Существуют также другие схемы передачи энергии от заряда к заготовке при штамповке взрывом: продукты взрыва воздействуют непосредственно на заготовку; заготовку штампуют жидкостью, давление в которой создает поршень, возбуждаемый силой взрыва. Выбор схемы зависит от размеров и сложности штампуемых изделий, материала, программы выпуска, производственных условий и ряда других факторов.
Штамповка деталей с использованием энергии взрыва имеет ряд существенных преимуществ: снижается стоимость инструмента, т.к. используется только матрица, а не комплект штампа (матрица и пуансон). Сама матрица изготавливается из более дешевого материала; не требуется больших капиталовложений на прессовое оборудование, хотя некоторые капиталовложения необходимы для создания устройств и взрывных приспособлений; некоторые детали гораздо проще изготавливать путем взрывной обработки, в частности несимметричные детали; возможно изготавливать сложные детали или даже конструкции, как единое целое, а не из отдельных частей, соединяемых с помощью сварки; обеспечивается хорошее качество поверхности, более высокие допуски; исключается в некоторых случаях промежуточная термообработка вследствие более полного использования пластических свойств металла и создания более благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния. Однако имеется и ряд трудностей: требуются более сложные меры по обеспечению техники безопасности, установка дистанционного управления, подготовка квалифицированного персонала.
Также в производстве используется методы сварки и упрочнения взрывом.
При сварке взрывом происходит соединение деталей за счет совместной пластической деформации в результате соударения, вызванного взрывом быстродвижущихся соединяемых частей.
Соединяемые детали, одна из которых неподвижна, располагают на некотором расстоянии (или под определенным углом) друг от друга. На подвижную заготовку 3 кладут взрывчатое вещество 2 с детонатором 1. При срабатывании детонатора происходит процесс разложения взрывчатого вещества, создавая давление, распространяющееся позади фронта детонации. В результате этого подвижная заготовка получает ускоренное движение, направленное в сторону неподвижной заготовки 4. Соударяясь заготовки получают взаимную пластическую деформацию, необходимую для прочного соединения.
Одним из перспективных способов деформационного упрочнения является воздействие на металлы и сплавы ударных волн, реализующихся при взрыве бризантных взрывчатых веществ. Эффект упрочнения обусловлен тем, что в результате взрывного нагружения в металле повышается плотность дефектов кристаллического строения, в основном дислокаций.
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, 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 стотысячное или даже миллионные доли секунды. Огромная скорость протекания процесса обуславливает 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 расширятся 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. 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 разряжение.
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. После отдачи энергии вода в этой зоне остается в спокойном состоянии.
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. В результате этого создаются условия для сосредоточения усилия в центральной части 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.
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 подходящие и незаменимы ввиду их неограниченной мощности при формообразовании больших 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 определенные преимущества имеет сосредоточенный заряд, который обеспечивает равномерную нагрузку на всей поверхности заготовки и наибольшую точность формообразования. С целью повышения безопасности формообразования имеет смысл применять пылеобразные ВВ.
Основные технологические параметры при гидровзрывном формообразовании
Режим и условия гидровзрывного формообразования определяют следующие основные параметры: вид ВВ, его масса, плотность, форма, расположение заряда над заготовкой, уровень жидкости над заготовкой, сила прижима заготовки и характер ее действия, диаметр рабочего бассейна, толщина заготовки. Важным параметром процесса служит масса ВВ. От ее правильного определения зависит как технико-экономическая эффективность, так и технологические возможности процесса. Для точного определения необходимого количества ВВ нужно учитывать все явления, связанные с расширением продуктов горения, распространения ударной волны в водной среде, дифракцией и отражением ударной волны, действием инерционных сил.