Изучение возможности взрывной штамповки деталей колец и бандажей для сферических переборок подводных лодок » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изучение возможности взрывной штамповки деталей колец и бандажей для сферических переборок подводных лодок

02.11.2020

Номенклатура деталей, изготавливаемых методом взрывной штамповки, непрерывно увеличивается. В настоящее время разработаны способы штамповки взрывом днищ всех известных форм, выкружек, деталей обшивки стабилизаторов, килевых листов, деталей коробчатой формы, различных панелей с жесткостями, цилиндрических и параболических обечаек, днищ корпусов ракетных двигателей, носовых конусов реактивных самолетов и т. д. На самолетостроительном заводе Ryan Aeronautical Corp. (США) методом взрывной формовки изготавливаются детали более ста различных наименований.

При взрывной штамповке увеличивается коэффициент использования металла, снижается трудоемкость механической ооработки, улучшается качество изделий, уменьшаются припуски. Взрывом можно штамповать изделия из самых высокопрочных металлов, причем практически каких угодно размеров. Длина цельноштампованных методом взрыва деталей в настоящее время достигает 6—8 м при толщине 30—50 мм.

В процессе установления возможности практического применения энергии взрыва рядом исследователей изучалось поведение металлов при импульсных нагрузках и изменение их пластических и прочностных свойств. Импульсные нагрузки с их чрезвычайно большими давлениями и высокими скоростями нагружения могут заметно изменять механические свойства металла.

Общим из наиболее важных результатов воздействия высокого давления на металлы является возрастание пластической деформации, которая может возникнуть в металле без разрушения последнего. При давлениях в интервале от 2000 до 3000 кгс/см2 в образцах из обычной мягкой стали может произойти аномальное удлинение до нескольких тысяч процентов без разрушения материала, тогда как при атмосферном давлении удлинение не превышает 200—300%.

Соотношение количеств энергии, затрачиваемой на пластическое течение и разрушение, изменяется с возрастанием давления; следовательно, с возрастанием давления может измениться и характер разрушения. При возрастании гидростатического давления наблюдается переход от разрушения путем отрыва к сдвиговому разрушению.

Другие металлы часто ведут себя так же, как сталь. На пластичность алюминия, латуни и меди давление влияет даже больше, чем на пластичность мягкой стали. Хрупкие в обычных условиях материалы (например, фосфористая бронза) при высоких давлениях становятся пластичными.

Некоторые другие особенности влияния высокого давления на механические свойства материалов сводятся к следующему: а) прочность большинства металлов при растяжении и сжатии заметно возрастает; б) жесткость (модуль сдвига) металлов, вообще говоря, возрастает линейно с давлением, но влияние давления на жесткость обычно меньше, чем на сжимаемость; в) можно ожидать, что модуль сдвига для большинства металлов будет возрастать.

Исследованиями доказано, что при скоростях деформации до 300 м/сек, значительно превышающих скорости перемещения заготовки при формообразовании бризантными взрывчатыми веществами (50—150 м/сек), почти полностью сохраняются пластические свойства.

В общем случае пластичность металла изменяется с повышением скорости деформации незначительно. Причем установлено, что при испытании пластичных металлов с высоким запасом вязкости увеличение скорости нагружения способствует росту деформационных характеристик.

Данные о скоростной деформации титановых сплавов в настоящее время недостаточно полны. Однако во всех случаях отмечается либо увеличение наклона ниспадающей ветви кривой деформации, либо уменьшение пластичности. Это указывает на необходимость деформирования титановых сплавов при относительно низких скоростях деформации.

Имеющиеся в литературе данные о штамповке взрывом послужили основой для проведения работ по определению возможности штамповки взрывом деталей колец и бандажей из заготовок титанового сплава 48-ОТ3В для сферических переборок подводных лодок.
Изучение возможности взрывной штамповки деталей колец и бандажей для сферических переборок подводных лодок

Опорные кольца и бандажи сферической переборки (рис. 1) являются несущими конструкциями прочного корпуса современной подводной лодки. В настоящее время кольцо 1 и бандаж 2 сваривают из 8—10 деталей, изготавливаемых из листовых заготовок сплава 48-ОТЗВ толщиной 100—110 мм путем горячей гибки на мощных прессах усилием 10 000 т. После гибки детали подвергаются термической и дробеструйной обработкам, зачистке для устранения местных дефектов, травлению и механической обработке под сварку,

С целью определения возможности эффективного использования энергии взрыва для штамповки деталей колец и бандажей из листов толщиной до 110 мм были проведены специальные опыты.

Схемы взрывной штамповки и вид взрывчатого вещества


Штамповка крупногабаритных деталей производится, как правило, бризантными взрывчатыми веществами по одной из следующих схем:

1) заряд располагается непосредственно на заготовке (рис. 2, а ). Недостатками этой схемы являются значительный звуковой эффект, мгновенное нарастание и снятие нагрузки, достигающей 15 000 кгс/см2, частые случаи разрушения заготовки,

2) заряд подвешивается над заготовкой и сила взрыва передается через воздух (рис. 2,6). Недостатком этой схемы является низкий к. п. д. заряда (4—5%). Звуковой эффект при этом также весьма значителен;

3) снаряженная матрица погружается в воду или на нее устанавливается разовая емкость с водой, а заряд, подвешенный над заготовкой, тоже находится в воде, которая служит передающей средой (рис. 2,в). Эта схема представляет большой практический интерес и распространена в промышленном производстве наиболее широко. При незначительных затратах на оснастку производится штамповка крупногабаритных деталей, гибка, калибровка, отбортовка, пробивка отверстий и другие операции К преимуществам этой схемы следует отнести также высокий к. п. д., равномерное распределение давления по площади заготовки, возможность регулирования прилагаемого к ней усилия путем изменения расстояния от заряда до заготовки и столба воды над зарядом, невозможность проникновения в сталь инородных частиц, меньший звуковой эффект;

4) в качестве передающей среды используются сыпучие материалы (рис 2, г). По этой схеме производятся штамповка, формовка, гибка, калибровка По сравнению с предыдущей схемой к. п. д. штамповки в данном случае несколько меньший.

Из перечисленных выше схем для проведения опытных работ первоначально была принята за основную схема 3 (рис. 2, в). Так как штамповка осуществлялась за две и большее число операций, то на второй и последующих операциях применялась комбинированная передающая среда из воды и песка.

При проведении опытных работ была опробована штамповка по схеме 4 (рис. 2, г) с применением песка в качестве передающей среды. Было установлено, что эта схема штамповки в случае изготовления деталей колец бандажей более технологична и отвечает требованиям техники безопасности. Применение ее дает больший экономический эффект.

Штамповка деталей колец и бандажей по принятым схемам производилась без прижима заготовок по контуру.

В качестве взрывчатых веществ при проведении опытов использовались аммониты № б и Ж В № 6, которые обладают достаточной работоспособностью и скоростью детонации, хорошо возбуждаются обычными средствами, наименее опасны в обращении, выделяют малое количество вредных газов.

Параметры штамповки сосредоточенными зарядами определялись ориентировочно и в процессе опытных работ уточнялись. При штамповке равномерно распределенными зарядами силовые параметры определялись только опытным путем.

Исследование возможности изготовления деталей колец и бандажей взрывом


Опытные работы по определению возможности и оптимальных параметров штамповки деталей сферических переборок проводились как путем моделирования на заготовках деталей в масштабе 1:4, так и путем штамповки деталей в натуральную величину.

Моделирование проводилось с целью определения технологических особенностей процесса, уточнения основных принципов конструирования матриц, изучения характера изменения свойств и толщины материала в результате импульсного нагружения.

Для предварительного изучения вопроса была осуществлена штам повка моделированных деталей бандажа и кольца из сплава 48-ОТ3. Условия штамповки и результаты этих опытов приведены в табл. 1.

Моделированные детали бандажа штамповались по схеме 3 (рис. 2, в) с использованием железобетонной матрицы, облицованной стальными листами толщиной 8 мм. Первые две детали бандажа штамповались двухкилограммовыми зарядами. Вначале предусматривалось получить деталь требуемой формы за один взрыв, но произошло отклонение от заданных размеров до 6 мм (детали № 1 и 2, табл. 1). Это указывало на необходимость увеличения веса заряда. При весе заряда 2,2 кг отклонение в размерах составило 4,5 мм (детали № 3 и 4). Штамповка зарядом 2,5 кг (деталь № 5) уменьшила отклонение до 3 мм. С увеличением веса заряда происходило увеличение участка по центру заготовки, наиболее соответствующего форме матрицы. Из-за недостаточной прочности матрицы (вследствие чего постоянно и значительно изменялась после штамповки форма рабочей полости) невозможно было получить деталь более точных размеров. Однако опытные данные показали, что можно получить форму бандажа способом штамповки взрывом.

При исследовании свойств металла после штамповки деталей бандажа установлено, что сплав 48-ОТ3 претерпевает некоторые изменения, обычные при деформациях подобного рода в условиях гибки заготовок под прессами.

Штамповка деталей колец в условиях моделирования проводилась в металлической матрице (рис. 3). В качестве передающей среды на пер вой операции использовались вода или песок, на последующих операциях — вода и песок, причем последним заполнялось пространство между дном бака и заготовкой.

Заготовки для деталей кольца № 1—4 штамповались с использованием воды в качестве передающей среды на всех операциях. Сравнивая результаты штамповки первой и второй деталей, можно заметить, что силовые параметры процесса для второй детали, выбранные с учетом уменьшения высоты подвески заряда на первой и второй операциях и веса заряда на первой операции, оказались более благоприятными. Несмотря на то, что штамповка детали № 3 осуществлялась детонитом 15-А-10 с отличающимися от аммонитов свойствами, полученные данные были использованы при штамповке детали № 4, и она была отштампована за две операции.

Таким образом, была доказана возможность штамповки моделированной детали кольца за три и две операции с применением воды в качестве передающей среды.

В опытах над деталями № 5—7 вода для передачи силового воздействия заряда на заготовки использовалась при первой операции. Последующие операции проводились с применением песка. Деталь № 5 на второй операции была перештампована. При дополнительной операции с применением двух симметрично установленных зарядов была получена требуемая форма детали. Для детали № 6 с учетом результатов штамповки детали № 5 были изменены условия выполнения первой операции, что положительно сказалось на результатах: форма детали значительно приблизилась к заданной. Однако зазор между деталью и матрицей равный 4—5 мм свидетельствовал о том, что величина заряда была несколько меньше необходимой для получения нужного формоизменения. При штамповке детали № 7 параметры второй операции были выбраны более правильно и получены лучшие результаты.

На детали № 8 была проверена возможность штамповки зарядом весом 1500 г с использованием воды в качестве передающей среды. Ввиду того, что на заготовке со стороны матрицы образовалась трещина, опыты были прекращены.

Таким образом, для штамповки деталей сосредоточенными по центру зарядами с применением воды в качестве передающей среды на первой и песка на последующих операциях наиболее приемлемы параметры штамповки, примененные для детали № 7.

Общий вид деталей кольца после взрывной штамповки показан на рис. 4 и 5.


Опыты, проведенные на деталях № 1—7, подтвердили возможность их штамповки в пределах допусков. Однако в случае штамповки сосредоточенными по центру зарядами заготовки на концах прогибались несколько меньше, чем по центру, и отклонения от заданных размеров были именно на участках, удаленных от концов примерно на 100 мм. Поэтому необходимо было искать более совершенные способы взрывной штамповки

На деталях № 9 и 10 было проверено действие (на первой операции) двух зарядов весом по 750 г, расположенных вправо и влево от центра заготовки на расстоянии 150 мм и на высоте равной также 150 мм. Заряды подрывались одновременно. При штамповке по этой схеме не выявлено никаких преимуществ в отношении улучшения формоизменения по сравнению с предыдущими схемами.

В то же время обнаружение на поверхности детали № 9 трещин послужило причиной дальнейших поисков формы зарядов и параметров штамповки.

На детали № 11 испробован сдвоенный фигурный заряд — нижний весом 800 г и верхний весом 1500 г (рис. 6). Заряды были соединены между собой детонационным шнуром- Расстояние от нижнего заряда до заготовки составляло 85 мм, расстояние между зарядами — 60 мм. От детонатора взрывался только нижний заряд, а верхний — от детонационного шнура. Этим достигалось накопление заготовкой энергии, необходимой для формоизменения за больший промежуток времени. Заготовка и матрица в этом случае испытывают несколько меньшее давление и, следовательно, работают в менее тяжелых условиях.

После взрыва деталь приняла более правильную, чем в предыдущих опытах, форму. Однако от продолжения испытаний также пришлось отказаться, так как на обратной стороне детали появлялись дефекты и нарушалась сплошность металла, как и на деталях из заготовок № 8 и 9.

Для дальнейшего изыскания оптимальных параметров на деталях № 12—15 были проведены опыты по штамповке рассредоточенными зарядами, устанавливавшимися в передающей среде из речного или морского песка. Заряды располагались по площади заготовки на ширине 150 мм и параллельно ей на высоте 150, 100 и 120 мм.

С учетом результатов штамповки деталей № 12 и 13 была отштампована за две операции деталь № 14, которая соответствовала заданным размерам и имела хорошую форму. По результатам штамповки детали № 15 было установлено, что можно изготовлять детали кольца за одну операцию, используя энергию взрыва плоского рассредоточенного заряда. действующего через песок.

Необходимо отметить, что при оптимальных параметрах взрывной штамповки поверхность детали, как правило, остается без дефектов. Нарушения сплошности металла не наблюдалось даже на кромках заготовок, не притупленных после резки огнем или механической обработки.

Однако в отдельных случаях на поверхности детали колец после штамповки имелись дефекты — ожоги, вмятины и трещины (рис. 7). Они располагались на поверхности деталей на стороне растянутых при штамповке волокон, т. е. на стороне, противоположной стороне расположения заряда. Вмятины имели пологие края, местами переходили в трещины, вдоль вмятин и трещин наблюдалось волнообразное утолщение металла. Вмятины и трещины (рис. 8) в отличие от ожогов являются недопустимыми дефектами.

Деталь № 9, отштампованная одновременно двумя зарядами аммонита ЖВ № 6 весом 750 г каждый, имела ожог и поперечную трещину

На детали № 8 во время гибки образовалась продольная трещина. Штамповка этой детали проводилась сосредоточенным центральным зарядом аммонита ЖВ № 6 весом 1500 г, который был подвешен на расстоянии 200 мм от заготовки.

Деталь № 11, отштампованная двойным фигурным кумулятивным зарядом из аммонита ЖВ № 6 (рис. 6), имела вмятину по всей длине и ожоги с трещинами по концам. Расположение дефектов на детали № 11 подтверждает кумулятивное действие зарядов.

Детали, отштампованные без дефектов, имели параметры штамповки, отличающиеся от параметров штамповки деталей № 8, 9 и 11 либо большей высотой расположения зарядов, либо меньшим весом последних.

Следовательно, при штамповке деталей сосредоточенными зарядами увеличение силового воздействия заряда на заготовку может повлечь за собой образование дефектов типа ожогов, вмятин и трещин на поверхности с растянутыми волокнами.

Образования дефектов совершенно не наблюдалось при штамповке рассредоточенными зарядами, хотя, например, штамповка детали № 15 осуществлялась зарядом аммонита, весившим 2 кг при высоте подвески 120 мм.

После выяснения причин возникновения дефектов можно сделать вывод, что для предупреждения их образования необходимо штамповать детали, как правило, плоскими рассредоточенными зарядами. При штамповке сосредоточенным зарядом его величина и высота подвески должны быть выбраны правильно. В противном случае необходимо обеспечивать защиту полости матрицы от попадания в нее газов, образовавшихся при взрыве.

После опытных работ, проведенных на масштабных образцах деталей бандажа и кольца, можно было перейти к штамповке деталей в натуральную величину.

Несмотря на то, что опытами на моделированных образцах была доказана возможность образования способом взрывной штамповки форм деталей колец и бандажей, требовалось выяснить характер поведения металла заготовок для этих деталей в натуральную величину, в том числе пружинение, утонение, изменение механических свойств и структуры. Требовалось также определить форму полости матрицы для получения правильных размеров детали и проверить конструкционную прочность оснастки.

С этой целью была проведена опытная штамповка заготовок натурных деталей бандажа и кольца, результаты которой приведены в табл. 2. Разовая матрица для штамповки детали бандажа была изготовлена в скальном грунте, а ее рабочая полость облицована транспортерной лентой. Штамповка в такой матрице осуществлялась по схеме, приведенной на рис. 2, в. Заготовка детали бандажа была сделана из стального листа толщиной 100 мм. Полученные после штамповки размеры центральной части детали на длине 1600 мм соответствовали заданным (рис. 9). Концы детали имели несколько меньший прогиб.

Результаты замеров толщин заготовок и деталей в одних и тех же точках до и после штамповки показали, что утонения не произошло. Незначительная разница в отдельных случаях была в пределах ошибки измерения.

Опытная штамповка натурных деталей кольца была проведена с применением металлической матрицы вначале на стальной заготовке размером 3200х200х50 мм. Детали колец штамповались в основном рассредоточенными по площади зарядами. Установка для штамповки натурных деталей кольца показана на рис. 10 и 11.

Деталь № 1 после первой штамповки плоским зарядом, весившим 11 кг, была недоштамгювана по центру, а близкие к концам участки были выполнены по форме. Следовательно, поведение этой заготовки оказалось несколько отличным от поведения заготовок моделированной детали при нагружении по той же схеме.

После второй операции штамповки центральным зарядом весом 7 кг, установленным в песке на высоте 600 мм, деталь оказалась перештампованной. Третья операция (для исправления формы) положительных результатов не дала. Поскольку эта деталь была тоньше, чем нужно, дальнейшие опыты на ней не проводились.

Штамповка детали № 2 размером 3100х950х95 мм из сплава 48-ОТ3В осуществлялась на первой операции рассредоточенным зарядом весом 30 кг, размещенным в воде на расстоянии 600 мм. Была получена форма, близкая к заданной. Максимальный зазор между деталью и матрицей составил 35 мм.

Дальнейшее проведение опытов осложнилось, так как литая стальная матрица разрушилась от действия предыдущих взрывов. Для работы оказалась пригодной лишь средняя часть на длине 2000 мм. Заготовка, имевшая длину более 3000 мм, не могла подвергаться штамповке по всей длине и штамповалась по частям.

При штамповке с передающей средой из песка зарядами весом 50 (операция 3) и 44 кг (операция 4) на длине 2000 мм было установлено, что вес зарядов завышен. После 5-й операции была получена деталь кольца с превышением стрелы прогиба на 27 мм (рис. 12). Деталь имела плавно загнутую цилиндрическую форму. На поверхности металла никаких видимых дефектов не было.

Деталь № 3 из сплава 48-ОТ3В, имеющая такие же, как и деталь № 12, размеры, подвергнутая штамповке на длине заготовки 2000 мм плоским зарядом весом 35 кг, за два взрыва приобрела форму, соответствующую заданной. Максимальное отклонение от требуемых размеров составляло 4 мм.

Заготовка детали № 4 длиной 2000 мм была отштампована за две операции плоскими зарядами весом 35 кг каждый. Заряды были установлены на высоте 400 мм, в качестве передающей среды использовался песок.

Выводы


1. В работе установлено, что натурные детали колец и бандажей из заготовок титанового сплава могут штамповаться с применением энергии взрыва.

2. Форма деталей, отштампованных взрывом, более близка к заданной, чем при изготовлении деталей под гидравлическими прессами. Максимальные отклонения стрелы прогиба от номинальных размеров на длине чистовой детали (2600 мм) находятся в пределах от +4 до -3 мм. Поверхность детали, отштампованной взрывом, не нуждается в дополнительной обработке.

3. При штамповке взрывом в качестве передающей среды для передачи силового воздействия заряда на заготовку могут применяться как вода, так и песок, а также вода и песок одновременно. Однако наиболее подходящей передающей средой является песок, так как он обеспечивает минимальную стоимость штамповки, позволяет уменьшить опасность процесса ввиду отсутствия осколков от емкостей, а также дает возможность удобно разместить заряд любой формы.

4. Рабочая полость матрицы должна изготавливаться в номинальных размерах.

5. Прочность опытной литой стальной матрицы оказалась недостаточной. Конструкция матрицы, изготовленной из сборных пластин, по-видимому, наиболее приемлема. Пружинение, регулируемое силовым воздействием взрыва на заготовку, может быть полностью устранено.

6. Утонения заготовок при штамповке взрывом опытных деталей колец и бандажей не наблюдалось.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: