Из анализа следует, что использование бризантных взрывчатых веществ для формообразования трубчатых заготовок, особенно малого диаметра, по приведенным схемам холодной и горячей штамповки, в частности из-за высоких удельных давлений, оказывается затруднительным.

Рис. 4. Схемы взрывной штамповки с нагревом:

а – горячим песком;

б – пиротехническим составом.

Взрывная штамповка порохами может быть осуществлена только в закрытых емкостях. При этом энергия передается заготовке непосредственно, либо через промежуточную среду. Непосредственное воздействие давления пороховых газов применяют, в основном, для раздачи и калибровки полых деталей из заготовок цилиндрической, конической и бочкообразной формы [46]. Формоизменение осуществляется в разъемной матрице, причем заряд пороха, размещенный внутри полой заготовки, оказывается в замкнутом объеме, ограниченном ее стенками и заглушками, закрывающими оба торца матрицы.

Большое распространение получила и штамповка с использованием давления пороховых газов на листовую заготовку через передающую среду (воду, резину и др.) [47]. Наличие между зарядом пороха и листовой заготовкой упругой передающей среды способствует более равномерному распределению давления по заготовке в процессе формообразования и предохраняет поверхность металла от повреждения и загрязнения пороховыми газами.

Конструкция одной из установок для штамповки давлением, образующимся при сгорании порохового заряда, показана на рис. 5.

Установка состоит из двух основных частей – подвижной верхней и неподвижной нижней. В корпусе 1 верхней части установки находится камера, заполненная водой 3, над которой размещен пороховой заряд 2  в патроне. Матрица 8 с вытяжным кольцом 6 установлена в матрицедержателе 7 нижней части установки. Воздух из формующей полости матрицы удаляется с помощью системы вакуумирования 9. Между верхней и нижней частями установки находится уплотнительная прокладка 4. Давление газов, образующихся при сгорании пороха, передается через воду штампуемой заготовке 5, вызывая ее деформацию. Поскольку масса подвижной части установки значительно превышает массу штампуемой заготовки, процесс деформирования успевает закончится до начала перемещения корпуса 1 вверх под действием сил реакции. Как только верхняя часть установки начинает перемещаться, камера открывается, и давление в ней падает.

Рис. 5. Схема установки для штамповки давлением пороховых газов.

Наибольшее применение в отечественной промышленности получили установки на пороховом энергоносителе, называемые пресс-пушками (рис. 6) [48,169], малогабаритные устройства [134].

Рис. 6. Схема пресс-пушки на пороховом энергоносителе.

Установка работает следующим образом. При спуске ударного механизма 1 происходит накол капсюля-воспламенителя  порохового заряда 2, размещенного в патроннике 3 казенной части ствола и закрытого затвором 4. При достижении в патроннике определенного давления срезается чека 5 или освобождаются специальные фиксаторы, и снаряд 6 под действием давления пороховых газов с большой скоростью перемещается по гладкому стволу канала 7 и ударяет по жидкости 9, находящейся в переходнике 10, соединенном со стволом центрирующей муфтой 8. При этом кинетическая энергия движущегося снаряда сообщается жидкости, которая осуществляет деформирование заготовки 11 в матрице 12. С помощью различной технологической оснастки, присоединяемой к переходнику ствола, на пресс-пушке осуществляют операции раздачи и формообразования деталей из трубчатых цилиндрических и конических заготовок, штамповку-вытяжку деталей из плоских заготовок, калибровку, пробивку отверстий и многие другие листоштамповочные операции. На пресс-пушках возможна также и объемная штамповка.

По отношению к трубчатым деталям схема пресс-пушки является наиболее эффективной и используется автором для создания оборудования.

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ

ШТАМПОВКА

Наряду со штамповкой взрывом все большее применение находит штамповка высоковольтным электрическим разрядом в жидкости (электрогидравлическая, электроимпульсная штамповка).

Формование деталей электрогидравлическим способом характеризуется мощным кратковременным электрическим разрядом в жидкой среде, которая создает ударную волну, воздействующую на заготовку [25, 43, 49, 170÷181].

На рисунке 7 показана схема установки для электрогидравлической штамповки. Переменный ток трансформируется в ток более высокого напряжения, затем пропускается через выпрямитель 9 и попадает в так называемый разрядный контур, состоящий из конденсаторов 2 и рабочего искрового зазора между электродами 4, находящимися в резервуаре 5 с водой. Как только на конденсаторах достигается потенциал определенной величины, происходит пробой зазора в воздушном разряднике 3 и накопленная в конденсаторах электроэнергия очень быстро выделяется в виде искрового разряда в рабочем зазоре между электродами. Мощный искровой разряд подобен взрыву. В результате разряда в жидкости возникает ударная волна, которая, дойдя до заготовки 8, удерживаемой прижимным кольцом 6, оказывает на нее силовое воздействие и осуществляет деформирование заготовки по матрице 7. Если для полного деформирования заготовки одного импульса недостаточно, то рабочий цикл может быть повторен. Как и при штамповке взрывом, под заготовкой в полости матрицы создается вакуум. Электрогидравлическая штамповка применяется на многих операциях листовой штамповки для изготовления таких небольших и средних размеров (до 1000-1500 мм, толщиной до 3 мм) деталей, как различные элементы жесткости, окантовки, полупатрубки, законцовки, обечайки, обтекатели и т.д. Процесс отличается импульсным характером и высокой скоростью приложения нагрузки. Конденсаторы разряжаются в течение 40-50 мксек. и выделяют электроэнергию огромной мощности, исчисляемой миллионами джоулей в секунду; в рабочем промежутке разрядника возникают давления, равные сотням МПа; ударная волна, распространяющаяся в жидкости с высокой скоростью, несет в себе большую энергию, часть которой расходуется на полезную работу деформирования.

С точки зрения физической сущности силового воздействия на заготовку электрогидравлическая штамповка аналогична штамповке взрывом в воде. Изменять форму ударной волны в этом случае можно путем изменения взаимного расположения электродов и применения так называемой инициирующей проволочки, которая соединяет электроды в рабочем зазоре разрядника. В зависимости от того, применяется или не применяется инициирующая проволочка, электрогидравлическая штамповка разделяется на два способа [49÷50, 182÷184].

Рис. 7. Схема установки для электрогидравлической штамповки.

Если электроды соединены проволочкой [51], то при разряде компенсаторов вследствие большой мощности выделяемой энергии «взрывается» проволочка, по которой проходит ток в несколько тысяч ампер, и превращается в пар за время, исчисляемое микросекундами. При этом вдоль оси проволоки возникает газовый канал с огромным давлением, обуславливающим мгновенное расширение паров и возникновение мощной ударной волны, которая аналогична волне, возникающей при подрыве заряда линейной формы. Взрывающаяся проволочка дает возможность управлять направлением и формой ударной волны. Применение инициаторов разряда в виде проволочки (из алюминия, вольфрама, танталя, плотия и других металлов) позволяет, кроме того, в несколько раз уменьшить рабочие напряжения [52]. Но следует заметить, что подключение проволочки к электродам удлиняет рабочий цикл.

При изготовлении деталей из листовых материалов получили распространение прессы для электрогидравлической штамповки, разработанные НИАТ [53]. На рисунке 8 представлены прессы и установки различной мощности, наиболее широко используемые в авиационной промышленности.

С целью дальнейшей интенсификации процесса электрогидравлической штамповки [54] проведены работы по штамповке с нагревом. На рисунке 9 представлена схема технологического блока пресса ПЭГ – 60 модернизированного для штамповки с нагревом [Р5]. разрядная камера 1 с установленным электродом 2 отделена от заготовки 9 резиновой диафрагмой 3, прижимным кольцом 13 с вмонтированным в него теплоизоляционным слоем 4 и теплоизоляционной прокладкой 14. Матрица 7, установленная на столе пресса 8, имеет съемное кольцо 12, в котором смонтирована спираль для нагрева 10, изолируемая от корпуса матрицы кольцом 6.

Съемное кольцо с целью исключения теплопотерь защищено теплоизоляционным слоем 5, помещенным в кожухе 11. Проведенная работа по штамповке с нагревом, особенно таких титановых труднодеформируемых сплавов как ВТ – 20, показана большие возможности расширения области использования электрогидравлической штамповки.

Требования к технологической оснастке при электрогидравлической штамповке примерно такие же, как и при штамповке взрывом. Для крупносерийного производства или для штамповки деталей с калибровкой, матрицы и другие элементы установок должны быть выполнены из прочных сталей. Для опытного и мелкосерийного производства можно применять более дешевые и легко обрабатываемые материалы.

Главными недостатками электрогидроимпульсной штамповки являются ограниченная энергоемкость установки, невысокая стойкость электродов, большое рассеивание энергии ударной волны.

Рис. 8. Прессы и установки для электрогидравлической штамповки листовых деталей летательных аппаратов и их двигателей.

Рис. 9. Схема технологического блока пресса ПЭГ – 60, модернизированного для электрогидравлической штамповки с нагревом.

Электросхема установок для электромагнитной штамповки аналогична электросхеме установок для электрогидравлической штамповки, однако, принцип преобразования электрической энергии, накопленной в конденсаторах, в необходимую для штамповки механическую энергию отличается. Электромагнитная штамповка основана на преобразовании электрической энергии в механическую за счет импульсного разряда конденсаторов через соленоид, вокруг которого при этом возникает магнитное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой или листовой токопроводящее заготовке. взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает механические силы, которые производят деформирование заготовки по пуансону или матрице. На рис. 10 – 13 приведены схемы формоизменения с помощью импульсных магнитных полей [43, 56÷65, 185÷191].

Рис. 10. Основные схемы магнитно-импульсного формоизменения.

Рис. 11. Концентрация магнитного потока в двух зонах АА круглой заготовки:

1 – индуктор;

2 – конденсатор;

3 – заготовка.

Применяемые для электромагнитной штамповки установки приспособлены, главным образом, для деформирования трубчатых заготовок и изготовления различных соединений труб, однако главным недостатком электромагнитной штамповки является низкая стойкость индукторов. Из проведенного анализа в области динамических высокоскоростных процессов с применением разных энергоносителей видно, что использование пороховых установок для формообразования деталей из листовых заготовок и труб является одним из важных направлений в области машиностроения.

Рис. 12. Раздача трубчатой заготовки путем импульсного пропускания тока:

1 – заготовка; 2 – токопроводящий стержень; 3 –изоляция.

Рис. 13. Принципиальная схема магнитно-импульсной штамповки через промежуточную среду (воду): 1 – корпус; 2 – индуктор; 3 – поршень; 4 – вода; 5 – заготовка; 6 – матрица.

АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

В процессе формообразования деталей из трубчатых заготовок, материал последних испытывает напряженно-деформированное состояние, которое может приближаться к критическому. Для ведения процессов необходим предварительный анализ теоретических расчетов с целью подборки эффективного метода.

В последнее время в строительной механике пластинок и оболочек находит широкое применение для расчетов напряженно-деформированного состояния метод конечных элементов (МКЭ), сводящийся к аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободы совокупностью подобластей или элементов, имеющих конечное число степеней свободы [66]. В качестве элементов для плоских заготовок применяют треугольники, а для пространственных тетраэдры. В осесимметричных оболочках вращения конечными элементами могут быть части оболочки, образованные из исходной сечениями, перпендикулярными к ее оси вращения.

Внутри каждого элемента задаются функции формы, позволяющие определить перемещения точек элемента по перемещениям в узлах. За координатные функции принимаются функции, тождественно равные нулю, всюду, кроме одного конечного элемента, внутри которого они совпадают с функциями формы. В качестве неизвестных коэффициентов метода Ритца (МКЭ часто трактуется как метод Ритца) берутся узловые перемещения. После минимизации функционала энергии получается алгебраическая система уравнений (основная система), которая может быть решена методами вычислительной математики на ЭВМ.

Расчету больших динамических упругопластических деформаций типа балок и колец методом конечных элементов с учетом упрочнения и зависимости характеристик материала от скорости деформации посвящены работы [66, 68].

Проблемам пластического течения тонколистового металла при импульсном формообразовании посвящены работы [69÷71]. В этих работах рассматриваются процессы импульсного формообразования тонколистовой заготовки в круглое вытяжное окно матрицы; соотношения между скоростями движения заготовки, деформациями и перемещениями; между скоростями пластических волн изгиба и растяжения, определено их равенство. Дан способ оценки критической скорости удара, превышение которой приводит к вырубке металла вместо формообразования. Процессы деформирования заготовок описываются системой дифференциальных уравнений.

Большое количество работ посвящено теоретическим вопросам геометрически нелинейной теории упругости в применении к тонким осесимметричным оболочкам [72÷85].

Методы решения физически нелинейных задач теории пластичности и общие вопросы теории пластичности рассмотрены в работах [66, 86÷114].

Инженерные методы исследования ударных процессов, динамика сооружений, расчет их на действие кратковременных сил, колебания деформируемых систем представлены в работах [115÷121].

В монографии [122] учитывается геометрическая нелинейность при решении задач механики сплошных сред методом конечных элементов без учета физической нелинейности и в статической постановке.

Методы решения систем алгебраических уравнений, к которым сводятся задачи, описываемые конечно-элементными моделями в линейной постановке, предложены в работах [123, 124].

Вопросы динамической штамповки местных отбортовок и законцовок на трубах большой длины импульсным методом рассмотрены в работе [125].

Алгоритм расчета динамического поведения плоской заготовки с учетом различных граничных условий, а также представлением материала заготовки упругопластическим с деформационным упрочнением в зависимости от скорости деформации, предлагается в исследованиях [126].

В работе [127] разработан общий вид уравнений связи напряжений и деформаций в материале при одноосном напряженном состоянии с учетом влияния скорости деформации и истории предшествующего нагружения. Здесь же используются квазистатические экспериментальные результаты о механическом поведении материала для описания высокоскоростного нагружения.

В работах [128÷132] учтены физическая и геометрическая нелинейности при решении задачи импульсного упругопластического деформирования плоской заготовки методом конечных элементов. Здесь же учитываются и другие факторы нагружения и поведения металла при динамическом воздействии: утонение, произвольная диаграмма напряжений-деформаций, инерционные силы, сложность нагружения, начальные деформации и напряжения.

Однако в последних работах решения получены только для деталей из плоских заготовок. При формировании заготовок из труб задача усложняется, так как необходимо применять другие конечные элементы, требуется более простой учет физической нелинейности для улучшения сходимости физически нелинейного решения, изменяются граничные и начальные условия.

В работе  [133] с точки зрения механики деформируемого твердого тела рассмотрена безмоментная цилиндрическая оболочка. Траектория деформирования, построенная в двумерном пространстве А.А.Ильюшина, сохраняет квазилинейный характер до интенсивностей деформацией порядка 25%. Затем траектории искривляются, что указывает на необходимость корректировки определяющих соотношений. В той же работе отмечается, что в меньшей степени исследованы постановки и решения задач при нестационарном (с изменением характеристики процесса в точках Эйлерова пространства) конечном формоизменении с учетом упрочнения материала. В работе применен метод конечных элементов.

Страницы: 1, 2, 3, 4