способ газовой детонационной штамповки и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ газовой детонационной штамповки, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации горючей газовой смеси, отличающийся тем, что, используя энергию детонации смеси, периферийную область заготовки подвергают импульсному воздействию жестким массивным телом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии на заготовку жестким массивным телом производят ее жесткое защемление этим телом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсному воздействию жестким массивным телом заготовку подвергают до воздействия ударной волной и разогретыми продуктами взрыва.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсному воздействию жестким массивным телом заготовку подвергают в момент воздействия ударной волной до воздействия разогретыми продуктами взрыва.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсному воздействию жестким массивным телом заготовку подвергают после воздействия ударной волной в течение времени воздействия разогретыми продуктами взрыва.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсному воздействию жестким массивным телом заготовку подвергают после воздействия ударной волной и разогретыми продуктами взрыва.

7. Устройство для газовой детонационной штамповки, содержащее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, отличающееся тем, что оно снабжено массивной перегородкой, установленной с возможностью перемещения во взрывной камере и разделяющей ее на две полости, и дополнительными арматурой подвода горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, установленными в полости камеры, удаленной от матрицы, при этом периферийная часть обращенной к матрице поверхности перегородки выполнена по меньшей мере с одним жестким кольцевым выступом, имеющим профильную торцевую поверхность, а соответствующая выступу поверхность матрицы выполнена с профилем, ответным профилю торцевой поверхности выступа.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком задействования одного из элементов инициирования детонации, установленными в матрице или в стенке взрывной камеры.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что перегородка выполнена по меньшей мере с одним сквозным отверстием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием энергии ударной волны и разогретых продуктов взрыва, образуемых при детонации горючей газовой смеси, и предназначено преимущественно для листовой штамповки изделий из высокопрочных металлов и сплавов. Изобретение может быть использовано в машиностроительной промышленности, приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и оболочек различного назначения.

Для производства изделий как бытового, так и промышленного назначения широкое распространение получают беспрессовые методы импульсной штамповки, основанные на использовании энергии детонации горючих газовых смесей. Так, например, известен способ разовой детонационной штамповки (1), заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации горючей газовой смеси. При этом используется устройство, включающее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода горючей газовой смеси и элементом инициирования ее детонации. По сравнению с традиционными способами штамповки данный метод имеет ряд преимуществ, вращающихся в простоте и сравнительно малой стоимости оборудования, в относительно высокой безопасности работ, в точности и высоком качестве штамповки, а также в возможности формирования изделий практически неограниченных размеров. Однако наряду с отмеченными достоинствами имеется и серьезный недостаток, заключающийся в невозможности реализации высоких давлений в ударной волне и продуктах взрыва, воздействующих на заготовку. Это значительно ограничивает возможности обработки высокопрочных материалов, таких, как титан и его сплавы, различные нержавеющие стали, никелевые и хромоникелевые сплавы.

Изобретение таким образом направлено на решение задачи по расширению технологических возможностей процесса штамповки. Технический же результат при решении этой задачи выражается в повышении степени проработки деформируемого материала и улучшении качества его вытяжки без образования складок или гофр.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе газовой детонационной штамповки, основанном на воздействии на заготовку ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, образующимися при детонации горючей газовой смеси, согласно изобретению, используя энергию детонации газовой смеси, периферийную область заготовки подвергают импульсному воздействию жестким массивным телом. Осуществляют жесткое защемление заготовки этим телом. При этом в зависимости от конкретно реализуемого режима нагружения заготовки импульсному воздействию жестким массивным телом заготовку подвергают либо перед воздействием ударной волной и продуктами взрыва, либо в момент воздействия ударной волной до воздействия продуктами взрыва, либо после воздействия ударной волной в течение времени воздействия продуктами взрыва, либо после воздействия и ударной волной и продуктами взрыва.

Для реализации данного способа известное устройство для газовой детонационной штамповки, содержащее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, снабжено массивной перегородкой, установленной с возможностью перемещения во взрывной камере и разделяющей ее на две полости, и дополнительными арматурой подвода горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, установленными в полости камеры, удаленной от матрицы, при этом периферийная часть обращенной к матрице поверхности перегородки выполнена по меньшей мере с одним жестким кольцевым выступом, имеющим профильную торцевую поверхность, а соответствующая выступу поверхность матрицы выполнена с профилем, ответным профилю торцевой поверхности выступа.

Для реализации определенных режимов нагружения заготовки устройство имеет датчик задействования одного из элементов инициирования детонации, установленный в матрице или в стенке взрывной камеры, а подвижная перегородка снабжена по меньшей мере одним сквозным отверстием.

На фиг. 1 представлено устройство для газовой детонационной штамповки; на фиг. 2 5 схематически показаны этапы штамповки: на фиг. 2 установка заготовки в матрицу и заполнение взрывной камеры горючей газовой смесью; на фиг. 3 -разгон массивной подвижной перегородки внутри взрывной камеры энергией детонации горючей газовой смеси; на фиг. 4 деформация заготовки воздействием перегородки; на фиг. 5 деформация заготовки воздействием ударной волной и разогретыми продуктами взрыва.

Устройство (фиг. 1) состоит из матрицы 1, в которой размещается заготовка 2, и взрывной камеры 3, герметично соединяемых между собой с помощью, например, болтов или гидроприжимов (не показаны). В корпусе камеры смонтированы арматура 4 и 5 для подачи горючей газовой смеси и элементы 6 и 7 инициирования ее детонации, например детонационные трубки, высоковольтные свечи зажигания и т.п. Внутри камеры с возможностью продольного перемещения установлена массивная металлическая перегородка 8, разделяющая объем камеры на полости 9 и 10. Периферийная часть перегородки 8 со стороны, обращенной к матрице 1, снабжена не менее чем одним жестким выступом 11 с профильной торцевой поверхностью 12, а поверхность матрицы 1 в области 13, противоположной выступу 11 перегородки 8, выполнена с профилем, соответствующим профилю торцевой поверхности 12 этого выступа. В области 13 матрицы 1 установлен датчик 14 контактного задействования элемента инициирования детонации 7. При необходимости контактного задействования элемента инициирования 6 датчик 14 целесообразно установить в другом месте, например в донной части центральной полости матрицы.

Осуществляют штамповку следующим образом. В матрицу 1 (фиг. 1, 2) помещают листовую заготовку 2. Во взрывной камере 3 массивную подвижную перегородку 8 с помощью стопорных элементов устанавливают в исходное положение, разделяя внутренний объем камеры на полости 9 и 10. Герметично сочленяют камеру 3 с матрицей 1. Из матрицы 1 откачивают воздух. Полость 9 через газовую арматуру 4 и полость 10 через газовую арматуру 5 заполняют горючей газовой смесью под требуемым давлением. При этом в качестве горючего компонента смеси могут быть использованы водород, ацетилен, метан, пропан, бутан и другие горючие газы, в качестве окислителя кислород или атмосферный воздух.

Задействуют элемент 6 инициирования детонации смеси в полости 9 (фиг. 3). Смесь претерпевает взрывчатое превращение. Ударная волна и разогретые продукты взрыва воздействуют на массивную перегородку 8. Перегородка срывается со стопорных элементов и разгоняется в сторону матрицы 1, сжимая горючую газовую смесь в полости 10.

Ускоренная ударной волной и расширяющимися продуктами взрыва массивная перегородка 8 подходит к матрице 1 и жестким выступом 11 воздействует на заготовку 2, ударно вдавливая ее профильной торцевой поверхностью 12 в профильное углубление 13 матрицы 1 (фиг. 4). Происходит местная глубокорельефная деформация заготовки 2 в периферийной области (фигурная отбортовка) и ее жесткое защемление массивной перегородкой 8.

Под действием деформированной заготовки 2 срабатывает датчик 14 и задействует элемент 7 инициирования детонации смеси в полости 10 (фиг. 5). Сжатая перегородкой 8 смесь претерпевает взрывчатое превращение. Ударная волна и разогретые продукты взрыва воздействуют на заготовку, вдавливая ее срединную часть в центральное углубление матрицы 1. Жесткое защемление заготовки по периферии выступом 11 предотвращает ее радиальное перемещение и исключает возможность образования гофр или складок.

После завершения деформации заготовки массивная перегородка 8 под давлением продуктов взрыва в отсеке 10 приобретает обратное поступательное движение и освобождает заготовку из защемления.

Отсоединяют камеру 3 от матрицы 1 и извлекают отштампованное изделие с фигурно отбортованным фланцем.

Приведенная последовательность операций отвечает режиму штамповки, при котором заготовку подвергают дополнительному импульсному воздействию жестким массивным телом до воздействия ударной волной и разогретыми продуктами взрыва. Такая последовательность необходима главным образом при штамповке тонколистовых заготовок, когда отношение толщины листа к диаметру заготовки не превышает 0,02 (3). Однако в зависимости от требуемого режима нагружения, конкретно деформируемого материала заготовки и конкретной геометрии штампуемого изделия может быть реализована и иная последовательность воздействий. Например, когда материалом заготовки является высокопрочный титановый сплав, а отношение толщины листа к диаметру заготовки много больше 0,02. Осуществлено это может быть путем задания требуемой разновременности подрывов горючей газовой смеси в полостях 9 и 10 камеры 3 (фиг. 1), например, с помощью внешнего электронного блока управления сигналами на задействование элементов 6 и 7 инициирования детонации.

Так, при значительном опережающем подрыве смеси в полости 10 на заготовку сначала будет оказываться воздействие ударной волной и разогретыми продуктами взрыва, а затем после подрыва смеси в отсеке 9 воздействие жестким массивным телом. То есть сначала будет осуществляться штамповка срединной части заготовки, а затем отбортовка фланца.

При задержке момента инициирования детонации в полости 10 воздействие жестким массивным телом может быть произведено как одновременно с воздействием ударной волной до начала воздействия продуктами взрыва, так и непосредственно после воздействия ударной волной в период уже интенсивного воздействия разогретыми продуктами взрыва в зависимости от конкретного времени задержки.

При небольшом опережающем подрыве смеси в полости 10 также может быть реализовано воздействие жестким массивным телом после воздействия ударной волной в период воздействия продуктами взрыва.

Для осуществления требуемой синхронизации подрывов в полостях камеры могут быть использованы различные электронные приборы: линии задержки, частотомеры, генераторы электрических импульсов и др. способные обеспечить управление инициирующими импульсами в диапазоне от десятых долей микросекунды до десятков и сотен секунд.

Для этой цели могут быть использованы и электроконтактные датчики замыкания, устанавливаемые либо в стенке камеры по пути движения перегородки, либо в матрице под заготовкой. При этом второй инициирующий импульс будет выдаваться при замыкании датчика либо движущейся перегородкой, либо деформирующейся заготовкой (как описано выше).

В определенных случаях требуемая синхронизация подрывов может быть осуществлена и без внешнего электронного управления и без использования электроконтактных датчиков. Для этого подвижная перегородка дополнительно снабжается одним или несколькими сквозными отверстиями. Взрыв смеси в полости 9 придает перегородке поступательное движение в сторону матрицы. Детонационная волна через отверстия в перегородке с задержкой распространяется в полость 10. Взрыв смеси в этой полости деформирует заготовку в срединной части, а надвигающаяся массивная перегородка производит последующую отбортовку фланца. Путем варьирования размерами, углом наклона, расположением и числом отверстий можно управлять величиной задержки передачи детонации из отсека в отсек.

В данном техническом решении массивная подвижная перегородка приобретает импульс поступательного движения под действием ударной волны и продуктов взрыва, воздействующих на нее по всей площади поперечного сечения на значительно протяженном отрезке разгона, а последующее ее взаимодействие с заготовкой происходит в относительно узкой области жесткого выступа в режиме быстрого (ударного) торможения. В результате в зоне взаимодействия заготовки с перегородкой развиваются значительно более высокие, чем при взрыве смеси, давления, обеспечивающие глубокорельефную мелкоструктурную деформацию высокопрочных материалов.

Разгон перегородки не требует использования какого-либо дополнительного внешнего привода, а осуществляется за счет энергии детонации горючей газовой смеси. Возможность дополнительного воздействия на заготовку жестким массивным телом практически на любой стадии штамповки обеспечивает более полную и качественную проработку деформируемого материала и исключает необходимость использования предварительной или последующей прессовой отбортовки. Это значительно повышает технологичность заявляемого способа и позволяет существенно увеличить его производительность.

Пример конкретного осуществления способа. Из листовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 2,0 мм вырезали круговую заготовку диаметром 380 мм. Помещали заготовку в посадочное место матрицы, изготовленной из ударостойкой термообработанной стали ОХНЗМА и снабженной в посадочном месте двумя соосными кольцевыми проточками трапециевидного профиля. В донной части одной из проточек был установлен электроконтактный датчик.

В цилиндрической взрывной камере, выполненной из термообработанной стали ОХНЗМА, была установлена в исходное положение подвижная массивная перегородка толщиной 40 мм и диаметром 260 мм из термообработанной стали 40 Х, разделяющая внутренний объем камеры на два изолированных между собой отсека: со стороны глухой торцевой стенки камеры объемом 5 дм³ и обращенный к матрице, объемом 7 дм³. Перегородка со стороны, обращенной к матрице, снабжена по периферии кольцевым выступом высотой 30 мм и шириной 22 мм, выполненным из термообработанной стали ХВГ и имеющим профильную торцевую поверхность, отвечающую рисунку кольцевых проточек матрицы. Оба отсека имеют арматуру подвода горючей газовой смеси на основе газовых вентилей ВК-86 и элементы инициирования детонации высоковольтные свечи зажигания А17ДВ.

С помощью 12 болтов М32 матрица через кольцевые прокладки из вакуумной резины герметично была соединена с камерой.

Форвакуумным насосом 2ВНР5Д откачивали из матрицы воздух до остаточного давления 1.10 мм рт.ст.

Заполняли отсеки камеры горючей газовой смесью, состоящей из двух частей водорода и одной части кислорода (гремучим газом). В отсеке, обращенном к матрице, создавали давление 13 атм, в отсеке со стороны глухой стенки камеры

11 атм. Давление контролировали с помощью манометров МВШО-160.

От генератора высоковольтных импульсов был подан импульс напряжения 6 кВ на свечу зажигания отсека, расположенного со стороны глухой стенки камеры. Возбуждалась детонация горючей газовой смеси в этом отсеке. Под действием ударной волны и расширяющихся продуктов взрыва перегородка приобретала поступательное движение в сторону матрицы.

Сжимая горючую газовую смесь в отсеке, обращенном к матрице, массивная перегородка подходила к заготовке и жестким выступом вдавливала ее в кольцевые проточки, жестко защемляя по периферии. Под воздействием деформирующейся заготовки срабатывал установленный в кольцевой проточке электроконтактный датчик и включал цепь задействования свечи зажигания в отсеке камеры, обращенном к матрице. Происходил взрыв смеси в этом отсеке. Заготовка вдавливалась в центральную полость матрицы, приобретая требуемую форму. Деформация заготовки полностью протекала до начала обратного движения массивной перегородки, т.е. в условиях жесткого защемления ее фланца.

Отсоединяли матрицу от взрывной камеры и извлекали отштампованное изделие с фигурно отбортованным фланцем.

Способ может быть реализован только с помощью описанного устройства. Устройство не требует использования редких или труднодоступных материалов и может быть изготовлено практически на любом машиностроительном или металлообрабатывающем предприятии. Возможна автоматизация способа.

По сравнению с аналогами данный объект обеспечивает более полный цикл обработки высокопрочных материалов и делает способ газовой детонационной штамповки более отвечающим условиям высоких технологий.