Сущность процесса гидровзрывного формообразования. Формообразование взрывом нашло широкое распространение в различных областях машиностроения НРБ благодаря разработкам Г. Попова, К Костадинова и С. Ставрева. Этим методом изготовляются детали различной конфигурации и размеров из плоских и фасонных листовых заготовок.
Такой метод по сравнению с процессами листовой штамповки на прессах характеризуется следующими преимуществами: упрощенной конструкцией оснастки, возможностью формовки крупногабаритных деталей из высокопрочных сталей и сплавов. Наиболее широкое применение в производстве получил метод штамповки взрывом с использованием воды как среды для передачи давления от заряда взрывчатого вещества к заготовке (гидровзрывное формообразование). Известны различные схемы гидровзрывного формообразования. Типичная схема представлена на рис. 8.17. Заготовка для штамповки 1 помещается в матрицу 5, и ее края прижимаются с помощью прижимного кольца 4. На заданном расстоянии над заготовкой располагают заряд взрывчатого вещества. Матрицу с заготовкой и зарядом опускают в бассейн 2 с водой 3. Часть энергии при взрыве заряда через воду передается на заготовку. Под действием высокого давления заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Воздух, находящийся под заготовкой в рабочей полости матрицы, выходит через канал 6.
На рис. 8.18 изображена схема раздачи трубной заготовки. Вода 2 подается в полость заготовки 5, установленной в матрице 4. Взрывчатое вещество 1 также помещается во внутрь заготовки, и после взрыва контур заготовки принимает форму внутренней полости матрицы. Для изготовления деталей небольших серий вместо стационарного бассейна используются емкости разового употребления. Подобное исполнение резервуара для жидкости показано на рис. 8.19. Такая емкость 3 может быть изготовлена из картона или тонкостенного материала и установлена на матрицу 5. После заполнения емкости водой 4, установки взрывчатки 2 с последующим взрывом происходит деформация жидкостью заготовки 1. Детали, несложные по форме и не требующие высокой точности, могут быть изготовлены без использования матрицы по схеме, представленной на рис. 8.20. На заготовку 1 после ее зажима между деформирующими кольцами 5 и 6 устанавливают емкость 3 с жидкостью 4 и зарядом 2. После взрыва происходит вытяжка заготовки.
Выбор одной из указанных схем гидровзрывного формообразования зависит от марки исходного материала, формы и габаритных размеров детали, серийности производства.
Энергоносители. К источникам энергии при обработке металлов взрывом относятся различные виды взрывчатых веществ (ВВ). Взрывчатым веществом называется химическое соединение (смесь), которое под действием теплоты, механического удара или давления за короткий промежуток времени превращается в другое устойчивое вещество, полностью или большей частью газообразное. В основе процесса гидровзрывной обработки лежит физическое явление (взрыв), представляющее собой процесс быстрого химического превращения вещества, сопровождаемого переходом его потенциальной энергии в механическую работу деформации. Работа, произведенная взрывом, обусловливается быстрым расширением газов, независимо от того, существовали ли они раньше или образовались во время взрыва.
Основной признак взрыва — резкий скачок давления в среде, окружающей заряд. Газообразные продукты взрыва, образуемые благодаря большой скорости химической реакции, занимают в начальный момент незначительный объем, быстро увеличивающийся впоследствии, в результате чего в зоне взрыва резко повышается давление. Переход взрывчатого вещества из твердого в газообразное состояние происходит за стотысячные или даже миллионные доли секунды. Огромная скорость протекания процесса обусловливает высокую концентрацию энергии, которая не образуется в условиях протекания обычных химических реакций. О скорости протекания процесса взрыва можно судить по данным об изменении линейной скорости распространения его взрывной волны. Для современных взрывчатых веществ она изменяется в пределах 2000—9000 м/с. Большие давления при взрыве не могли бы возникнуть, если бы химическая реакция не сопровождалась образованием большого количества газообразных продуктов. В зависимости от условий возбуждения химической реакции, характера ВВ и некоторых других факторов скорости перемещения взрывной волны различны и существенно влияют на условия деформирования. Взрывная энергия передается на заготовку через промежуточную среду. От вида и плотности этой среды в большой степени зависит использование этой энергии. Промежуточная среда небольшой плотности поглощает часть энергии на сжатие и тем самым значительно уменьшает КПД процесса и повреждает поверхность заготовки. Характер распространения пластических волн зависит в основном от вида промежуточной среды: является ли она сыпучей или упругой. При использовании воды в виде промежуточной среды пластическая деформация более равномерно распространяется по всей заготовке и зависит от выбора заряда и его расположения в рабочей среде. При взрыве в водном слое, окружающем заряд, образуется мощная ударная волна, которая удаляется от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Газовые пузыри от продуктов взрыва продолжают расширяться радиально, постепенно снижая скорость. Их давление постепенно уменьшается и в определенный момент становится меньше давления окружающей среды. С этого момента начинается обратный процесс сжатия газовых пузырей, который продолжается и после повторного выравнивания давления под влиянием сил инерции водной массы. Согласно работе распространение ударной волны идет быстрее, чем рост газового пузыря. В связи с этим волна первой достигает поверхности заготовки, и начинается процесс деформации. При этом часть энергии поглощается, а часть отражается. Поглощенная энергия переходит в упругую и пластическую деформацию. Одновременно с началом деформирования заготовки под действием отраженной волны за заготовкой возникает разрежени. В результате этого непосредственно над заготовкой образуется область кавитации, которая состоит из смеси частиц воды и газа. Кавитация характеризуется тем, что внутри кавитационной зоны скорость каждой частицы остается постоянной. Скорость деформирования листовой заготовки больше скорости этих частиц. В ходе деформирования она достигает значений, оказывающих влияние на скорость частиц кавитационной зоны.
В последующем деформирующая среда постепенно контактирует с медленно форма изменяющейся заготовкой и отдает ей свою кинетическую энергию. После отдачи энергии вода в этой зоне остается в спокойном состоянии. В слой воды снова удаляют частицы, которые образуются вследствие увеличения объема газовых пузырей. Их влияние может быть определено путем измерения за определенное время глубины изгиба заготовки (речь идет о гидравлическом ударе, вызывающем возникновение второй ударной волны).
При гидровзрывном формообразовании металлов водный бассейн имеет ограниченные размеры, и кавитации появляются и возле стенок бассейна. Взрыв происходит на сравнительно небольшой глубине, и газовые пузырьки достигают поверхности воды. Это обусловливает выброс газов в воздух с образованием фонтана воды, смешанной с продуктами взрыва. Возникают два вида фонтанов — вертикальный и радиальный. Вертикальный фонтан образуется, когда на поверхность всплывают пузыри со сравнительно малой скоростью, а радиальный — при большой скорости всплытия газовых пузырей. Образования фонтанов можно избежать, если на поверхности водного бассейна установлены противофонтановые сетки. При использовании в качестве промежуточной среды песка или резины в центральных частях их объема возникает повышенное трение, которое препятствует распространению деформирующих волн, а на периферии детали действие ударного импульса уменьшается пропорционально квадрату радиуса высоты расположения взрывчатки. В результате этого создаются условия для сосредоточения усилия в центральной зоне заготовки. Поэтому при больших зарядах заготовка разрушается вблизи кромки матрицы. Преимущество воды в качестве промежуточной среды состоит в том, что она обеспечивает высокий КПД процесса, повышенные скорости деформирования и высокие давления (в 100 раз выше, чем при использовании воздушной среды). Наибольшее распространение при взрывном формообразовании получили бризантные взрывчатые вещества, имеющие следующие преимущества: большую мощность, высокую скорость ударной волны, надежность и удобство при работе, хорошо изученную кинематику взрыва. Некоторые из основных параметров наиболее часто употребляемых взрывчатых веществ (бризантных) приведены в табл. 8.8. Наряду со взрывчатыми веществами применяются и взрывчатые смеси: газообразные, жидкие и твердые. Проведенные исследования целесообразности использования того или иного типа энергоносителя доказывают несомненные преимущества взрывчатых веществ перед другими энергоносителями. Взрывчатые вещества являются доступными и дешевыми продуктами производства. Они наиболее подходящи и незаменимы ввиду их неограниченной мощности при формообразовании больших и толстостенных деталей. Форма заряда должна быть такой, чтобы обеспечить наиболее благоприятную нагрузку на заготовку. Она определяется характером диаграммы нагрузки, действующей на заготовку и определяющей течение металла в процессе формообразования.
В настоящее время определенное преимущество имеет сосредоточенный заряд, который обеспечивает равномерную нагрузку на всей поверхности заготовки и наибольшую точность формообразования. Некоторые западные фирмы используют заряды ВВ, которые имеют более низкую плотность, чем обычно рекомендуемые. Они имеют непосредственный контакт с форма образовывающей заготовкой, без промежуточной среды и позволяют с высокой точностью регулировать длину импульса путем изменения плотности заряда, а продолжительность импульса — увеличением массы заряда.
