Теория и технология процессов штамповки. Раздел : импульсные методы листовой штамповки

№ 443* 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

f
n
a
—
^
—
—
~
—
—
— 
' — — т м а д я Д Ч — * w * w ^ » » w 

Кафедра обработки металлов давлением 

Балакин В.П. 

Одобрено Методическим 
советом института 

Теория и технология процессов штамповки 
Раздел: Импульсные методы листовой штамповки 

Курс лекций 

для студентов специальности 1108 

Москва 2000 

АННОТАЦИЯ 

В курсе лекций изложены основы технологического использования импульсных методов обработки давлением листовых материалов. 

Рассмотрены вопросы теории и технологии листовой штамповки с использованием энергии взрыва бризантных взрывчатых веществ, электрогидравлического и магнитно-импульсного способов 
деформации металлов. 

Материалы лекций позволят студен 1ам расширить представления о рассмотренных процессах, их преимуществах, недостатках и 
областях применения. 

© Московский государственный 
институт 
стали 
и 
сплавов 
(МИСиС), 2000. 

Балакин В П. 

Содержание 

Введение 
4 

1. Особенности технологии высокоскоростного деформирования 
металлов и сплавов 
6 

2. Штамповка листового металла взрывом 
8 

2.1. Предпосылки возникновения процессов штампоьки 
8 

2.2. Способы формообразования листового металла взрывом 
9 

2.3. Установки для формообразования изделий взрывом 
бризантных взрывчатых веществ 
., 
22 

2.4. Оснастка и технология для процессов штамповки взрывом...29 
2.5. Экономическая эффективность штамповки взрывом 
36 

3. Электрогидравлическая (электроимпульсная) штамповка 
42 

3.1. Электрогидравлический эффект и его использование для 
обработки металлов давлением 
42 

3.2. Оборудование для электрогидравлической штамповки 
44 

3.3. Выбор типа оборудования 
50 

3.4. Разрядные камеры 
52 

3.5. Технологическая оснастка 
55 

3.6. Экономическая эффективность процесса 
электрогидравлической штамповки 
62 

4. Магнитно-импульсная штамповка 
64 

4.1. Сущность процесса, его преимущества и недостатки, область 
применения 
64 

4.2. Требования к форме металлических заготовок 
66 

4.3 Требования к обрабатываемым материалам 
69 

4.4. Требования к технологической оснастке 
71 

4.5. Классификация технологических операций 
72 

4.6. Оборудование для магнитно-импульсной обработки 
материалов 
79 

4.7. Индукторы 
81 

Вопросы для самоконтроля 
85 

Литература 
87 

3 

К) рс лекций 

Введение 

В последние десятилетия интенсивно развиваются многие отрасли машиностроения: авиационная, космическая, энергетическая, 
химическая и другие. Создаются новые материалы с высокими эксплуатационными свойствами. Жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие стали и сплавы имеют, как правило, низкие технологические свойства и требуют высоких энергетических затрат при их обработке давлением. Необходимость изготовления крупногабаритных 
элементов конструкций размерами от 2 до 8 м потребовало создания 
новых беспрессовых методов штамповки, ввиду ограниченных возможностей механических и гидравлических прессов. 

К таким методам можно отнести высокоэнергетические импульсные методы формообразования, основанные на использовании 
энергии взрыва бризантных взрывчатых веществ, газовых смесей, 
испаряющихся сжиженных газов; на использовании электрофизических процессов, происходящих при высоковольтном электрическом 
разряде в жидкости, при создании мощного импульсного магнитного 
поля и т п 

Особенностью высокоэнергетических импульсных способов 
обработки металлов давлением является высокая скорость деформирования, обусловленная высокими скоростями преобразования энергии. Эти способы формообразования получили преимущественное 
применение при изготовлении крупногабаритных деталей типа днищ, 
полусфер, оболочек, обечаек и т.п., изготавливаемых малыми сериями. Использование в этих случаях мощных и уникальных прессов, 
сложной крупногабаритной штамповой оснастки экономически невыгодно и технически нецелесообразно, а в некоторых случаях невозможно 

Многочисленные исследования в области создания новых 
технологических процессов с использованием импульсных нагрузок 
показали, что энергию взрыва можно с успехом применять при: 

- листовой штамповке; 
- резке; 
- клепке; 
- пробивке отверстий; 

4 

Балакин В II 

— прессовании, 
— объемной штамповке, 
— поверхностном упрочнении, 
— правке листового материала; 
— прессовании порошковых материалов; 
— литейных операциях - заливке форм давлением, очистке 
литья, 

— сварке разнородных металлов; 
— сборке узлов и агрегатов. 

Отдельные методы импульсного деформирования - электрогидравлическая, магнитоимпульсная штамповка могут использоваться для получения мелких и средних по габаритам деталей, а также для 
различных сборочных операций. 

В промышленности относительно хорошо известны и распространены взрывная, электрогидравлическая и магнитноимпульсная 
штамповки. В учебной литературе данные процессы рассматриваются 
в недостаточном объеме и схематично. Цель данного пособия - расширить представление студентов об особенностях высокоэнергетических процессов листовой штамповки, их технологических возможностях и областях применения. 

5 

Курс лекций 

I. Особенности технологии 

высокоскоростного деформирования 

металлов и сплавов 

Импульсные методы деформирования целесообразно использовать для вытяжки из плоских заготовок куполообразных и крупногабаритных деталей замкнутых контуров, формовки деталей сложной 
формы из тр\бчатых заготовок, получения местных выштамповок и 
тд Возможность регулировки энергетических параметров, а также 
возможность многоимпульсного воздействия на заготовку по заданной программе характериз\ ют существенные технологические преим\ шества, данного метода 

Воздействие на заготовку импульса давления жидкости за 
промежуток времени порядка 10 . 100 мке и меньше создает скорости деформирования от 30 до 300 м/с и выше, а скорости деформации 
- выше 2 • 103 с"1 Это приводит к повышению пределов прочности и 
текучести, изменению показателей пластичности и т п 

Во время пластического деформирования материала заготовки 
в нем происходят два противоположных процесса упрочнение и разупрочнение, изменяются форма и размеры зерен, изменяется ориентировка кристаллов и межкристаллитных слоев, возникают внутренние напряжения. Энергия деформации превращается в теплоту, начинаются процессы возврата и рекристаллизации, снижаются искажения 
кристаллической решетки, уменьшаются внутренние напряжения 

При высоких скоростях деформирования процессы разупрочнения отстают, что приводит к повышению прочности металлов, происходит так называемый эффект динамического упрочнения. У разных металлов и сплавов пределы прочности и текучести повышаются 
по-разному. 

Например предел текучести у армко-железа повышается в 
2,3 раза, коррозионно-стойких сталей - в 1,5 раза, а у сплавов гитана в 1,2 раза Предел прочности возрастает меньше, чем предел текучести, например, у армко-железа он возрастает в 1,4, а у коррозионностойкой стали - в 1,06 раза 

При высоких скоростях деформирования выделяющаяся в результате него теплота работы деформации за очень малый промежу
6 

Ьа-мкии В П 

ток времени не успевает распространиться по всей массе шотовки и 
сосредотачивается в зоне плоскостей скольжения те. имеет место 
локальное проявление теплового эффекта. Такое явление может происходить даже при скоростях, достигаемых на обычном оборудовании, а при импульсном деформировании, где скорость деформации 
выше 100 с", процесс приближается к адиабатическому 

Описанное выше проявление теплового эффекта при высоких 
скоростях деформирования может привести к появлению дополнительных плоскостей скольжения Так, например, у металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой (титан, магний, кобальг, 
кадмий и др.) при температуре свыше 200 °С имеется три плоскости 
скольжения вместо одной при комнатной температуре. Таким образом, равномерное нагружение заготовки, повышение предела текучести, особенности проявления теплового эффекта, появление дополнительных плоскостей скольжения обеспечивают возможность получения более высоких степеней деформации и сокращение числа операций при изготовлении деталей. 

Далее рассматриваются основные способы импульсною деформирования, нашедшие наиболее широкое применение в листовой 
штамповке. 

7 

Курс чекцнй 

2. Штамповка листового металла взрывом 

[1,2, 3, 4] 

2.1. Предпосылки возникновения процессов 
штамповки 

Потребность в использовании энергии взрыва для обработки 
металлов давлением возникла в связи с появлением сверхпрочных 
материалов и необходимостью производства из них крупногабаритных изделий Ограниченные возможности прессового оборудования 
(по мощности и габаритам штампового пространства) приводили к 
усложнению технологии изготовления крупногабаритных изделий. 
Расчленение изделий па мелкие элементы, большое количество сварных швов не гарантировало качества изделий., не отвечало техническим требованиям на них, снижало технико-экономические показатели. Особенно это касалось таких отраслей, как авиастроение, судостроение, а также химическое машиностроение, отличающихся низкон серийностью производства, где капитальные затраты на оборудование и дорогостоящие крупногабаритные штампы не окупаются в 
связи с мелкосерийным характером производства и частым изменением номенклатуры изделий. 

Обработка металлов взрывом, получившая теоретическое и 
экспериментальное обоснование в Советском Союзе в конце 40-х годов, в настоящее время достаточно широко внедрена в промышленности. 

В 1948-49 гг. в Харьковском авиационном института (ХАИ) 
Р В Пихтовниковым предложен способ, штамповки крупногабаритных деталей путем использования энергии взрывчатых веществ. В 
период 1948-50 гг. в ХАИ создана специальная установка для высокоскоростной штамповки. Скорость пуансона достигала 300 м/с Исследования показали, что пластичность металла в исследуемом интервале 
скоростей сохртняется, что позволило рассматривать перспективу 
технологического использования высокоскоростной штамповки 

В последующие ыды в ХАИ были проведены широкие исследогаиия процессов обработки металлов давлением с использованием в 

8 

Сшшкия В П 

качестве энергоносителей взрывчатых веществ в виде порохов, горючих газов и бризантных взрывчатых веществ 

Американские исследования, начавшиеся с 1956 г, доказали, 
что применение энергии взрыва особенно эффективно при обработке 
высокопрочных, а также малопластичных при обычной обработке 
металлов 

Имеющийся мировой опыт использования энергии взрыва для 
обработки металлов давлением позволяет сфоркгулировать след\тощис преим\щссгва штамповки листового материала взрывом 

- нет необходимости в мощных дорогостоящих прессах, 
- для штамповки требуется только одна часть штампа - матрица, тансоном является передающая среда - воздух или вода, 

- возможно штамповать детали очень крупных размеров, создавать высокие давления, обеспечивающие точную и высококачественную штамповку, 

- штампы можно изготавливать из дешевых, легкообрабатываемых материалов, 

- в связи с отсутствием пуансона уменьшается трение, а также 
утонение металла, 

- при организации процесса штамповки взрывом не требуются 
большие капитальные затраты , поскольку установки для штамповки 
взрывом просты и дешевы 

Однако, несмотря на целый рад существенных преимущества 
штамповки с использованием энергии взрыва, ее' нельзя рассматривать как универсальный технологический процесс Штамповку взрывом наиболее целесообразно использовать при производстве изделий 
больших размеров и при изготовлении деталей из высокопрочных 
материалов 

2.2. Способы формообразования листового 
металла взрывом 

Схемы процесса штамповки взрывом определяются видом 
энергоносителя 
В качестве энергоносителей могут применяться 
взрывчатые вещества, сжиженные газы, взрывчатые газовые смеси 

Формообразование деталей из листа энергией, выделяющейся 
при горении метательных взрывчатых веществ (ВВ) (порохов) может 

9