RU2049581C1 - Gas explosion forging method and apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: metal working. SUBSTANCE: method involves exposing billet to shock wave generated during explosion of combustible gas mixture. Prior to exploding, gas mixture is subjected to pulsed compression and maintained in such state till explosion moment. Apparatus has die and explosion chamber with cavity divided into two sections by heavy wall. Both sections are provided with gas mixture supply fittings and detonation initiating members. Section adjacent to die has wall, where detector for actuation of detonation initiating member is built-in. EFFECT: increased efficiency and wider operational capabilities. 3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением с использованием импульсных источников энергии, а именно энергии ударной волны, образуемой при взрыве горючей газовой смеси, и предназначено главным образом для штамповки в машиностроительной промышленности. Оно может быть использовано также в приборостроении и строительстве для изготовления металлических корпусов и силовых оболочек различного назначения. The invention relates to the processing of metals by pressure using pulsed energy sources, namely the energy of the shock wave generated by the explosion of a combustible gas mixture, and is intended mainly for stamping in the engineering industry. It can also be used in instrumentation and construction for the manufacture of metal cases and power shells for various purposes.

При импульсной штамповке крупногабаритных изделий из высокопрочных материалов, например нержавеющей стали, хромистой стали, упрочняемых титановых сплавов и т.п. традиционно используется способ, основанный на применении конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) тротила, октола и др. Процесс штамповки сопровождается образованием мощной ударной волны разлетом токсичных продуктов детонации и резким звуковым эффектом. Это значительно затрудняет, а в ряде случав делает вообще невозможным использование данного способа в закрытых производственных помещениях. К тому же наличие конденсированных ВВ требует строительства специальных хранилищ с соответствующими обслуживанием и охраной. В связи с этим промышленные предприятия, ориентирующиеся на штамповочное производство с использованием импульсных источников энергии, все чаще ставят перед разработчиком взрывных технологий условия неприемлемости применения конденсированных ВВ. Выдвигаются требования разработки более безопасных технологий, основывающихся на использовании стехиометрических взрывчатых газовых смесей горючего газа и газа окислителя, например смеси водорода с кислородом или атмосферным воздухом. In pulse stamping of large-sized products from high-strength materials, such as stainless steel, chromium steel, hardened titanium alloys, etc. traditionally used is a method based on the use of condensed explosives (BB) of trotyl, octol, etc. The stamping process is accompanied by the formation of a powerful shock wave by the expansion of toxic detonation products and a sharp sound effect. This greatly complicates, and in some cases makes it generally impossible to use this method in closed production rooms. In addition, the presence of condensed explosives requires the construction of special storage facilities with appropriate maintenance and security. In this regard, industrial enterprises focusing on stamping using pulsed energy sources are increasingly setting the developer of explosive technologies on the unacceptability of using condensed explosives. There are demands for the development of safer technologies based on the use of stoichiometric explosive gas mixtures of combustible gas and oxidizing gas, for example a mixture of hydrogen with oxygen or atmospheric air.

Известен способ газовзрывной штамповки, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся при взрыве горючей газовой смеси, которую перед подрывом сжимают и удерживают в сжатом состоянии до момента подрыва. There is a method of gas-explosive stamping, which consists in exposing a workpiece to a shock wave generated during the explosion of a combustible gas mixture, which is compressed and held in compression before undermining until undermining.

Известно устройство для газовзрывной штамповки, содержащее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода газовой смеси и элементом инициирования детонации. A device for gas-explosive stamping containing a matrix and an explosive chamber with valves for supplying a gas mixture and an element for initiating detonation.

Недостатком данных известных технических решений являются ограниченные эксплуатационные возможности, поскольку интенсивность загружения остается недостаточной для штамповки толстостенных изделий из высокопрочных материалов, таких, например, как нержавеющая сталь или титановые сплавы. The disadvantage of these known technical solutions is limited operational capabilities, since the loading intensity remains insufficient for stamping thick-walled products from high-strength materials, such as, for example, stainless steel or titanium alloys.

Технической задачей, на решение которой направлены данные изобретения, является расширение эксплуатационных возможностей. The technical problem, the solution of which the invention is directed, is the expansion of operational capabilities.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе газовзрывной штамповки, заключающемся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся при взрыве горючей газовой смеси, которую перед подрывом сжимают и удерживают в сжатом состоянии до момента подрыва, сжатие горючей газовой смеси производят импульсным методом. The problem is solved in that in the known method of gas-explosive stamping, which consists in exposing the workpiece to a shock wave generated during the explosion of a combustible gas mixture, which is compressed and held in a compressed state before undermining, the compression of the combustible gas mixture is carried out by a pulsed method.

Кроме того, для решения данной задачи известное устройство для газовзрывной штамповки, содержащее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода газовой смеси и элементом инициирования детонации, снабжено массивной перегородкой, установленной с возможностью перемещения во взрывной камере и разделяющей ее на два отсека, один из которых обращен к матрице, а также смонтированными в упомянутом отсеке дополнительной арматурой подвода газовой смеси, дополнительным элементом инициирования детонации и датчиком его задействования, при этом основные арматура подвода газовой смеси и элемент инициирования детонации установлены в отсеке, удаленном от матрицы. In addition, to solve this problem, the known device for gas-explosive stamping, containing a matrix and an explosive chamber with valves for supplying a gas mixture and a detonation initiation element, is equipped with a massive partition mounted for movement in the explosive chamber and dividing it into two compartments, one of which is facing to the matrix, as well as mounted in the said compartment with additional fittings for supplying the gas mixture, an additional element for initiating detonation and a sensor for its activation, while The new fittings for supplying the gas mixture and the detonation initiation element are installed in a compartment remote from the matrix.

В данном случае удалось без угрозы разрушения подводящей газовой арматуры и герметизирующих соединений многократно повысить начальные давление, плотность и скорость детонации смеси в области, непосредственно прилегающей к деформируемой заготовке. Давление же в детонационной (ударной) волне зависит от этих параметров и связано с ними соотношением
Р Р_о + ρ_оDU, где Р давление в детонационной волне;
P_о, ρ_о начальные давление и плотность газовой смеси, соответственно;
D скорость детонации;
U массовая скорость (практически постоянна в широком диапазоне плотностей смеси.In this case, without the threat of destruction of the gas fittings and sealing compounds, it was possible to repeatedly increase the initial pressure, density, and detonation velocity of the mixture in the region immediately adjacent to the deformable workpiece. The pressure in the detonation (shock) wave depends on these parameters and is related to them by the relation
P P _about + ρ _about DU, where P is the pressure in the detonation wave;
P _about , ρ _{about the} initial pressure and density of the gas mixture, respectively;
D detonation velocity;
U mass velocity (almost constant over a wide range of mixture densities.

На фиг. 1 представлено устройство для газовзрывной штамповки; на фиг. 2 схематически показаны следующие этапы штамповки; установка заготовки в матрицу и заполнение отсеков взрывной камеры горючей газовой смесью; на фиг. 3 детонация смеси во внутреннем отсеке камеры; на фиг. 4 разгон перегородки и сжатие ею смеси во внешнем отсеке камеры; на фиг. 5 детонация сжатой смеси во внешнем отсеке камеры; на фиг. 6 деформация заготовки в матрицу и обратный ход перегородки; на фиг. 7 приведены изделия, отштампованные данным способом. In FIG. 1 shows a device for gas explosion stamping; in FIG. 2 schematically shows the following stamping steps; installation of the workpiece in the matrix and filling the compartments of the explosive chamber with a combustible gas mixture; in FIG. 3 detonation of the mixture in the inner compartment of the chamber; in FIG. 4 acceleration of the partition and its compression of the mixture in the outer compartment of the chamber; in FIG. 5 detonation of the compressed mixture in the outer compartment of the chamber; in FIG. 6 deformation of the workpiece into the matrix and the reverse stroke of the partition; in FIG. 7 shows products stamped by this method.

Устройство (фиг. 1) состоит из матрицы 1, в которую вкладывается заготовка 2, и корпуса взрывной камеры 3, соединяемых между собой с помощью болтов или гидроцилиндров (не показаны). Внутри взрывной камеры 3 с возможностью продольного перемещения установлена массовая металлическая перегородка 4, разделяющая объем камеры на внутренний 5 отсек и внешний 6 отсеки. На боковой поверхности перегородка имеет одно или несколько обтюрирующих колец 7 и кольцевую проточку 8 под фиксирующие элементы 9, укрепленные в стенке корпуса камеры 3. Фиксирующие элементы могут быть выполнены, например, в виде равномерно расположенных по окружности подпружиненных стальных шариков. Между перегородкой 4 и внутренним отсеком 5 имеется кольцевая герметизирующая прокладка 10. Оба отсека камеры снабжены арматурой 11 для подачи горючей газовой смеси и элементами 12 инициирования детонации, выполненными, например, в виде традиционной детонационной трубки со свечой зажигания. В стенке корпуса внешнего отсека 6 установлен датчик замыкания 13 для контактного задействования элемента инициирования детонации этого отсека. The device (Fig. 1) consists of a matrix 1, into which the workpiece 2 is inserted, and the housing of the explosive chamber 3, connected to each other by bolts or hydraulic cylinders (not shown). Inside the explosive chamber 3 with the possibility of longitudinal movement, a massive metal partition 4 is installed, dividing the chamber volume into an internal 5 compartment and an external 6 compartment. On the side surface, the partition has one or more obturating rings 7 and an annular groove 8 for fixing elements 9, mounted in the wall of the camera body 3. The fixing elements can be made, for example, in the form of spring-loaded steel balls evenly spaced around the circumference. Between the partition 4 and the inner compartment 5 there is an annular sealing gasket 10. Both chamber compartments are equipped with fittings 11 for supplying a combustible gas mixture and detonation initiation elements 12, made, for example, in the form of a traditional detonation tube with a spark plug. In the wall of the housing of the external compartment 6, a closure sensor 13 is installed for contact activation of the detonation initiation element of this compartment.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

В матрицу 1 (фиг. 1 и 2) помещают листовую заготовку 1. Во взрывной камере 3 подвижную перегородку 4 устанавливают в исходное положение и фиксируют ее с помощью элементов 9, углубляющихся в проточку 8 (фиг. 1). При этом внутренний объем камеры 3 разделяют на два изолированных между собой отсека: внутренний 5 и внешний 6. С помощью прокладки 10 (фиг. 1) обеспечивают герметичность разделения отсеков. Посредством болтов или гидроцилиндров камеру через уплотняющие прокладки соединяют с матрицей 1. Через газовую арматуру 11 отсеки камеры заполняют горячей газовой смесью. Для надежного удержания перегородки 4 в исходном положении и поджатия герметизирующей прокладки 10 (фиг. 1) давление газа в отсеке 6 создают большим, чем в отсеке 5. Разницу давлений устанавливают, исходя из конкретной конструкции устройства и конкретных условий штамповки. A sheet blank 1 is placed in the matrix 1 (Figs. 1 and 2). In the blasting chamber 3, the movable partition 4 is set to its original position and fixed with the help of elements 9 deepening into the groove 8 (Fig. 1). In this case, the internal volume of the chamber 3 is divided into two compartments isolated from each other: the internal 5 and external 6. Using the gasket 10 (Fig. 1), the compartments are sealed tight. Using bolts or hydraulic cylinders, the chamber is connected to the matrix 1 through gaskets. Through the gas valve 11, the compartments of the chamber are filled with hot gas mixture. To reliably hold the partition 4 in its original position and preload the sealing strip 10 (Fig. 1), the gas pressure in the compartment 6 is greater than in the compartment 5. The pressure difference is set based on the specific design of the device and the specific stamping conditions.

Задействуют элемент 12 инициирования детонации смеси во внутреннем отсеке 5 (фиг. 3). Смесь претерпевает взрывчатое превращение, ударная волна подходит к перегородке 4. Invoke the element 12 to initiate detonation of the mixture in the internal compartment 5 (Fig. 3). The mixture undergoes an explosive transformation, the shock wave approaches the partition 4.

Под действием ударной волны и давления расширяющихся продуктов детонации смеси массивная перегородка 4 срывается с фиксирующих элементов 9 (фиг. 1) и разгоняется в сторону матрицы 1, сжимая газовую смесь во внешнем отсеке 6 (фиг. 4). Обтюрирующие кольца 7 (фиг. 1) препятствуют прорыву газов из одного отсека в другой. Under the action of the shock wave and the pressure of the expanding products of detonation of the mixture, the massive partition 4 breaks off from the fixing elements 9 (Fig. 1) and accelerates towards the matrix 1, compressing the gas mixture in the external compartment 6 (Fig. 4). Obturating rings 7 (Fig. 1) prevent the breakthrough of gases from one compartment to another.

Двигаясь и сжимая газ, перегородка подходит к датчику замыкания 13 и включает цепь задействования элемента 12 инициирования детонации в отсеке 6 (фиг. 5). Газовая смесь в отсеке 6 к этому моменту сжата в относительно тонкий слой, непосредственно прилегающий к деформируемой заготовке 2, и удерживается в сжатом состоянии за счет массовой инерции, сжимающей перегородки. Происходит взрыв сжатой газовой смеси в отсеке 6. Ударная волна большой интенсивности воздействует на заготовку 2 и перегородку 4 (фиг. 6). Заготовка вдавливается в матрицу 1, перегородка приобретает обратное движение в сторону внутреннего отсека 5. Цикл штамповки на этом завершается. Предварительное сжатие газовой смеси и удержание ее в сжатом состоянии до подрыва у поверхности заготовки позволяет сконцентрировать энергию последующего взрыва именно в этой области и направить ее непосредственно на совершение работы по штамповке изделия. На поверхности заготовки при этом достижимы давления в единицы килобар и, как следствие, становится возможной штамповка таких высокопрочных материалов, как нержавеющая сталь, хромистая сталь, упрочняемые титановые сплавы и др. Moving and compressing the gas, the partition approaches the closure sensor 13 and turns on the activation circuit of the detonation initiation element 12 in compartment 6 (Fig. 5). The gas mixture in compartment 6 at this point is compressed into a relatively thin layer directly adjacent to the deformable workpiece 2, and is held in a compressed state due to mass inertia compressing the baffle. There is an explosion of the compressed gas mixture in compartment 6. A shock wave of high intensity acts on the workpiece 2 and the partition 4 (Fig. 6). The workpiece is pressed into the matrix 1, the partition acquires the reverse movement towards the inner compartment 5. The stamping cycle ends here. Pre-compression of the gas mixture and keeping it in a compressed state until undermining at the surface of the workpiece allows you to concentrate the energy of the subsequent explosion in this area and direct it directly to the work on stamping the product. At the same time, pressures of a few kilobar are achievable on the surface of the workpiece, and as a result, stamping of such high-strength materials as stainless steel, chromium steel, hardened titanium alloys, etc. is possible.

Разделение взрывной камеры на два отсека массивной подвижной перегородкой, приводимой в движение энергией взрыва, позволяет осуществить быстрое сжатие газа и его удержание в таком состоянии около заготовки. The separation of the explosive chamber into two compartments by a massive movable partition, driven by the energy of the explosion, allows for quick compression of the gas and its retention in this state near the workpiece.

Наличие дополнительного элемента инициирования детонации и датчика его задействования обеспечивает необходимую синхронизацию момента подрыва смеси с процессом ее сжатия. The presence of an additional element for initiating detonation and a sensor for its activation provides the necessary synchronization of the moment of detonation of the mixture with the process of its compression.

Дополнительная газовая арматура дает возможность варьировать составом и давлением подлежащей сжатию горючей смеси во внешнем отсеке независимо от внутреннего отсека. Additional gas fittings make it possible to vary the composition and pressure of the combustible mixture to be compressed in the external compartment, regardless of the internal compartment.

Фиксирующие элементы, обтюрирующие кольца и герметизирующая прокладка служат надежному разделению камеры на два отсека и улучшают работоспособность устройства. The locking elements, the obturating rings and the sealing gasket serve to reliably divide the chamber into two compartments and improve the operability of the device.

П р и м е р. В посадочное место матрицы с окном диаметром 306 мм, изготовленной из ударостойкой термообработанной стали ОХНЗМА, укладывают плоскую круговую заготовку диаметром 380 мм из стали 12Х18Н10Т толщиной 2,6 мм. PRI me R. A flat circular billet with a diameter of 380 mm from steel 12X18H10T with a thickness of 2.6 mm is laid in the matrix seat with a window with a diameter of 306 mm made of shock-resistant heat-treated OKHNZMA steel.

Цилиндрическая взрывная камера, выполненная из термообработанной стали ОХНЗМА с толщиной стенки 35 мм, оснащена арматурой подвода газовой смеси, детонационными трубками, контактным датчиком задействования детонационной трубки, элементами фиксации перегородки и герметизирующими прокладками. Внутри камеру устанавливают подвижную перегородку толщиной 40 мм и диаметром 260 мм из термообработанной стали 40Х с обтюрирующими кольцами на боковой поверхности. Перегородка разделяет объем камеры на два отсека: внутренний размером 5 дм³, и внешний (ближе к матрице) размером 7 дм³. Соединяют камеру с матрицей с помощью 12 болтов М32.A cylindrical blast chamber made of OKHNZMA heat-treated steel with a wall thickness of 35 mm is equipped with gas mixture supply fittings, detonation tubes, a detonation tube contact sensor, baffle fixing elements, and gaskets. A movable partition 40 mm thick and 260 mm in diameter from 40X heat-treated steel with obturating rings on the side surface is installed inside the chamber. The partition divides the chamber volume into two compartments: an internal 5 dm ³ in size, and an external (closer to the matrix) 7 dm ³ in size. Connect the camera to the matrix using 12 M32 bolts.

Заполняют отсеки камеры газовой смесью, состоящей из двух частей водорода и одной части кислорода (2Н₂ + О₂). Во внутреннем отсеке создают давление 11 атм, во внешнем 13 атм. От генератора высоковольтных импульсов подают импульс напряжения 6 кВ на свечу зажигания типа А17ДВ детонационной трубки внутреннего отсека.The compartments of the chamber are filled with a gas mixture consisting of two parts of hydrogen and one part of oxygen (2H ₂ + O ₂ ). A pressure of 11 atm is created in the inner compartment, 13 atm in the outer compartment. A 6 kV voltage pulse is supplied from the high-voltage pulse generator to the A17DV spark plug of the detonation tube of the internal compartment.

Взрывают газовую смесь во внутреннем отсеке. Разгоняется перегородка и сжимает газ во внешнем отсеке в 4,7 раза. Срабатывает контактный датчик и включает цепь подачи импульса напряжения (6 кВ) на свечу зажигания детонационной трубки внешнего отсека. Газовая смесь к этому моменту сжата до объема 1,5 дм³. Осуществляют подрыв сжатой смеси. В ударной волне развивается давление 0,94 килобара. Заготовка вдавливается в матрицу. Перегородка совершает обратный ход в исходное положение.Blast the gas mixture in the inner compartment. The partition accelerates and compresses gas in the external compartment 4.7 times. The contact sensor is activated and includes a voltage pulse supply circuit (6 kV) to the spark plug of the detonation tube of the external compartment. The gas mixture at this point is compressed to a volume of 1.5 DM ³ . Undermine the compressed mixture. A pressure of 0.94 kilobars develops in the shock wave. The workpiece is pressed into the matrix. The partition reverses to its original position.

Стравливают продукты детонации, состоящие из паров Н₂О, гидроксильной группы ОН, атомарных и молекулярных кислорода и водорода О, О₂, Н, Н₂. Отсоединяют камеру от матрицы и извлекают отштампованное изделие. Внешний вид двух таких изделий показан на фиг. 7.Detonation products, consisting of H ₂ O vapor, OH hydroxyl group, atomic and molecular oxygen and hydrogen O, O ₂ , H, H ₂ , are etched. The camera is disconnected from the die and the stamped product is removed. The appearance of two such products is shown in FIG. 7.

Способ может быть реализован только с помощью предлагаемого устройства или технического решения с существующими признаками, эквивалентными признакам заявляемого объекта. Устройство не требует использования редких или труднодоступных материалов и может быть изготовлено практически на любом машиностроительном или металлообрабатывающем предприятии. The method can only be implemented using the proposed device or technical solution with existing features equivalent to the features of the claimed object. The device does not require the use of rare or hard-to-reach materials and can be manufactured at almost any machine-building or metal-working enterprise.

Возможна автоматизация способа. Automation of the method is possible.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения в данном случае обеспечивается возможность повысить КПД и распространить газовую детонационную штамповку в область обработки материалов повышенной прочности. In comparison with the known technical solutions for a similar purpose, in this case it is possible to increase the efficiency and extend the gas detonation stamping in the field of processing materials of increased strength.

Claims (2)

1. Способ газовзрывной штамповки, заключающийся в воздействии на заготовку ударной волной, образующейся при взрыве горючей газовой смеси, которую перед подрывом сжимают и удерживают в сжатом состоянии до момента подрыва, отличающийся тем, что сжатие горючей газовой смеси производят импульсным методом. 1. The method of gas-explosive stamping, which consists in exposing the workpiece to a shock wave generated during the explosion of a combustible gas mixture, which is compressed and held compressed before undermining until undermining, characterized in that the compression of the combustible gas mixture is carried out by a pulsed method. 2. Устройство для газовзрывной штамповки, содержащее матрицу и взрывную камеру с арматурой подвода газовой смеси и элементом инициирования детонации, отличающееся тем, что оно снабжено массивной перегородкой, установленной с возможностью перемещения во взрывной камере и разделяющей ее на два отсека, один из которых обращен к матрице, а также смонтированными в упомянутом отсеке дополнительной арматурой подвода газовой смеси, дополнительным элементом инициирования детонации и датчиком его задействования, при этом основные арматура подвода газовой смеси и элемент инициирования детонации установлены в отсеке, удаленном от матрицы. 2. Device for gas-explosive stamping, containing a matrix and an explosive chamber with valves for supplying a gas mixture and a detonation initiation element, characterized in that it is equipped with a massive partition installed with the possibility of movement in the explosive chamber and dividing it into two compartments, one of which is facing matrix, as well as additional fittings for supplying the gas mixture mounted in the said compartment, an additional detonation initiation element and a sensor for its activation, while the main fittings The gas mixture ode and the detonation initiation element are installed in a compartment remote from the matrix.

Images