ВВЕДЕНИЕ
В решении задачтехнического перевооружения народного хозяйства на основе широкого внедрения впроизводство новейших достижений науки и техники, что должно привести кувеличению объема выпуска продукции, повышению ее качества и эксплуатационной надежности,снижению себестоимости [1]. Важное место принадлежит внедрению малооперационныхи безотходных технологических процессов, применению многофункциональных машин иоборудования, переналаживаемых при изменении технологических процессов,позволяющих создавать гибкие автоматизированные производства [2].
В современныхконструкциях летательных аппаратов и двигателей широкое применение нашлилистовые и трубчатые детали из сталей и сплавов. Их основными характеристикамиявляются высокие прочностные, жаропрочные и антикоррозионные свойства. Сложнаяформа и высокие требования к точности изготовляемых изделий, а также пониженнаяпластичность, ставят перед специалистами в области штамповки ряд проблем посозданию принципиально новых технологических процессов и оборудования.
В отечественной изарубежной промышленности все шире применяют методы листовой штамповки,основанные на использовании энергии взрыва бризантных веществ, пороха ивзрывчатых газовых смесей, электрических разрядов в жидкости, импульсногоэлектромагнитного поля и других импульсных энергоносителей, которые относятся кчислу новых и основных методов совершенствования технологических процессовзаготовительно-штамповочных цехов в производстве летательных аппаратов и ихдвигателей.
В становление и развитиетаких методов большой вклад внесли отечественные ученые Я.Б.Зельдович,Р.В.Пихтовников, Ю.Н.Алексеев, О.Д.Антоненков, М.А.Анучин, К.Н.Богоявленский,В.К.Борисевич, М.Н.Горбунов, В.И.Завьялова, В.Г.Кононенко, В.М.Кудинов,М.А.Лаврентьев, В.Т.Мещерин, Ю.А.Навагин, И.А.Норицин, Е.А.Попов, С.М.Поляк,И.П.Ренне, О.В.Роман, В.Г.Степанов, А.Д.Томленов и зарубежные Дж.Райнхарт,Дж.Пирсон, Р.Коул, П.В.Бриджмен, В.Джонсон, Г.Хадсон, Р.Кечч.
Высокоскоростнаяобработка металлов с использованием импульсных нагрузок получает все большеераспространение в области листовой штамповки и штамповки тонкостенных деталейиз труб благодаря ряду основных преимуществ высокоскоростного деформирования:отсутствие пружинения при обработке большинства труднодеформируемых материалов;увеличение предела прочности некоторых металлов почти на 50% и увеличениепредела текучести ряда сталей при сжатии почти на 300%; повышенное упрочнениепо сравнению с холодной прокаткой при одинаковой степени деформации; повышеннаяточность изготовления деталей, которые экономически не выгодно или физическиневозможно формовать другими методами.
Отличительной чертойвысокоскоростных способов штамповки является также то, что при их примененииотпадает надобность в прессовом оборудовании, которое необходимо приосуществлении любых способов штамповки. В качестве технологической оснасткиздесь необходима лишь матрица или пуансон, а роль ответной части штампа, вчастности, играет передающая среда, в которой производится взрыв и черезкоторую энергия взрыва в виде ударной волны воздействует на заготовку,деформируя ее по форме инструмента (пуансона или матрицы). Такойтехнологический процесс универсален и для него не требуется длительнаяподготовка производства, поэтому высокоскоростные высокоэнергетические способыприменяются для штамповки деталей, изготовление которых другими методами приопытном и мелкосерийном производстве нецелесообразно.
В производствесовременных газотурбинных двигателей до 15% от общей трудоемкости изготовлениядвигателя занимает изготовление деталей из трубчатых заготовок. Кроме того,одним из важнейших параметров надежности двигателя является надежность работытрубопроводных систем, и, прежде всего, обеспечение надежного соединениятрубопроводов.
Соответствующие методыизготовления трубчатых деталей и соединений трубопроводов, особенно в связи сприменением новых высокопрочных труднодеформируемых сталей и сплавов, имеютсущественные недостатки, связанные с экспериментальной обработкой параметровформообразования из-за возможного разрушения заготовки в процессе деформирования,а также с наличием большого объема ручных доводочных работ.
Поэтому весьма актуальнымявляется создание технологических процессов и оборудования, исключающихимеющиеся недостатки.
ХАРАКТЕРИСТИКАВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Все способы штамповкивзрывом можно разделить на две группы. К первой группе относятся те способы,при которых заряд взрывчатого вещества (ВВ) располагается на расстоянии отзаготовки. При таких бесконтактных операциях энергия заряда выделяется нанекотором расстоянии от обрабатываемой детали и распространяется преимущественнов виде импульса давления через промежуточную среду. Максимальные удельные давленияна деталь достигают значений (102÷104) МПа, причембольшинство технологических операций выполняются при нижнем пределе давлений.Рабочее время обычно измеряется миллисекундами, а скорости перемещения металладесятками метров в секунду. Разгон и последующая деформация заготовки определяютсяглавным образом внешними силами. Волны напряжений и деформаций в металле вэтом случае весьма незначительны или совсем отсутствуют. Формообразованиесвязано, в основном, с действием волны давления.
Ко второй группеотносятся так называемые контактные способы штамповки, при которых заряд ВВрасполагается непосредственно на поверхности заготовки. Давления, действующие вэтом случае на поверхность заготовки, достигают 105 МПа, а рабочеевремя измеряется микросекундами. Величина импульса давления зависит отсоотношения размеров заряда и заготовки и взаимного из расположения. Прибольшинстве контактных операций в заготовке возникают неустановившиеся волнынапряжений высокой интенсивности, которые распространяются в металле.Формообразование металла при таких операциях связано как с непосредственным воздействиемприложенных нагрузок, так и с последующим воздействием вторичных волн напряжений.
В качестве источникаэнергии пери штамповке взрывом используются: детонирующие (бризантные)взрывчатые вещества – тротил порошкообразный и литой, аммоний порошкообразный ипрессованный, тринитролезол, тетрил, пентолит и жидкие ВВ; пороха — пироксилиновые, нитроглицериновые, дымные.
Бризантные ВВ отличаютсябольшой удельной концентрацией энергии и большими скоростями детонации до 7000м/сек. [3], поэтому превращение вещества в газообразные продукты и исчисляетсямикросекундами; давления же у поверхности заряда могут доходить до 2 ∙ 105МПа.
Пороха относятся кгорящим взрывчатым веществам: горение распространяется со скоростью 1-3 м/сек.Образующиеся при сгорании пороха газы, расширяясь, оказывают давление напередающую среду или непосредственно на заготовку, производя полезную работудеформирования.
Наибольшее применение внастоящее время получила штамповка взрывом с использованием воды в качествесреды, передающей давление от заряда ВВ к заготовке (гидровзрывная штамповка).
Известно несколькоспособов (схем) гидровзрывной штамповки. Традиционная схема штамповки показанана рисунке 1-а [3]. Штампуемую листовую заготовку 1 укладывают на матрицу 6 иприжимают к ее фланцу с помощью прижимного кольца 5. на определенном расстояниинад заготовкой и установленным над ней зарядом опускают в бассейн 3 с водой 4.часть энергии, высвобождаемой под действием высокого давления деформируется,принимая форму матрицы. Для того чтобы воздух не препятствовал перемещениюзаготовки, происходящему с большой скоростью, что могло бы отразиться накачестве готовой детали, рабочую полость матрицы под заготовкой вакууммируют спомощью вакуумной системы 7.
Возможны дверазновидности способа штамповки взрывом в бассейне. В первом случае площадьзеркала бассейна практически равна площади заготовки, благодаря чему всяэнергия ударной волны используется для формирования заготовки. Во втором случаеплощадь зеркала бассейна значительно превышает площадь заготовки, и заготовка всвоем формоизменении как бы нагружается дважды: сначала прямой ударной волной,а после – отраженной от стенок бассейна.
При формообразовании –раздаче трубчатых заготовок (рис. 1-б) воду заливают непосредственно внутрьзаготовки, куда помещают затем также и заряд ВВ.
Для изготовлениянебольших партий деталей часто вместо стационарного бассейна используют разовыеемкости с водой, разрушаемые при взрыве (рис. 1-в). Такую емкость,изготовленную из картона или тонколистового металла, устанавливают непосредственнона матрицу и заполняют водой, в которой и осуществляют взрыв заряда ВВ.
Если детали типа днищпросты по форме и не требуют высокой точности изготовления, то вместо матрицыиногда применяют упрощенную оснастку, состоящую из вытяжного и прижимного колец(рис. 1-г), между которыми размещают штампуемую заготовку. возникающий приподрыве заряда импульс давления большой интенсивности распространяется вжидкости с высокой скоростью и воздействует на заготовку. В районе расположениязаряда образуется газовый пузырь, который, пульсируя (расширяясь и сжимаясь),вызывает дополнительные импульсы давлении; величина последних меньше основногоимпульса давления. Во время пульсации газовый пузырь перемещается поверхностижидкости, а оставшаяся энергия пузыря выделяется в атмосферу. Это явление сопровождаетсявыплеском жидкости. По данным Коула [4], при подрыве заряда ВВ примерно 60%выделившейся энергии приходится на основной импульс давления, 25% — на первыеколебания газового пузыря и остальные 15% — на последующие. Приведенные величинымогут изменяться в зависимости от размера заряда и типа ВВ. однако энергия,которая преобразуется в механическую работу деформации, находится в зависимостиот размера заряда и типа ВВ. Однако энергия, которая преобразуется вмеханическую работу деформации, находится в зависимости от взаиморасположениязаготовки, заряда и поверхности жидкости, так как газовый пузырь для каждогозаряда имеет вполне определенные размеры. проведенные исследования показали,что при размещении заготовки на расстоянии меньше радиуса газового пузыря можнодобиться увеличения энергии формообразования на 60 – 80%.
При подрыве заряда наотносительно небольшой глубине газовый пузырь разбивается о поверхностьжидкости. Образующиеся при этом отраженные ударные волны ослабляют импульсдавления, идущий к заготовке. Поэтому глубину погружения заряда применяютбольше максимального радиуса газового пузыря, который соответствует первомупериоду колебаний.
Штамповка взрывомпроизводится в специальных установках [3÷21,24], представляющих собойподземные или наземные бассейны, оборудованные подъемно-транспортнымисредствами, вакуумными установками и соответствующей аппаратурой управления иконтроля. Стенки бассейнов (вертикальные и наклонные) бетонируют и облицовываютлистовой сталью.
Стенки и дно бассейновизолированы энергопоглощающими средами для предотвращения распространенияударной волны на фундаменты близко расположенных зданий [19,21÷24]. Втаких бассейнах можно штамповать детали диаметром в несколько метров.
В открытых бассейнахзаготовка деформируется со скоростью до 30 – 50 м/сек., а в зонах прилегания ккромкам матрицы местные скорости деформирования могут достигать 100 – 150м/сек. [4]
Высокие скоростидеформирования и удельные давления обеспечивают получение точных, фактическиоткалиброванных деталей, что снижает до 60% объем трудоемких ручных доводочныхработ.
/>
/>
Рис.1. Основные схемы штамповки взрывом бризантных ВВ:
а –гидровзрывная штамповка в стационарном бассейне;
б — гидровзрывная штамповка детали из трубчатой заготовки;
в — гидровзрывная штамповка в съемном бассейне (разовой емкости);
г — гидровзрывная штамповка на упрощенной оснастке.
В ряде случаев приизготовлении крупногабаритных деталей обычными способами из-за недостаточноймощности применяемого оборудования или сложной конструктивной формы детальрасчленяется на отдельные заготовки, которые после формообразования подгоняютсяи свариваются, образуя замкнутый контур.
Взрывной штамповкой [25]избегается расчленение, так как взрывчатое вещество заменяет всю энергетическуюсистему, создает более высокие давления, действующие на практическинеограниченную площадь обрабатываемого изделия. Благодаря этому резко снижаютсязатраты на капитальное оборудование и доводочные работы.
Одним из преимуществвзрывной штамповки является сокращение цикла технологической подготовкипроизводства в 3 — 5 раз при освоении новых изделий или случае мелкосерийногопроизводства за счет применения дешевой, с небольшой трудоемкостью изготовления,оснастки [3,6÷8, 17÷22, 26÷40, 164÷167].
С помощью гидровзрывнойштамповки можно осуществлять и формообразование нагретого металла. Схема однойиз установок [41], предназначенных для этих целей, показана на рис. 2.
Матрица, состоящая из 2-хполовин 1, размещена в корпусе 2. заготовку прижимают в матрице с помощьюкольца 4 и клинового устройства 10. воду 7 наливают в резиновый мешок 8, междустенками которого и пиротехническим составом 11 укладывают асбест 9. заряд 6,смонтированный из листового и шнурового ВВ, повторяет форму заготовки. Шнур 5используют для воспламенения пиротехнического состава, с помощью которогонагревают заготовку. По этой схеме штампуют детали из молибденового сплава.
Штамповка предварительнонагретых заготовок осуществима также в установках, использующих схему «метанияводы», при которой заготовка перед штамповкой отделена от воды воздушнымзазором [42]. При этом заготовку можно нагревать либо непосредственно вустановке электроконтактным способом, либо в нагревательном устройстве споследующей подачей в установку.
/>
Рис. 2. Схемаустановки для гидровзрывной штамповки с нагревом.
При штамповке деталейнезамкнутого контура, а также при штамповке труднодеформируемых металлов снагревом в некоторых случаях в качестве среды, передающей давление от заряда ВВк заготовке, применяют песок [43, 168]. Возможные схемы процесса указаны нарис. 3.
В матрицу 4 с уложеннойна нее заготовкой 1 засыпают песок 3, в котором осуществляют взрыв заряда ВВ 2(рис. 3-а). Согласно другим схемам требуемую форму деталей получают штамповкойпо пуансону 5, причем заготовка может быть как плоской (рис. 3-б), так ипредварительно сваренной в виде конструкции сложной формы (рис. 3-в).
Песок обычно засыпают вразрушаемую (разовую) емкость, причем засыпку песка осуществляют до высотырасположения заряда ВВ. После этого устанавливают заряд и продолжают заполнятьемкость песком поверх заряда. Песок для штамповки должен обладать мелкойоднородной структурой. При штамповке без нагрева деталей применяют увлажненныйпесок. Свойства песка, его плотность, влажность и размер зерен непосредственновлияют на силовые параметры процесса штамповки.
/>
Рис.3. Схемы штамповки взрывом в песке:
а –штамповка в матрице;
б –штамповка деталей из плоской заготовки по пуансону;
в –штамповка деталей сложной формы из заготовки – конические трубы.
На рисунке 4-а [44]показана схема установки для штамповки вольфрамовой заготовки 3, нагретойгорячим песком 8, одновременно служащим и передающей средой. Песокпредварительно нагревают в печи, а затем насыпают на заготовку, закрепленную вштампе 1-2. штамп также предварительно нагревают в печи или горелками. Для тогочтобы штамп быстро не остывал, его помещают в контейнер 9 с горячим песком. Нагорячий песок, расположенный над заготовкой, укладывают асбестовый круг 4, накоторый затем устанавливают заряд ВВ 7, снабженный электродетонатором, послечего в емкость засыпают холодный песок 6.
Эффективна взрывнаяштамповка, сочетаемая с нагревом заготовки с помощью нанесенного на ееповерхность порошкообразного пиротехнического состава, размещенного в 2-хпроцентном растворе нитропленки [45]. Нанесенный на заготовку пиротехническийсостав поджигают огнепроводным шнуром или электровоспламенителем, после чегочерез определенный промежуток времени взрывается заряд ВВ. На рисунке 4-б показанасхема взрывной штамповки вольфрамовой заготовки 1, нагреваемой пиротехническимсоставом 2 с использованием в качестве передающей среды песка 4, насыпаемогоповерх асбестовой прокладки 3. Температура нагрева заготовки через 25 секундпосле воспламенения пиротехнического состава достигает 940 — 1000° С.Поверхности деталей после штамповки практически не имели следов окисления.
Из анализа следует, чтоиспользование бризантных взрывчатых веществ для формообразования трубчатыхзаготовок, особенно малого диаметра, по приведенным схемам холодной и горячейштамповки, в частности из-за высоких удельных давлений, оказывается затруднительным.
/>
Рис.4. Схемы взрывной штамповки с нагревом:
а –горячим песком;
б –пиротехническим составом.
Взрывная штамповкапорохами может быть осуществлена только в закрытых емкостях. При этом энергияпередается заготовке непосредственно, либо через промежуточную среду.Непосредственное воздействие давления пороховых газов применяют, в основном,для раздачи и калибровки полых деталей из заготовок цилиндрической, коническойи бочкообразной формы [46]. Формоизменение осуществляется в разъемной матрице,причем заряд пороха, размещенный внутри полой заготовки, оказывается в замкнутомобъеме, ограниченном ее стенками и заглушками, закрывающими оба торца матрицы.
Большое распространениеполучила и штамповка с использованием давления пороховых газов на листовуюзаготовку через передающую среду (воду, резину и др.) [47]. Наличие междузарядом пороха и листовой заготовкой упругой передающей среды способствуетболее равномерному распределению давления по заготовке в процессе формообразованияи предохраняет поверхность металла от повреждения и загрязнения пороховымигазами.
Конструкция одной изустановок для штамповки давлением, образующимся при сгорании порохового заряда,показана на рис. 5.
Установка состоит из двухосновных частей – подвижной верхней и неподвижной нижней. В корпусе 1 верхнейчасти установки находится камера, заполненная водой 3, над которой размещенпороховой заряд 2 в патроне. Матрица 8 с вытяжным кольцом 6 установлена вматрицедержателе 7 нижней части установки. Воздух из формующей полости матрицыудаляется с помощью системы вакуумирования 9. Между верхней и нижней частямиустановки находится уплотнительная прокладка 4. Давление газов, образующихсяпри сгорании пороха, передается через воду штампуемой заготовке 5, вызывая ее деформацию.Поскольку масса подвижной части установки значительно превышает массуштампуемой заготовки, процесс деформирования успевает закончится до началаперемещения корпуса 1 вверх под действием сил реакции. Как только верхняя частьустановки начинает перемещаться, камера открывается, и давление в ней падает.
/>
Рис. 5. Схемаустановки для штамповки давлением пороховых газов.
Наибольшее применение вотечественной промышленности получили установки на пороховом энергоносителе,называемые пресс-пушками (рис. 6) [48,169], малогабаритные устройства [134].
/>
Рис. 6. Схемапресс-пушки на пороховом энергоносителе.
Установка работаетследующим образом. При спуске ударного механизма 1 происходит наколкапсюля-воспламенителя порохового заряда 2, размещенного в патроннике 3казенной части ствола и закрытого затвором 4. При достижении в патроннике определенногодавления срезается чека 5 или освобождаются специальные фиксаторы, и снаряд 6под действием давления пороховых газов с большой скоростью перемещается по гладкомустволу канала 7 и ударяет по жидкости 9, находящейся в переходнике 10, соединенномсо стволом центрирующей муфтой 8. При этом кинетическая энергия движущегосяснаряда сообщается жидкости, которая осуществляет деформирование заготовки 11 вматрице 12. С помощью различной технологической оснастки, присоединяемой к переходникуствола, на пресс-пушке осуществляют операции раздачи и формообразования деталейиз трубчатых цилиндрических и конических заготовок, штамповку-вытяжку деталейиз плоских заготовок, калибровку, пробивку отверстий и многие другие листоштамповочныеоперации. На пресс-пушках возможна также и объемная штамповка.
По отношению к трубчатымдеталям схема пресс-пушки является наиболее эффективной и используется авторомдля создания оборудования.
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
ШТАМПОВКА
Наряду со штамповкойвзрывом все большее применение находит штамповка высоковольтным электрическимразрядом в жидкости (электрогидравлическая, электроимпульсная штамповка).
Формование деталейэлектрогидравлическим способом характеризуется мощным кратковременнымэлектрическим разрядом в жидкой среде, которая создает ударную волну,воздействующую на заготовку [25, 43, 49, 170÷181].
На рисунке 7 показанасхема установки для электрогидравлической штамповки. Переменный токтрансформируется в ток более высокого напряжения, затем пропускается черезвыпрямитель 9 и попадает в так называемый разрядный контур, состоящий изконденсаторов 2 и рабочего искрового зазора между электродами 4, находящимися врезервуаре 5 с водой. Как только на конденсаторах достигается потенциалопределенной величины, происходит пробой зазора в воздушном разряднике 3 инакопленная в конденсаторах электроэнергия очень быстро выделяется в видеискрового разряда в рабочем зазоре между электродами. Мощный искровой разрядподобен взрыву. В результате разряда в жидкости возникает ударная волна, которая,дойдя до заготовки 8, удерживаемой прижимным кольцом 6, оказывает на неесиловое воздействие и осуществляет деформирование заготовки по матрице 7. Еслидля полного деформирования заготовки одного импульса недостаточно, то рабочийцикл может быть повторен. Как и при штамповке взрывом, под заготовкой в полостиматрицы создается вакуум. Электрогидравлическая штамповка применяется на многихоперациях листовой штамповки для изготовления таких небольших и среднихразмеров (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 приложениянагрузки. Конденсаторы разряжаются в течение 40-50 мксек. и выделяют электроэнергиюогромной мощности, исчисляемой миллионами джоулей в секунду; в рабочемпромежутке разрядника возникают давления, равные сотням МПа; ударная волна, распространяющаясяв жидкости с высокой скоростью, несет в себе большую энергию, часть которойрасходуется на полезную работу деформирования.
С точки зрения физическойсущности силового воздействия на заготовку электрогидравлическая штамповкааналогична штамповке взрывом в воде. Изменять форму ударной волны в этом случаеможно путем изменения взаимного расположения электродов и применения такназываемой инициирующей проволочки, которая соединяет электроды в рабочемзазоре разрядника. В зависимости от того, применяется или не применяетсяинициирующая проволочка, электрогидравлическая штамповка разделяется на два способа[49÷50, 182÷184].
/>
Рис. 7. Схемаустановки для электрогидравлической штамповки.
Если электроды соединеныпроволочкой [51], то при разряде компенсаторов вследствие большой мощностивыделяемой энергии «взрывается» проволочка, по которой проходит ток в несколькотысяч ампер, и превращается в пар за время, исчисляемое микросекундами. Приэтом вдоль оси проволоки возникает газовый канал с огромным давлением,обуславливающим мгновенное расширение паров и возникновение мощной ударнойволны, которая аналогична волне, возникающей при подрыве заряда линейной формы.Взрывающаяся проволочка дает возможность управлять направлением и формойударной волны. Применение инициаторов разряда в виде проволочки (из алюминия,вольфрама, танталя, плотия и других металлов) позволяет, кроме того, в несколькораз уменьшить рабочие напряжения [52]. Но следует заметить, что подключениепроволочки к электродам удлиняет рабочий цикл.
При изготовлении деталейиз листовых материалов получили распространение прессы дляэлектрогидравлической штамповки, разработанные НИАТ [53]. На рисунке 8представлены прессы и установки различной мощности, наиболее широкоиспользуемые в авиационной промышленности.
С целью дальнейшейинтенсификации процесса электрогидравлической штамповки [54] проведены работыпо штамповке с нагревом. На рисунке 9 представлена схема технологического блокапресса ПЭГ – 60 модернизированного для штамповки с нагревом [Р5]. разряднаякамера 1 с установленным электродом 2 отделена от заготовки 9 резиновойдиафрагмой 3, прижимным кольцом 13 с вмонтированным в него теплоизоляционнымслоем 4 и теплоизоляционной прокладкой 14. Матрица 7, установленная на столепресса 8, имеет съемное кольцо 12, в котором смонтирована спираль для нагрева10, изолируемая от корпуса матрицы кольцом 6.
Съемное кольцо с целью исключениятеплопотерь защищено теплоизоляционным слоем 5, помещенным в кожухе 11.Проведенная работа по штамповке с нагревом, особенно таких титановыхтруднодеформируемых сплавов как ВТ – 20, показана большие возможностирасширения области использования электрогидравлической штамповки.
Требования ктехнологической оснастке при электрогидравлической штамповке примерно такие же,как и при штамповке взрывом. Для крупносерийного производства или для штамповкидеталей с калибровкой, матрицы и другие элементы установок должны бытьвыполнены из прочных сталей. Для опытного и мелкосерийного производства можноприменять более дешевые и легко обрабатываемые материалы.
Главными недостаткамиэлектрогидроимпульсной штамповки являются ограниченная энергоемкость установки,невысокая стойкость электродов, большое рассеивание энергии ударной волны.
/>
Рис. 8. Прессы иустановки для электрогидравлической штамповки листовых деталей летательныхаппаратов и их двигателей.
/>
Рис. 9. Схематехнологического блока пресса ПЭГ – 60, модернизированного для электрогидравлическойштамповки с нагревом.
Электросхема установокдля электромагнитной штамповки аналогична электросхеме установок дляэлектрогидравлической штамповки, однако, принцип преобразования электрическойэнергии, накопленной в конденсаторах, в необходимую для штамповки механическуюэнергию отличается. Электромагнитная штамповка основана на преобразованииэлектрической энергии в механическую за счет импульсного разряда конденсаторовчерез соленоид, вокруг которого при этом возникает магнитное поле высокоймощности, наводящее вихревые токи в трубчатой или листовой токопроводящеезаготовке. взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает механическиесилы, которые производят деформирование заготовки по пуансону или матрице. Нарис. 10 – 13 приведены схемы формоизменения с помощью импульсных магнитныхполей [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 дляэлектромагнитной штамповки установки приспособлены, главным образом, длядеформирования трубчатых заготовок и изготовления различных соединений труб,однако главным недостатком электромагнитной штамповки является низкая стойкостьиндукторов. Из проведенного анализа в области динамических высокоскоростныхпроцессов с применением разных энергоносителей видно, что использование пороховыхустановок для формообразования деталей из листовых заготовок и труб являетсяодним 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 схемамагнитно-импульсной штамповки через промежуточную среду (воду): 1 – корпус; 2 –индуктор; 3 – поршень; 4 – вода; 5 – заготовка; 6 – матрица.
АНАЛИЗТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
В процессеформообразования деталей из трубчатых заготовок, материал последних испытываетнапряженно-деформированное состояние, которое может приближаться ккритическому. Для ведения процессов необходим предварительный анализтеоретических расчетов с целью подборки эффективного метода.
В последнее время встроительной механике пластинок и оболочек находит широкое применение длярасчетов напряженно-деформированного состояния метод конечных элементов (МКЭ),сводящийся к аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободысовокупностью подобластей или элементов, имеющих конечное число степенейсвободы [66]. В качестве элементов для плоских заготовок применяют треугольники,а для пространственных тетраэдры. В осесимметричных оболочках вращения конечнымиэлементами могут быть части оболочки, образованные из исходной сечениями,перпендикулярными к ее оси вращения.
Внутри каждого элементазадаются функции формы, позволяющие определить перемещения точек элемента поперемещениям в узлах. За координатные функции принимаются функции, тождественноравные нулю, всюду, кроме одного конечного элемента, внутри которого онисовпадают с функциями формы. В качестве неизвестных коэффициентов метода Ритца(МКЭ часто трактуется как метод Ритца) берутся узловые перемещения. После минимизациифункционала энергии получается алгебраическая система уравнений (основнаясистема), которая может быть решена методами вычислительной математики на ЭВМ.
Расчету большихдинамических упругопластических деформаций типа балок и колец методом конечныхэлементов с учетом упрочнения и зависимости характеристик материала от скоростидеформации посвящены работы [66, 68].
Проблемам пластическоготечения тонколистового металла при импульсном формообразовании посвящены работы[69÷71]. В этих работах рассматриваются процессы импульсногоформообразования тонколистовой заготовки в круглое вытяжное окно матрицы; соотношениямежду скоростями движения заготовки, деформациями и перемещениями; междускоростями пластических волн изгиба и растяжения, определено их равенство. Данспособ оценки критической скорости удара, превышение которой приводит к вырубкеметалла вместо формообразования. Процессы деформирования заготовок описываютсясистемой дифференциальных уравнений.
Большое количество работпосвящено теоретическим вопросам геометрически нелинейной теории упругости вприменении к тонким осесимметричным оболочкам [72÷85].
Методы решения физическинелинейных задач теории пластичности и общие вопросы теории пластичностирассмотрены в работах [66, 86÷114].
Инженерные методыисследования ударных процессов, динамика сооружений, расчет их на действиекратковременных сил, колебания деформируемых систем представлены в работах[115÷121].
В монографии [122]учитывается геометрическая нелинейность при решении задач механики сплошныхсред методом конечных элементов без учета физической нелинейности и встатической постановке.
Методы решения системалгебраических уравнений, к которым сводятся задачи, описываемыеконечно-элементными моделями в линейной постановке, предложены в работах [123,124].
Вопросы динамическойштамповки местных отбортовок и законцовок на трубах большой длины импульснымметодом рассмотрены в работе [125].
Алгоритм расчетадинамического поведения плоской заготовки с учетом различных граничных условий,а также представлением материала заготовки упругопластическим с деформационнымупрочнением в зависимости от скорости деформации, предлагается в исследованиях[126].
В работе [127] разработанобщий вид уравнений связи напряжений и деформаций в материале при одноосномнапряженном состоянии с учетом влияния скорости деформации и историипредшествующего нагружения. Здесь же используются квазистатическиеэкспериментальные результаты о механическом поведении материала для описаниявысокоскоростного нагружения.
В работах [128÷132]учтены физическая и геометрическая нелинейности при решении задачи импульсногоупругопластического деформирования плоской заготовки методом конечныхэлементов. Здесь же учитываются и другие факторы нагружения и поведения металлапри динамическом воздействии: утонение, произвольная диаграмма напряжений-деформаций,инерционные силы, сложность нагружения, начальные деформации и напряжения.
Однако в последнихработах решения получены только для деталей из плоских заготовок. Приформировании заготовок из труб задача усложняется, так как необходимо применятьдругие конечные элементы, требуется более простой учет физической нелинейностидля улучшения сходимости физически нелинейного решения, изменяются граничные иначальные условия.
В работе [133] с точкизрения механики деформируемого твердого тела рассмотрена безмоментнаяцилиндрическая оболочка. Траектория деформирования, построенная в двумерномпространстве А.А.Ильюшина, сохраняет квазилинейный характер до интенсивностейдеформацией порядка 25%. Затем траектории искривляются, что указывает нанеобходимость корректировки определяющих соотношений. В той же работеотмечается, что в меньшей степени исследованы постановки и решения задач принестационарном (с изменением характеристики процесса в точках Эйлеровапространства) конечном формоизменении с учетом упрочнения материала. В работеприменен метод конечных элементов.
Анализ, приведенных вданном параграфе работ, показывает, что при определении технологическихпараметров взрывного способа формообразования деталей из трубчатых заготовок наоснове рассмотрения динамики и напряженно-деформированного состояниязаготовки-детали можно применить наиболее мощный метод численного анализа –метод конечных элементов, который требует своего дальнейшего развития применительнок рассматриваемому классу задач.
НОМЕНКЛАТУРАТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД
В конструкцияхсовременных газотурбинных двигателей, особенно большого ресурса, широкоеприменение получили детали из листовых и трубчатых заготовок, изготавливаемыеиз высокопрочных нержавеющих и титановых сплавов [64].
На рисунке 14 изображенсхематический разрез газотурбинного двигателя семейства НК-8, используемого длясамолетов Ту-154, Ил-62 и Ил-86.
Рассмотрим номенклатурудвух наиболее распространенных групп деталей, занимающих до 15% от трудоемкостиизготовления всего двигателя: трубчатые соединения (рис. 14-а) и трубчатыедетали, получаемые из листовых заготовок (рис. 14-б).
/>
Рис.14. Схематический разрез газотурбинного двигателя семейства НК-8:
а — трубчатые соединения;
б — трубчатые детали, получаемые из листовых заготовок.
В двигателях семействаНК-8 находят широкое применение трубчатые ниппельные соединения со сферическойи конусной развальцовкой, телескопические и другие (рис.15).
В этих типах соединений,как правило, имеется элемент, содержащий местные кольцевые выпуклости-зиги илиразвальцовку по форме сферы или конуса.
/>
Рис. 15.Ниппельные соединения.
На рисунке 16 изображенониппельное соединение трубопроводов. Герметичность в этой схеме обеспечиваетсяза счет упругого контакта наружной поверхностью ниппеля 2 с ответной внутреннейконической поверхностью штуцера 4. При этом необходимо обеспечивать плотноеприлегание трубы 1 к поверхности ниппеля 2, часть которой является поверхностьюсферы. Плотное прилегание трубы к ниппелю достигается ее раздачей без деформациисамого ниппеля.
/>
Рис. 16.Ниппельное соединение трубопроводов со сферической развальцовкой в конструкцияхдвигателей летательных аппаратов.
На рисунке 17 показанасхема соединения трубопроводов с конусной развальцовкой. Соединениеразвальцованной на конус трубы 1 со штуцером 4 выполняется при затягиваниигайки 3 через ниппель 2.
/>
Рис. 17.Соединение трубопроводов с конусной развальцовкой.
Телескопическоесоединение трубопроводов 1 и 2 (рис. 18) осуществляется с помощью гаек 4,переходника 3 и уплотнительных колец 5.
/>
Рис. 18.Телескопическое соединение трубопроводов.
Изготовление и монтажтрубопроводов, их соединения выполняются на Казанском моторостроительномпроизводственном объединении по ТУ 01.251. Номенклатура законцовоктрубопроводов КМПО представлена в таблице 1. Из нее видно, что операцияконусной развальцовки концов трубопроводов является наиболее часто применяемойоперацией при изготовлении разъемных ниппельных соединений трубопроводных системдвигателей летательных аппаратов.
Процесс образованияконической части трубы осуществляется роликовым инструментом на станке TP1-3M, что обуславливает низкое качество получаемых деталей и высокийпроцент брака (до 15%) из-за остающихся следов контакта жесткого инструмента струбой и появления трещин от действия локальных нагрузок. Кроме того, наиболеечасто встречающимися общими недостатками в конусной развальцовке трубопроводовявляются следующие: образование острого угла в месте перехода цилиндрическойчасти трубы в коническую, утонение на кромке конуса до 30%, невозможность обработкивысокопрочных материалов, появление трещин в районе максимального диаметраконуса.
Таблица 1
Наименование
операции Размер трубы, мм Кол-во законцовок по изделиям, шт. Материал ТВУ М ТМ (рем)
Сферическая
развальцовка
Конусная
развальцовка
Зиговка
16х0,8
22х0,8
27х0,8
34х0,8
8х0,6
12х0,6
16х0,8
22х0,8
16х0,8
22х0,8
27х0,8
34х0,8
1
24
2
2
64
18
23
5
-
1
-
2
-
38
8
5
119
37
32
2
4
-
1
1
1
20
1
2
68
28
14
-
2
-
-
2
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
Операция сферическойразвальцовки осуществляется в специальной оснастке за счет выдавливания сферы спомощью резинового пуансона. Процесс формообразования является трудоемким,включает значительное количество ручных работ при работе с оснасткой. Усилениеформообразования, создаваемое прессов модели П-37, приводит к частой сменерезиновых пуансонов и не всегда обеспечивает требуемое качество готовых деталей.Использование эластичного пуансона дает большой процент недоштамповки повнутренней поверхности ниппеля, быстрый износ эластичного материала, затрудненныйсъем его из трубы после штамповки.
Операция зиговки трубдиаметром более 18 мм осуществляется на роликовом станке моделиД-7690-75-00-000, изготовленном в объединении, а зиговка труб диаметром 16 мм и менее осуществляется вручную.
Процессу роликовойобкатки присущи следующие недостатки: появление утонения (до 40%) на стенкахзигов, получение недеформированного зига, нечеткое оформление радиусовперехода, эллипсность трубы и появление трещин в районе максимальной раздачи.
Как видно извышеизложенного наиболее распространенные методы развальцовки на конус,сферической развальцовки и зиговки обладают существенными недостатками иограниченными возможностями. Это вызывает необходимость изыскания новых методовизготовления законцовок труб и разработки соответствующего оборудования,обеспечивающих более высокое качество получаемых деталей, простоту применяемогооборудования и инструмента, возможность формообразования труднодеформируемыхматериалов, экономичность процесса.
Формообразование трубчатыхдеталей из листовых заготовок по существующим технологическим процессам такжеявляется трудоемкой операцией с применением значительной доли ручных доводочныхработ.
Так, трубчатая деталь«переходник» (рис. 19-а) из листовой стали Х18Н10Т толщиной 1 мм по прежней технологии штамповалась на гидравлическом прессе в приспособлении с разжимнымпуансоном в 2-3 приема. Недостатком такого способа является неравномерностьдеформации заготовки по периметру при растяжении на пуансоне и значительнаяогранка, которая только частично уменьшается при увеличении количества приемовформообразования. Это являлось причиной частого брака и некачественной сборкисо стыкуемой деталью.
Детали типа «патрубок»(рис. 19-б, в, г) из материала BT1-0толщиной 1,2-1,5 мм изготовлялись из двух половинок, предварительно отформованныхв штампе с ручной подгонкой и сваркой этих половинок. Недостатком такойтехнологии является большая трудоемкость и нерациональный расход листовогоматериала.
Изготовление детали«кожух» (рис. 19-д) из материала ЭИ-696А толщиной 1,5 мм по прежней технологии включало гибку в цилиндр и последующую сварку стыкового шва, а такжевыколачивание вручную двух бобышек и образование 14 отверстий с отбортовками.
Деталь типа «цилиндр»(рис. 19-е) из листовой стали Х18Н10Т толщиной 1,5 мм изготовлялась ручной слесарной обработкой, требующей значительной подгонки при сборке в узлепо отбортовке и срезу.
Деталь «середина бака»(рис. 19-ж) из материала BT1-0толщиной 1 мм изготовлялась по прежней технологии путем сворачивания листа в цилиндри сварки, ручной выколотки четырех круглых площадок и формообразованиемкольцевого рифта.
Указанные недостаткисуществующих технологических процессов получения трубчатых деталей извысокопрочных труднодеформируемых материалов определили задачи создания новыхтехнологических процессов и оборудования, которые бы позволили значительноуменьшить долю ручных доводочных работ, уменьшить количество переходов иобеспечили более высокое качество изготовления деталей, поскольку системапоказателей качества, принятая при производстве авиационных газотурбинныхдвигателей имеет взаимосвязь с критериями эффективности в эксплуатации этихдвигателей [143].
/>
Рис.19. Трубчатые детали:
а — «переходник»; б, в, г – «патрубок»;
д –«кожух»; е – «цилиндр»; ж – «середина бака.
/>
Рис. 20. Схемавысокоскоростного молота взрывного действия [141,145, 155÷160]:
1 — заряд пороха; 2 –станина; 3 – силовая рама; 4 – амортизаторы; 5 – основание силовой рамы; 6 –переходные конуса; 7 – сменные матрицы; 8 – ствол; 9 – шток; 10 – снаряд-боек;11 – гайка; 12 – гидромеханический замок; 13 – гидроцилиндры; 14 – взрывнаякамера;
15 – затвор; 16 –штамповая оснастка; 17 – штоки; 18 – букса; А – коническое гнездо;
В – гидравлическаяполость.
РАЗРАБОТКАТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЗРЫВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ
Предлагаемые техпроцессыпредусматривают возможность проведения операции калибровки, зиговки, конусной исферической развальцовки трубопроводов диаметрами 8÷60 мм на пороховыхустановках моделей УП-1 и УФКТП-16/60, а также диаметрами 60 – 600 мм на высокоскоростном молоте взрывного действия, вместо используемого оборудования в видетрубовальцовочного станка ТР1-3М, пресса П-37, роликового станка Д7690-75-00-000, поскольку наиболее трудоемкими являются процессы сферической развальцовки,а наибольшая номенклатура по изделиям ТМ, ТВУ, М, У приходится на коническуюразвальцовку. Трудоемкости формообразования труб и номенклатура трубопроводовприведены в таблицах 2 – 4.
Таблица 2
Трудоемкостьформообразования трубНаименование операции Оборудование Трудоемкость, н/мин 1 2 3
1. Калибровка
2. Зиговка
3. Развальцовка сферы
4. Развальцовка на конус
5. Торцовка
Пресс П-37, штампы
Роликовый станок
Д 7690-75-00-000
Пресс П-37, штампы
Труборазвальцовочный станок ТР1-3
Приспособления торцовочные Д-5352-0492 (вручную)
3
5
17
5
6
Таблица 3
Номенклатуратрубопроводов по конусной развальцовкеИзделие Количество наименований по диаметрам Всего наименований на изделие Количество концов труб на изделие Ø 8,0х0,6 Ø 12,0х0,6 Ø 16,0х0,8
«ТМ»
«ТВУ»
«М»
«У»
42
42
62
43
13
18
30
29
10
13
20
18
65
73
112
90
103
115
188
149
Таблица 4
Номенклатуратрубопроводов по сферической развальцовке и зиговкеИзделие Количество наименований по диаметрам Всего наименований на изделие Количество концов труб на изделие Ø 16 Ø 22 Ø 27 Ø 34
«ТМ»
«ТВУ»
«М»
«У»
4
1
3
-
9
14
17
5
1
1
4
5
1
1
4
13
15
17
28
23
25
31
52
46
Из этой номенклатуры былпроведен выбор типовых представителей законцовок диаметрами 8, 12, 16 мм для конусной развальцовки и диаметрами 16, 22, 27, 34 для зиговки и сферической развальцовки.
Разработка конструкцийоснастки – матриц под типовые представители проведена на основе техническихусловий предприятия, предъявляемых к готовым деталям. При этом учитывалось, чтопри развальцовке формование трубы осуществляется в ниппель, вложенный вовнутреннюю полость матрицы, которая повторяет его наружные размеры и размерыкалиброванного участка трубы. Зиговка осуществляется непосредственно в матрицу.
Материал матриц 30ХГСА,твердость НС 45-50, диаметр 50 мм, длина 45-58 мм. Разрабатываемые технологические процессы являются промежуточными операциями действующей напредприятии серийной технологии изготовления по ТУ 01.251; ТУ 86.500.000 и ТУ152.800.000.
Техпроцесс включает всебя следующие этапы:
— подготовка оборудованияи установка трубы в соответствующую матрицу, которая предварительно введена втехнологический блок установки;
— гидравлический зажимматрицы при давлении 9,8 МПа (100 кгс/см2);
— засыпка навески порохаи затвор камеры сгорания;
— электроподжиганиепороха с дистанционного пульта;
— формование и съемдетали;
— вентиляция;
— гидроразъем матриц;
— съем готовой детали;
— контроль детали в БТКцеха;
— испытания.
В результате обработкипроцессов, контроля геометрии деталей и гидроиспытаний были установленытехнологические параметры процессов, которые помещены в таблицу 5.
С целью обобщениярезультатов отработки технологических процессов была составлена таблица 6потребной массы зарядов для формообразования труб из материала АМГ –2М, 12Х18Н10Т и титанового сплава 7М для диаметров 8÷34 мм.
Таблица 5
Режимытехнологических процессов
Наименование
операции
Размер
трубы Ø, мм
Марки
материала Давление зажима матрицы, МПа Навеска пороха, г
Установка
УП-1 Установка УФКТП-16/60
Конусная
развальцовка
Зиговка,
калибровка
Сферическая
развальцовка
8х0,6
12х0,6
16х0,8
16х0,8
22х0,8
27х0,8
34х0,8
16х0,8
22х0,8
27х0,8
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
10
10
10
10-20
10-20
10-20
10-20
10-20
10-20
10-20
0,7
0,8
0,9
1,8
2,0
2,3
2,6
2,0
2,2
2,4
-
-
-
8,0
8,0
9,0
9,0
8,0
9,0
9,0
Таблица 6
Потребнаямасса зарядов
Наименование
операции
Размер
трубы Ø, мм
Марки
материала Навеска пороха, г
Установка
УП-1 Установка УФКТП-16/60
Конусная
развальцовка
Зиговка,
калибровка
Сферическая
развальцовка
8,0х0,6
12,0х0,6
16,0х0,8
16,0х0,8
18,0х1,0
20,0х1,0
22,0х0,8
25,0х0,5
27,0х0,8
28,0х1,5
30,0х0,5
34,0х0,8
36,0х0,8
42,0х1,0
16,0х1,0
22,0х0,8
27,0х0,8
34,0х0,8
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
АМГ – 2М
АМГ – 2М
12Х18Н10Т
7М
12Х18Н10Т
АМГ – 2М
7М
12Х18Н10Т
7М
АМГ – 2М
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
12Х18Н10Т
0,7
0,8
1,0
1,8
1,4
1,5
2,0
2,2
2,2
1,8
2,5
2,6
2,8
2,3
2,0
2,2
2,4
2,8
-
-
-
8,0
-
-
8,0
-
9,0
-
-
9,0
-
-
8,0
9,0
9,0
-
Типовые детали,изготавливаемые по этим техпроцессам, далее показаны на рисунках.
Возможности внедряемыхтехпроцессов следующие:
— проведениетехнологических операций калибровки, зиговки, сферической и конуснойразвальцовки на одной установке;
— формообразованиедеталей из высокопрочных материалов и титановых сплавов диаметрами 8÷60мм с коэффициентами раздачи 1,1÷1,3;
— ремонт и монтажтрубопроводных систем в полевых условиях;
— проведение пробивкиотверстий в трубопроводах, необходимых для ответвлений.
Таким образом, можносделать вывод, что разработанные техпроцессы для деталей 22 наименований можноприменять как на предприятиях отрасли, так и общего машиностроения.
На высокоскоростноммолоте взрывного действия отштампованы трубчатые детали из высокопрочныхматериалов диаметром до 600 мм и высотой до 550 мм (рис. 21).
/>
Рис. 21.Отштампованные на молоте взрывного действия трубчатые детали.
При штамповке детали«патрубок» за 1 удар снаряда-бойка получаются 4 готовые детали из однойцилиндрической заготовки (рис. 22). Матрица изготовлена таким образом, что приударе снаряда-бойка вода, используемая в качестве передающей среды, формуетзаготовку по углублениям в матрице диаметром 85 мм, образовывая отбортовки и просекая по острым выступам; она одновременно просекает заготовку ипо углам канавок глубиной 5 мм, выполненных по радиусу 304 мм. Получаются 4 готовые детали, у которых необходимо притупить лишь острые кромки.
/>
Рис. 22. Схема получения4-х деталей типа «патрубок» за один удар на молоте взрывного действия.
Полное формообразование иразделение на детали осуществляются зарядом пороха массой 25 г.
Учитывая возможныйбыстрый износ режущих кромок, штамп изготовлен со съемными вставками.
Техпроцессы на молотевзрывного действия отработаны для изготовления 10 наименований крупногабаритныхтрубчатых деталей.
РАЗРАБОТКАОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЗРЫВНОГО
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
Для сознания оптимальныхусловий изготовления качественных деталей взрывным формообразованием необходимообеспечить заданные скорости снаряда-бойка и энергии удара, которые в своюочередь определяются физико-механическими характеристиками материалаобрабатываемой заготовки, а также ее геометрией.
В известных молотахнеобходимая энергия удара может быть достигнута подбором соответствующихкомпонентов взрывчатого вещества и величины давления, под которым его подают вовзрывную камеру. Однако обеспечить сравнительно высокую скорость удара приотносительно небольшой величине энергии удара, которые необходимы при обработкемалогабаритных деталей, невозможно вследствие сравнительно большой величинымассы элементов, воздействующих на заготовку при ее деформировании. Равно какпри сравнительно большой скорости удара – обеспечить сравнительно малую энергиюудара при обработке тех же деталей. Поэтому на известных молотах исключенавозможность обработки деталей различных типоразмеров, что ограничиваеттехнологические возможности молота.
В основу разработки былапоставлена задача создать высокоскоростной молот взрывного действия с ударнымтелом такой конструкции, которая позволила бы при постоянной величине энергииудара изменять в широких пределах величину скорости удара, что значительнорасширит технологические возможности молота.
Эта задача решается тем,что в высокоскоростном молоте взрывного действия, в неподвижной станинекоторого смонтирована силовая рама, несущая нижний инструмент и силовойцилиндр, надпоршневая полость которого служит взрывной камерой, и на поломштоке поршня которого соосно с нижним инструментом размещено ударное тело с верхниминструментом, ударное тело установлено в полости штока с возможностью независимыхот него осевых перемещений посредством размещенного в этой же полости бойка,перемещаемого давлением газов, образующихся в процессе взрыва во взрывнойкамере, сообщающейся с полостью штока через центральное отверстие, выполненноев поршне.
При этом целесообразно,чтобы ударное тело представляло собой поршень дополнительного силовогоцилиндра, закрепленного на полом штоке поршня основного силового цилиндра такимобразом, что надпоршневая полость дополнительного силового цилиндра являетсяпродолжением полости указанного штока и имеет возможность сообщения спневмомагистралью для возврата бойка в исходное положение, а подпоршневая полостьдополнительного силового цилиндра сообщена с пневмомагистралью для возврата егопоршня в исходное положение. При этом, основной силовой цилиндр смонтирован свозможностью осевых установочных перемещений его корпуса. Для этого цилиндра имеетсякольцевой бурт, а у силовой рамы на поверхности, сопряженной с поверхностьюкорпуса этого силового цилиндра, выполнена кольцевая проточка для размещениякольцевого бурта, разделяющего ее на две полости для размещения текучей среды,посредством которой осуществляются осевые установочные перемещения корпусаосновного силового цилиндра.
Такое техническое решениепозволяет значительно уменьшить величину массы, воздействующей на заготовку приее деформировании, и сообщать ударному телу посредством сравнительно легкогобойка заданные скорость и энергию удара. При этом подбором соответствующегоколичества взрывчатого вещества и величины давления, под которым его подают вовзрывную камеру, можно ударному телу сообщать заданную энергию удара при заданнойскорости удара. Тем самым обеспечивается возможность обработки на предлагаемоммолоте деталей различных типоразмеров, а, следовательно, значительнорасширяются его технологические возможности.
Возможность осуществленияосевых установочных перемещений корпуса основного силового цилиндра позволяетподводить верхний инструмент к заготовке, размещенной на нижнем инструменте, нарасстояние, меньшее величины хода поршня дополнительного силового цилиндра.
Кроме того, такоетехническое решение возврата ударного тела в исходное положение позволяетисключить из конструкции молота гидроцилиндры, смонтированные в нижней частисиловой рамы, и освободить тем самым зону деформирования заготовки.
Целесообразно, чтобы внадпоршневой полости дополнительного силового цилиндра было размещено упругоетело для воздействия через него бойка на поршень этого силового цилиндра.
Это дает возможностьприменять поршни дополнительного силового цилиндра с площадью поперечногосечения равной или существенно отличной от площади поперечного сечения бойкадля обеспечения возможности варьирования величиной энергии удара постояннойскорости удара.
Кроме того, наличиеупругого тела между бойком и поршнем дополнительного силового цилиндраобеспечивает уменьшение напряжений в бойке и упомянутом поршне при ихсоударении, что снижает износ бойка и поршня и повышает надежность молота.
Целесообразно в качествеупругого тела взять жидкость. В данном техническом решении заключается простотаобеспечения заданной формы упругого тела, удобнее заполнение полости спеременным сечением, а также незначительный коэффициент трения.
Отношение массы поршнядополнительного силового цилиндра с верхним инструментом к массе бойка равноотношению квадратов площадей поперечных сечений поршня и бойка.
При этом целесообразно,чтобы площадь поперечного сечения поршня дополнительного силового цилиндра быларавна площади поперечного сечения бойка, а также существенно больше или меньшеее.
Такие технические решениядают возможность сообщать поршню дополнительного силового цилиндра энергиюудара, величину которой можно менять в широких пределах при неизменной скоростиудара верхнего инструмента по заготовке путем изменения кинетической энергии искорости перемещения бойка. В результате этого, применяя поршни с различнойплощадью поперечного сечения, на одном и том же молоте можно обрабатывать заготовкиразличных типоразмеров, что значительно расширяет технологические возможностимолота.
Согласно поставленнойзадаче необходимо чтобы отношение массы поршня дополнительного силовогоцилиндра с верхним инструментом к массе бойка было меньше отношения квадратовплощадей поперечных сечений поршня и бойка, имеющего в результате этоговозможность сообщения верхнему инструменту дополнительного импульса давления.
Это позволяетобрабатывать детали и сдвоенным ударом с малой паузой между ударами. Возможностьизменения отношения величин энергии этих ударов также расширяет технологическиевозможности молота.
Целесообразно также,чтобы отношение массы поршня дополнительного силового цилиндра с верхниминструментом к массе бойка было больше отношения квадратов площадей поперечныхсечений поршня и бойка, при этом полость штока основного силового цилиндрасообщена с атмосферой каналом, выполненным в стенке указанного штока нарасстоянии от его торца, несколько большем длины бойка.
При таком техническом решениибоек получает возможность вернуться в исходное положение под действием упругихсил, возникающих в упругом теле при взаимодействии бойка с поршнемдополнительного силового цилиндра через означенное круглое тело. Боек,опускаясь ниже указанного канала, дает возможность сообщения полости штока сатмосферой, в результате чего газы из взрывной камеры и полости штокавыбрасываются через этот канал в атмосферу, давление над бойком падает и непрепятствует возврату бойка в исходное положение. Это ведет, кроме того, кповышению производительности молота.
Боек и полый шток сзакрепленным на нем дополнительным силовым цилиндром установлены с возможностьюсовместного перемещения в основном силовом цилиндре, подпоршневая полостькоторого сообщена с пневмомагистралью, где вмонтировано известное устройстводля снижения давления в этой подпоршневой полости, и в результате такогосовместного перемещения осуществляется предварительный подвод верхнего инструментак заготовке и высокоскоростное ее деформирование при воздействии бойка напоршень дополнительного силового цилиндра через упругое тело. Это позволяетосуществить высокоскоростное деформирование заготовки со скоростью, возрастающейот нуля до заданной.
Такое техническое решениедает возможность осуществлять на предлагаемом молоте обработку трубчатых,листовых заготовок, а также другие виды обработки.
Коллективом совместно савтором разработан и создан многоцелевой высокоскоростной молот взрывногодействия, который запатентован за рубежом в шести странах [155÷160].
Высокоскоростной молотвзрывного действия включает в себя (рис. 20) жестко закрепленную на фундаментестанину 2 с двумя стойками-кронштейнами и основанием.
В направляющих станины 2на гидрогазовых амортизаторах 4 подвижно с возможностью вертикальных перемещенийустановлена силовая рама 3. Последняя имеет основание 5 с коническим гнездом Аи переходными конусами 6, предназначенными для установки и запирания сменныхматриц 7 различных габаритов.
В верхней части силовойрамы 3 резьбовой гайкой 11 и гидромеханическим замком 12 фиксируетсянаправляющий ствол с полым рабочим штоком 9 и снаряд-бойком 10. Он можетперемещаться гидроцилиндрами 13 и включает взрывную камеру 14 с зазором 15,предназначенными для установки и подрыва заряда пороха 1.
Перед выстрелом снаряд-боек10 фиксируется во взрывной камере в исходном положении пружинными стопорами.
В нижней части штока набуксе крепится уплотнительный элемент рабочей штамповой оснастки 16.
Путем простых наладокштамповой оснастки 7 и 16, выбора необходимой дозы заряда пороха 1 и массыснаряда-бойка 10 молот настраивается на выполнение технологических процессовобработки трубчатых деталей.
При штамповке трубчатыхдеталей (рис. 23) заготовку 19 устанавливают в матрицу 7 с уплотняющейоснасткой 16.
/>
Рис. 23.Схема штамповки трубчатых деталей:
7– сменная матрица; 8 – ствол;
16– уплотняющая штамповая оснастка;
18 – букса;19 – заготовка детали.
Ствол 8 гидроцилиндром 13опускается до упора в матрицу 7 и фиксируется в этом положении гайкой 11 игидромеханическим замком 12.
При этом штоки 17гидроцилиндров 13 внедряются в гидравлические полости В амортизаторов 4,вследствие чего силовая рама 3 поднимается над станиной 2 на расстояние,обеспечивающее гашение ударных нагрузок на фундамент и плавную остановку подвижныхэлементов молота после удара.
Внутренняя полостьзаготовки заполняется водой до сливных отверстий в буксе 18, одновременно вовзрывную камеру 14 устанавливают заряд пороха 1 и запирают затвор 15. Послеэтого производится подрыв заряда пороха и под действием давления пороховых газовснаряд-боек 10 разгоняется по стволу до требуемой скорости и в конце ходаударяет по зеркалу воды, создавая в ней высокое давление, которое, воздействуяна заготовку, деформирует ее по внутренней полости матрицы, образуя, такимобразом, нужную деталь.
После этого стравливаютоставшееся давление пороховых газов из камеры сгорания, открывают затвор 15 ивозвращают снаряд-боек 10 в исходное положение, открывая гидромеханическийзамок 12, поднимают ствол 8 вверх. Вытолкнув штамп 7 из конического гнездатехнологического блока, раскрывают его и извлекают готовую деталь.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯХАРАКТЕРИСТИКА МОЛОТА
Максимальная энергияудара, кгс∙м 25000
Скорость соударения,м/с до 300
Максимальный вес заряда,кг 0,25
Диаметр снаряд-бойка,мм 84
Масса снаряд-бойка,кг от 1 до 22
Усилие затяжки матриц,кг 50000
Энергоноситель порох «Сокол»
Продолжительность цикла,мин 1-3
Габаритные размеры вплане, мм 2200х1500
Высота молота над уровнемпола, мм 4500
Масса молота,кг 10500
Создана также пороховаяустановка для формообразования концов трубопроводов – УФКТП-16/60, котораяимеет следующие технические характеристики:
1. Наибольшее давление пороховыхгазов
полости камеры сгорания, н/см2 40000
2. Наибольшая масса пороховогозаряда, г 5
3. Размеры формуемых труб, мм
наружныйдиаметр 16÷60
толщинастенки 0,5÷2,5
4. Наибольшее усилие на штокегидроцилиндра
герметизации внутренней полостизаготовки, н 40000
5. Усилие на штоке гидроцилиндразажима
матриц, н 11500
6. Объем камеры сгорания, см3 20÷80
7. Габаритные размеры установки без
пульта управления, мм
длина 1130
ширина 720
высота 2000
8. Масса установки,кг 1180
На установке УФКТП-16/60(рис. 24) заготовка трубы 1 монтируется на конец оправки 17 с эластичнойвтулкой 19 до упора в опорную шайбу 6 и зажимается с помощью цилиндра зажимаполуматриц 18, клина 5, рамки 4 в полуматрицах 3 и 2. Эластичная втулка 19предварительно затягивается цилиндром предварительного зажима уплотнения 14.
Порох из бункера 13,установленного на корпусе 23, заполняет полость мерной шайбы 20 и приоткрывании затвора 10 с помощью цилиндра поворота и открывания затвора 16 путемвращения зубчатого сектора 7, перемещения до упора рейки 8, поворачивающей самзатвор 10, а при дальнейшем движении штока цилиндра 16 и поворота рычагазатвора 9 производится передвижение ползуна до затвора дозы пороха из мернойшайбы 20 через питатель21 в камеру сгорания 22. затем затвор 10 запирает черезуплотнительное кольцо 11 камеру сгорания 22, производится поджиг порохазональной свечой 15 и выделяющиеся при сгорании пороха газы по каналу оправки17 через эластичное уплотнение 19 деформирующий заготовку 1.
После выполнения операциираскрывают полуматрицы 3 и извлекают деталь.
/>
Рис.24. Схема установки УФКТП-16/60: