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无模爆炸成型

2006-11-17 00:00:00.0

 
 

无模爆炸成型

 

完成时间197611

工程地点:辽宁省大连市甘井子区棠梨沟村

完成单位:大连爆炸加工研究所

项目主持人及参加人员:陈火金、周家良、赵安德、郑本玉、梅茂顺

撰 稿 人:王勇

 

1前言

 

    用爆炸成型代替常规的冲压生产大型封头,主要解决大型冲压设备问题。但是,在推广应用爆炸成型这项新工艺时,尤其是用于生产大型合金钢封头时,遇到的主要问题是模具制造及其寿命问题。

    以过去生产的921合金钢封头为例,用Z35钢作模具,当模具重量为封头产品重量的比为16倍时,只炸两个封头,模具就破坏了;为30倍时,炸了6个封头,模具也坏了。可见如果要炸一种700kg重的合金钢封头,若模具重量按30倍产品重量计算,则模具需要2lt;而当产品重量为2300kg时,模具重量达69t。这么大的模具,不论是制造、运输还是使用都很困难,而且炸几炮就可能破坏。因此,模具问题直接限制着爆炸成型的推广应用。

    过去,为了解决模具问题,一般都从模具材料和结构方面进行改进,因而出现了塑料模、水泥模、自由成型(无底)模和惯性模等等。

    我们分析了模具的作用,是以阻力来控制板料的流动,根据自由运动板变形的原理和利用爆炸形成载荷分布可调性的特点,提出了甩掉笨重钢模的设想。

我们在砂坑里进行了爆炸成型试验。发现砂坑形状对产品的线形影响不大。这一现象告诉我们,砂坑虽然有阻力,但它毕竟是半流体,已经失去模具的作用了。在沙坑中成型时,对产品线形起决定性作用的因素不是砂坑形状,而是药包参数(药形、药位、药量)。决定产品线形的主要因素已由模具变为药包,即由有模成型变为无模成型了。这种认识上的飞跃,使我们的研究重点很快从砂坑转到药包参数。仅用不到三个月的时间就试制出第一个无模成型产品(球径F2640mm,口径F2011mm,板厚22mm,重700kg92l合金钢封头)。不久,又用无模成型试制出重2300kg的大型合金钢封头(球径F3200mm,口径F2500mm,板厚42mm,材料902)。这两种产品都是当年投入生产。

 

2无模成型的基本原理

 

    成型的实质是控制板料在外载作用下的流动(方向和大小),使之获得所要求的外形尺寸(线形)。而板料流动取决于载荷大小及分布、材料变形抗力和模具阻力。在有模成型时,主要是利用模具的阻力(即约束作用)来控制线形的。而无模成型则主要是利用控制载荷分布的办法来控制线形。

无模成型的基本原理是动载下自由运动板的变形。自由运动板在f力的作用下加速到v。如果自由运动板各质点在卸载后具有相同的速度矢量,则自由运动板将保持原有形状(不变形)而做等速运动。如各质点的速度矢量不同(大小或方向不同),则在自由运动板中将产生内力。当内力超过材料的变形抗力时,就产生变形。在变形的同时,自由运动板各质点的运动速度重新分布,并趋于一致,系统的部分动能转化为变形功。可见,无模成型是以质点速度矢量差为基础的,而速差又取决于载荷分布和质量分布。所以,利用爆炸载荷分布可调性的特点来控制线形是可以办到的。

 

3无模成型时对防皱问题的探讨

 

    无模成型,如果措施不当,则爆炸后工件有可能起皱。

    根据有模成型的经验,当板料相对厚度s/D>0.02和压延系数M=d/D>0.6时,不会起皱。但是,当s/D<0.015d/D <0.6时,就会出现皱纹,必须采取防皱措施。

式中 s----板料厚度,mm

     D----板料直径,mm

     d----工件口径,mm

我们用无模爆炸成型试制的第一种封头,板厚s=22mm,板料直径D= F2250mm,工件口径d=2011mm。按上式判断, s/D=0.0098<0.015,起皱问题在l7的模拟试验时就暴露出来了。

    分析起皱的内因是板料切线方向的稳性小,因而采取了既提高板料切线方向的稳性又适合于无模成型的措施,即采用防皱圈来解决起皱问题(见图1),效果良好。

 

 

1  防皱圈的结构

 

    实践证明,当防皱圈的材料与封头材料相同时,防皱条件为满足以下关系:(0.02D)2×(D-d)-s2×(D-d)=2t2×s’由此得:

 

式中 D----板料直径,mm

     d----工件口径,mm

     s----板料厚度,mm

     s----防皱圈厚度,mm

     l----防皱圈高度,mm

    s=O.02D时,t=0,即不需要防皱,这与有模成型不需压边的结论一致。

    由于防皱圈的存在,虽然增加了变形功,但也增加了板料周边的惯性力,相当于非均质板。在成型过程中,防皱圈围绕其形心翻转,有被拉平的趋势(见图2),并由此产生一个对板料周边的内推力。这种辅助作用随t/s’值的增加而增加。但当防皱圈被拉平后,口径继续内缩就相当困难了。从这一点出发,希望加大t/s’值。在实际应用中,通常取t/s=1.52.5

 

 

防皱圈对封头成型的影响

 

4无模成型装置及工艺参数的选择

 

    3为无模成型装置及成型示意图。用砂坑支撑板料是因为砂子的透气性好,为高速成型的自然排气创造有利条件。实践证明,对厚板成型,采用泥坑也能获得满意的结果。泥坑虽然透气性不好,容易在底部出现反鼓包(这种反鼓包是很容易利用放小炮校准的),但是泥坑的支撑反力大,对改善封头四

周的线形有利。

 

 

无模成型装置及成型示意图

1-雷管;2-起爆药柱;3-主发药;4-板料;5-成型后的封头;6-砂坑(自然锥)

 

    对砂坑的基本要求是既要有尽可能大的容积,又要有尽可能大的支撑反力。鉴于这两条,通常采用“自然锥”。对一般湿度的砂子,“自然锥”坑的锥角q100°。砂坑直径D’取板料直径D1.52倍。把准备好的板料放进砂坑。在板料上方铺一层砂子,其厚度即吊高h,取决于工件口径d。然后用刮板在砂子上面刮出药形,装上炸药,再用砂子把药包盖上,等待起爆。

    在无模成型时,药包参数(药形、药位、药量)的选择很重要。按过去的经验,对球形封头来说,用平面药包较好。药位h=0.12d(d为工件口径)。药径d=d-2.4h。介质高度H4h。单位面积药量按下式估算:

 

式中  s----板厚,mm

      s----材料强度,kg/mm2

      h----药位,mm

      R----封头的曲率半径,mm

      总药量               W=0.785d'2×q

式中,d’为药包直径,cm

 

5大型椭圆封头的无模成型

 

    把椭圆封头分成两部分(见图4)。其中第一部分(底部)类似于球形封头,可以用上述装置进行无模爆炸拉深。第二部分(壁部)类似胀形件,可以用台锥形毛坯(见图5)装置进行无模爆炸胀形。分段爆炸时,在两部分的交界处各留出适当余量。爆炸后在适当位置切去余量,保证线形光顺,然后用一条环缝并焊成椭圆封头。

 

 

大型椭圆封头无模成型方案

 

 

无模爆炸胀型装置

1-台锥形毛坯;2-环形药包;3-传爆药;4-起爆药;5-雷管;6-成型后的工件

    无模胀型的药包参数可用能量法估算,并进行必要的模拟试验。

这种方法可应用于口径在2m以上的大型的椭圆封头的单件小批量生产。而对中小型椭圆封头,建议设计部门进一步研究,使之标准化、系列化,并采用拉深环自由成型工艺。

 

6局部成型

 

    在无模成型的实践中,为了提高成型件的精度,可采用局部成型(或称局部校型)工艺。局部成型是依靠板料变薄来实现的。例如,用局部成型来消除反鼓包及内皱时,如果药包参数选择得当,其变薄几乎显现不出来。

  局部成型不仅能使内凹外凸,而且在一定的范围内,能使外凸拉平,从而促使产品线形光顺。当局部成型作为校型手段时,由于变形量很小,通常采用开放式的平面药包(见图6)。每次可用一个药包,也可以用一组(即几个)药包进行爆炸。

 

 

局部校型装置

 

    例如,我们在炸一种F2000mm口径的不锈钢与钢的双金属封头时,毛料直径D=F2300mm,厚度s=2.5+9.5=12mm。由于相对厚度较小(sD=0.4),在无模爆炸拉深时出现内皱及鼓包,为此,采用下列工艺参数局部校型,收到良好的效果。

    药包直径d=F200mm,药量埘w=0.5kg,通过试验找出能使工件进入塑性状态的最大药位h=150ram。因此,对各种不同情况采用下列不同的药位:

  校大“鼻子”时:h50mm

  校大包时:h取’70mm

  校小包时:h100mm

  校微包时:h120mm

  用以光顺时:h150mm

 

7小结

 

    (1)在试制球形封头时,打破了爆炸拉深惯用锥形药包的框框,用平面药包取而代之。这不仅改善了产品线形,减少了成型次数,而且使砂耗量显著降低。

    在试制大型椭圆封头时,采用了分段法,从而在无模拉深的基础上产生了无模胀形工艺。现在看来,无模胀形不仅能解决椭圆封头的壁部成型问题,而且完全可以推广到其他类似的胀形件。

    局部成型是在为提高无模成型产品尺寸精度的实践中产生的。这种方法今后可用于某些船体壳板的校型。

    (2)无模成型是从有模成型发展起来的,它对某些大型封头是有效的,但不是什么产品都可以用无模成型。比如说,形状复杂、精度高、相对厚度小的产品就不适合用无模成型。但是,如果把无模成型的经验,反过来推广到有模成型中去,加强对有模成型药包参数的研究,起码能提高模具寿命或减轻模具重量。

    (3)从常规冲压到爆炸成型,突破了大型冲压设备的限制;在爆炸成型中,从有模成型到无模成型,突破了大型模具的限制;在无模成型出现后,对球形封头来说,又从最初的七炮成型到现在的一炮成型。