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無模爆炸成型

2006-11-17 00:00:00

 
 

無模爆炸成型

 

完成時間197611

工程地點:遼寧省大連市甘井子區棠梨溝村

完成單位:大連爆炸加工研究所

項目主持人及參加人員:陳火金、周家良、趙安德、鄭本玉、梅茂順

撰 稿 人:王勇

 

1前言

 

    用爆炸成型代替常規的沖壓生產大型封頭,主要解決大型沖壓設備問題。但是,在推廣應用爆炸成型這項新工藝時,尤其是用于生產大型合金鋼封頭時,遇到的主要問題是模具制造及其壽命問題。

    以過去生產的921合金鋼封頭為例,用Z35鋼作模具,當模具重量為封頭產品重量的比為16倍時,只炸兩個封頭,模具就破壞了;為30倍時,炸了6個封頭,模具也壞了。可見如果要炸一種700kg重的合金鋼封頭,若模具重量按30倍產品重量計算,則模具需要2lt;而當產品重量為2300kg時,模具重量達69t。這么大的模具,不論是制造、運輸還是使用都很困難,而且炸幾炮就可能破壞。因此,模具問題直接限制著爆炸成型的推廣應用。

    過去,為了解決模具問題,一般都從模具材料和結構方面進行改進,因而出現了塑料模、水泥模、自由成型(無底)模和慣性模等等。

    我們分析了模具的作用,是以阻力來控制板料的流動,根據自由運動板變形的原理和利用爆炸形成載荷分布可調性的特點,提出了甩掉笨重鋼模的設想。

我們在砂坑里進行了爆炸成型試驗。發現砂坑形狀對產品的線形影響不大。這一現象告訴我們,砂坑雖然有阻力,但它畢竟是半流體,已經失去模具的作用了。在沙坑中成型時,對產品線形起決定性作用的因素不是砂坑形狀,而是藥包參數(藥形、藥位、藥量)。決定產品線形的主要因素已由模具變為藥包,即由有模成型變為無模成型了。這種認識上的飛躍,使我們的研究重點很快從砂坑轉到藥包參數。僅用不到三個月的時間就試制出第一個無模成型產品(球徑F2640mm,口徑F2011mm,板厚22mm,重700kg92l合金鋼封頭)。不久,又用無模成型試制出重2300kg的大型合金鋼封頭(球徑F3200mm,口徑F2500mm,板厚42mm,材料902)。這兩種產品都是當年投入生產。

 

2無模成型的基本原理

 

    成型的實質是控制板料在外載作用下的流動(方向和大小),使之獲得所要求的外形尺寸(線形)。而板料流動取決于載荷大小及分布、材料變形抗力和模具阻力。在有模成型時,主要是利用模具的阻力(即約束作用)來控制線形的。而無模成型則主要是利用控制載荷分布的辦法來控制線形。

無模成型的基本原理是動載下自由運動板的變形。自由運動板在f力的作用下加速到v。如果自由運動板各質點在卸載后具有相同的速度矢量,則自由運動板將保持原有形狀(不變形)而做等速運動。如各質點的速度矢量不同(大小或方向不同),則在自由運動板中將產生內力。當內力超過材料的變形抗力時,就產生變形。在變形的同時,自由運動板各質點的運動速度重新分布,并趨于一致,系統的部分動能轉化為變形功。可見,無模成型是以質點速度矢量差為基礎的,而速差又取決于載荷分布和質量分布。所以,利用爆炸載荷分布可調性的特點來控制線形是可以辦到的。

 

3無模成型時對防皺問題的探討

 

    無模成型,如果措施不當,則爆炸后工件有可能起皺。

    根據有模成型的經驗,當板料相對厚度s/D>0.02和壓延系數M=d/D>0.6時,不會起皺。但是,當s/D<0.015d/D <0.6時,就會出現皺紋,必須采取防皺措施。

式中 s----板料厚度,mm

     D----板料直徑,mm

     d----工件口徑,mm

我們用無模爆炸成型試制的第一種封頭,板厚s=22mm,板料直徑D= F2250mm,工件口徑d=2011mm。按上式判斷, s/D=0.0098<0.015,起皺問題在l7的模擬試驗時就暴露出來了。

    分析起皺的內因是板料切線方向的穩性小,因而采取了既提高板料切線方向的穩性又適合于無模成型的措施,即采用防皺圈來解決起皺問題(見圖1),效果良好。

 

 

1  防皺圈的結構

 

    實踐證明,當防皺圈的材料與封頭材料相同時,防皺條件為滿足以下關系:(0.02D)2×(D-d)-s2×(D-d)=2t2×s’由此得:

 

式中 D----板料直徑,mm

     d----工件口徑,mm

     s----板料厚度,mm

     s----防皺圈厚度,mm

     l----防皺圈高度,mm

    s=O.02D時,t=0,即不需要防皺,這與有模成型不需壓邊的結論一致。

    由于防皺圈的存在,雖然增加了變形功,但也增加了板料周邊的慣性力,相當于非均質板。在成型過程中,防皺圈圍繞其形心翻轉,有被拉平的趨勢(見圖2),并由此產生一個對板料周邊的內推力。這種輔助作用隨t/s’值的增加而增加。但當防皺圈被拉平后,口徑繼續內縮就相當困難了。從這一點出發,希望加大t/s’值。在實際應用中,通常取t/s=1.52.5

 

 

防皺圈對封頭成型的影響

 

4無模成型裝置及工藝參數的選擇

 

    3為無模成型裝置及成型示意圖。用砂坑支撐板料是因為砂子的透氣性好,為高速成型的自然排氣創造有利條件。實踐證明,對厚板成型,采用泥坑也能獲得滿意的結果。泥坑雖然透氣性不好,容易在底部出現反鼓包(這種反鼓包是很容易利用放小炮校準的),但是泥坑的支撐反力大,對改善封頭四

周的線形有利。

 

 

無模成型裝置及成型示意圖

1-雷管;2-起爆藥柱;3-主發藥;4-板料;5-成型后的封頭;6-砂坑(自然錐)

 

    對砂坑的基本要求是既要有盡可能大的容積,又要有盡可能大的支撐反力。鑒于這兩條,通常采用“自然錐”。對一般濕度的砂子,“自然錐”坑的錐角q100°。砂坑直徑D’取板料直徑D1.52倍。把準備好的板料放進砂坑。在板料上方鋪一層砂子,其厚度即吊高h,取決于工件口徑d。然后用刮板在砂子上面刮出藥形,裝上炸藥,再用砂子把藥包蓋上,等待起爆。

    在無模成型時,藥包參數(藥形、藥位、藥量)的選擇很重要。按過去的經驗,對球形封頭來說,用平面藥包較好。藥位h=0.12d(d為工件口徑)。藥徑d=d-2.4h。介質高度H4h。單位面積藥量按下式估算:

 

式中  s----板厚,mm

      s----材料強度,kg/mm2

      h----藥位,mm

      R----封頭的曲率半徑,mm

      總藥量               W=0.785d'2×q

式中,d’為藥包直徑,cm

 

5大型橢圓封頭的無模成型

 

    把橢圓封頭分成兩部分(見圖4)。其中第一部分(底部)類似于球形封頭,可以用上述裝置進行無模爆炸拉深。第二部分(壁部)類似脹形件,可以用臺錐形毛坯(見圖5)裝置進行無模爆炸脹形。分段爆炸時,在兩部分的交界處各留出適當余量。爆炸后在適當位置切去余量,保證線形光順,然后用一條環縫并焊成橢圓封頭。

 

 

大型橢圓封頭無模成型方案

 

 

無模爆炸脹型裝置

1-臺錐形毛坯;2-環形藥包;3-傳爆藥;4-起爆藥;5-雷管;6-成型后的工件

    無模脹型的藥包參數可用能量法估算,并進行必要的模擬試驗。

這種方法可應用于口徑在2m以上的大型的橢圓封頭的單件小批量生產。而對中小型橢圓封頭,建議設計部門進一步研究,使之標準化、系列化,并采用拉深環自由成型工藝。

 

6局部成型

 

    在無模成型的實踐中,為了提高成型件的精度,可采用局部成型(或稱局部校型)工藝。局部成型是依靠板料變薄來實現的。例如,用局部成型來消除反鼓包及內皺時,如果藥包參數選擇得當,其變薄幾乎顯現不出來。

  局部成型不僅能使內凹外凸,而且在一定的范圍內,能使外凸拉平,從而促使產品線形光順。當局部成型作為校型手段時,由于變形量很小,通常采用開放式的平面藥包(見圖6)。每次可用一個藥包,也可以用一組(即幾個)藥包進行爆炸。

 

 

局部校型裝置

 

    例如,我們在炸一種F2000mm口徑的不銹鋼與鋼的雙金屬封頭時,毛料直徑D=F2300mm,厚度s=2.5+9.5=12mm。由于相對厚度較小(sD=0.4),在無模爆炸拉深時出現內皺及鼓包,為此,采用下列工藝參數局部校型,收到良好的效果。

    藥包直徑d=F200mm,藥量塒w=0.5kg,通過試驗找出能使工件進入塑性狀態的最大藥位h=150ram。因此,對各種不同情況采用下列不同的藥位:

  校大“鼻子”時:h50mm

  校大包時:h取’70mm

  校小包時:h100mm

  校微包時:h120mm

  用以光順時:h150mm

 

7小結

 

    (1)在試制球形封頭時,打破了爆炸拉深慣用錐形藥包的框框,用平面藥包取而代之。這不僅改善了產品線形,減少了成型次數,而且使砂耗量顯著降低。

    在試制大型橢圓封頭時,采用了分段法,從而在無模拉深的基礎上產生了無模脹形工藝。現在看來,無模脹形不僅能解決橢圓封頭的壁部成型問題,而且完全可以推廣到其他類似的脹形件。

    局部成型是在為提高無模成型產品尺寸精度的實踐中產生的。這種方法今后可用于某些船體殼板的校型。

    (2)無模成型是從有模成型發展起來的,它對某些大型封頭是有效的,但不是什么產品都可以用無模成型。比如說,形狀復雜、精度高、相對厚度小的產品就不適合用無模成型。但是,如果把無模成型的經驗,反過來推廣到有模成型中去,加強對有模成型藥包參數的研究,起碼能提高模具壽命或減輕模具重量。

    (3)從常規沖壓到爆炸成型,突破了大型沖壓設備的限制;在爆炸成型中,從有模成型到無模成型,突破了大型模具的限制;在無模成型出現后,對球形封頭來說,又從最初的七炮成型到現在的一炮成型。


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