля

Изготовление различной формы оболочек значительных размеров сопряжено с необходимостью использования крупногабаритного уни­кального оборудования большой мощности. Деление детали на элемен­ты, изготовление которых возможно на обычном оборудовании, после­дующая их сварка и ручная доводка удорожают изделия и снижают их качество. Изготовление деталей из некоторых высокопрочных и жаро­прочных листовых материалов обычными методами обработки металлов давлением весьма затруднительно, а иногда и невозможно. В связи с этим представляет интерес, использование для формообразования дета­лей энергии взрыва, высоковольтного разряда в жидкости и импульсного электромагнитного поля. Этим методам формования присуще выделение большой энергии в чрезвычайно малые промежутки времени. Возникаю­щие при больших скоростях деформирования инерционные силы существенно изменяют напряженно-деформированное состояние заготовки, что позволяет получать формованием не только детали больших размеров, но также детали из высокопрочных и малопластичных металлов и спла­вов. При этом форма деталей, полученных из сварных заготовок, не ис­кажается, несмотря на наличие шва. В сварном шве и околошовной зоне материал не имеет микротрещин и пористости.

Применяемые энергетические установки относительно универсальны, недороги и несложны, что при частой смене объекта производства имеет важное значение.

Формование с использованием энергии взрывчатых веществ (бри­зантного действия, порохов или газовых смесей) может осуществляться с передачей кинетической энергии взрыва на заготовку непосредственно, через поршень или передаточную среду (воздух, воду, песок и др.). Фор­мование с использованием бризантных взрывчатых веществ и воды в ка­честве передаточной среды, позволяющее изготовлять как небольшие де­тали сложной формы, так и крупногабаритные детали с практически не­ограниченными размерами, является наиболее универсальным методом благодаря простоте оборудования и возможности создания давлений любой величины. Например, при взрыве 1 кГ (9, 81 н) взрывчатого ве­щества может быть получено усилие около 10 0ОО Т (98.1 Мн).

Вес сферической формы тротилового заряда потребного для формообразования детали, и уровень воды Н в см над заготовкой оп­ределяют по формулам:

где — коэффициент, зависящий от плотности передаточной среды и деформируемого материала. Когда в качестве передаточной среды используется вода, коэффициент к для сталей, титановых и алюминиевых сплавов соответственно равен 0, 25 • 10" ⁴, 0, 16 • 10-⁴ и 0, 11 • 10~⁴;

- энергия формообразования, приходящаяся на единицу смачиваемой поверхности, в кГ • см/см²;

—полная энергия, затрачиваемая на формоизменение за­готовки, в кГ • см;

— площадь поверхности заготовки, смачиваемой водой, в см²;

— толщина заготовки в см;

— расстояние от центра заряда до заготовки диаметром в см.

Приближенно значение удельной энергии, потребной для Формова­ния цилиндрической детали диаметром с диаметром фланца и сфе­рическим или эллиптическим дном со стрелой прогиба находят из вы­ражения

где —предел прочности материала заготовки в кГ/см²;

Если дно плоское, то в выражении принимают

Для изготовления оболочек применяются установки бассейнового и наземного типа, состоящие из резервуара с водой, насосной станции (заполнение резервуара и откачивание из него воды, отсос воз­духа из рабочей полости матрицы) и подъемно-транспортных средств (загрузка и транспортировка оснастки). В серийном и опытном произ­водстве чаще используют наиболее универсальные установки бассейно­вого типа (рис. 89, а).

Рис. 89. Схема импульсных методов формования:

а—схема процесса формования с использованием энергии бризантных взрывчатых веществ (/—мат­рица, 2— отформованная деталь, 3— прижимная плита, 4— бассейн, 5—заряд, 6— электрические про­вода, 7—детонатор, 8 —насосная станция); б —схема электрогидравлического метода формования (/—заготовка, 2— вакуумная линия, 3— матрица, 4—подъемник, 5—плита-груз, 6— пневмозамок, 7— заливной кран, «—резервуар с водой, 9— сливной кран, 10— механизм регулирования положения элек­тродов, //—электроды, 12— разрядник, 13 —конденсаторная батарея, 14— источник питания высокого напряжения); в, г, д— схемы процессов формования импульсным электромагнитным полем соот­ветственно многовитковым индуктором (/—высоковольтный трансформатор, 2—выпрямитель, 3— кон­денсаторная батарея, -/—шаровой разрядник или ионный управляемый вентиль, 5—обмотка индук­тора, 6— заготовка, 7—разъемная оправка); при контактном соединении индуктора с заготовкой (/— матрица, 2 —заготовка, 3 —пружинный контакт, 4 —токоподводы); плоскими индукторами (/—индук­тор, 2— заготовка, 3— оправка)

Матрицы изготовляют из стали, чугуна, цветных сплавов или желе­зобетона с облицовкой эпоксидной композицией. У матриц из цинка и алюминиевых сплавов верхнюю плоскость вместе с вытяжной кромкой выполняют из стальной плиты.

Открытую площадку для формования с использованием в качестве энергоносителя бризантных взрывчатых веществ (аммониты, тротил, гексаген и др.) следует размещать на сейсмически безопасном расстоя­нии от зданий и оборудовать в соответствии с правилами безопасности при взрывных работах. К работе должны допускаться только операторы прошедшие специальную подготовку и имеющие «Единую книжку подрывника», дающую право на проведение взрывных работ при обработке металлов давлением.

Электрогидравлический метод формования (рис. 89, б) основан на использовании для деформирования заготовки давления ударной вол­ны, которая образуется при искровом разряде вследствие перехода ча­сти жидкости в состояние «плазмы» с мгновенным увеличением началь­ного объема в тысячи раз. При пробое межэлектродного промежутка возникает явление, имеющее характер взрыва. Ударная волна из зоны разряда перемещается со сверхзвуковой скоростью.

Введение в межэлектродный зазор проволоки-перемычки облегчает пробой последнего, позволяет значительно увеличивать зазор между электродами, изменять форму и направление ударной волны, а также ис­пользовать в качестве передаточной среды диэлектрические жидкости. Основным недостатком применения проволоки-перемычки является не­обходимость ее замены после каждого импульса.

На деформацию существенное влияние оказывают напряжение раз­ряда, индуктивность цепи, расстояние между электродами, диаметр и длина проволоки-перемычки и расстояние от нее до заготовки. Конфигу­рация перемычки может способствовать как увеличению, так и локализа­ции зоны деформации.

Недостатком этого метода является относительно малое по сравне­нию с формованием взрывом количество энергии, которое можно прак­тически аккумулировать для разрядки за один импульс.

Форму заготовок из труднодеформирующихся материалов изменя­ют несколькими последовательными разрядами. К формованию много­кратными разрядами прибегают и в тех случаях, когда недостаточна мощность установки. При этом по мере упрочнения материала заготовки в процессе формования энергию разряда увеличивают.

При многократных разрядах без перемычки передаточная среда за­грязняется отрываемыми от электродов частицами и становится доста­точно проводящей, что увеличивает потери энергии.

Благодаря простоте и точности определения аккумулируемой и рас­ходуемой электрической энергии установки для электрогидравлического формования легко поддаются автоматизации. Они достаточно бесшумны, безопасны и могут применяться для формования деталей в обычных за­водских помещениях или даже в поточных линиях. Хорошо заземленный корпус установки обеспечивает эффективную экранировку и предупреж­дает индуктирование напряжения в окружающем оборудовании.

На установках с аккумулированием электрической энергии формова­нием получают детали из заготовок различных диаметров.

Формование импульсным электромагнитным полем (рис. 89, в) применяют для изготовления деталей из материалов, электропровод­ность которых регламентирована; в противном случае поверхность за­готовки необходимо омеднять или покрывать тонким листовым алюминием.

При пробое разрядника запасенная в конденсаторах электрическая энергия в виде импульса тока проходит через обмотку индуктора. Воз­никшее вокруг токонесущих проводников электромагнитное поле возбуж­дает в заготовке вихревые токи, которые образуют вокруг последней также магнитное поле. В результате взаимодействия импульсных маг­нитных полей происходит динамическое воздействие (в виде давления) на заготовку и ее деформирование. Это позволяет деформировать такие металлы, которые при обычных скоростях нагружения разрушаются.

Изменением длительности импульса (6—50 мксек) можно в широ­ких пределах регулировать силовое и тепловое воздействие на деформи­руемую заготовку. При обработке малопластичных металлов это явля­ется важным фактором, так как в данном случае отпадает необходимость в дополнительных сложных нагревательных устройствах, обязательных при других импульсных способах формования.

Индукторы работают под высоким электрическим напряжением и испытывают большую механическую нагрузку вследствие сил реакции от взаимодействия с деформируемой заготовкой и осевых сил взаимо­действия между витками. Условиями работоспособности изоляции огра­ничиваются максимальное напряжение цепи (10 кв) и развиваемые в установке усилия. Индукторы многократного использования выполняют из провода прямоугольного сечения с изоляцией повышенной прочности, а одноразовые рассчитывают на один импульс тока, в результате дейст­вия которого они разрушаются («взрываются»).

Возможно также деформирование, основанное на взаимодействии электромагнитного поля индуктора с электромагнитным полем тока, не­посредственно подведенного к заготовке через разъемные контакты (рис. 89, г).

Метод формования электромагнитным импульсом позволяет дефор­мировать заготовки, находящиеся в вакууме или внутри других, особен­но керамических и им подобных хрупких деталей, может использоваться для обжатия и «раздачи» трубчатых заготовок и формования деталей из плоских заготовок. В последнем случае индуктор выполняют в виде пло­ской спирали (рис. 89, д). Для снижения давления на одних участках и повышения его на других индукторы снабжают концентраторами маг­нитного поля.

Этот метод формования наиболее целесообразен при изготовлении и сборке сравнительно небольших деталей (из трубчатых и плоских за­готовок толщиной 1, 5 и 2 мм и диаметром около 200 мм соответ­ственно) и особенно в тех случаях, когда желательно повторное при­ложение нагрузки.

Формовочную оснастку изготовляют из неэлектропроводных или с низкой электропроводностью материалов.