7. KSZTAŁTOWANIE ENERGIĄ WYSOKICH CIŚNIEŃ
Kształtowanie energią, wysokich ciśnień polega na impulsowym wytworzeniu wysokiego ciśnienia w ośrodku gazowym lub cieczy, które działając na materiał odkształca go i dociskając do sztywnej matrycy nadaje mu pożądany kształt. Wysokie ciśnienia niezbędne do kształtowania materiałów można uzyskiwać wykorzystując:
energię wybuchowych materiałów kruszących
energię spalania prochu lub mieszanin paliwowo-powietrznych,
energię rozprężania skroplonych gazów,
wyładowania elektryczne dużej mocy w cieczach.
7.1. Specyfika kształtowania materiałów energią wysokich ciśnień
Materiały obciążane dynamicznie (dużymi siłami działającymi w bardzo krótkim czasie) wykazują inne właściwości niż te same materiały obciążane quasistatycznie (rys. 7.1). Materiały odkształcające się z dużymi prędkościami na skutek obciążeń dynamicznych charakteryzuje większa granica plastyczności i brak wyraźnego umocnienia materiału po przekroczeniu granicy plastyczności. Dynamiczne odkształcanie materiału wymaga wykonania większej pracy, której miarą jest pole powierzchni pod krzywą rozciągania materiału.
Prędkość odkształcania materiału zależy od zastosowanego sposobu obróbki plastycznej:
~0,02m/s dla tłoczenia na prasach tunelowych,
~0,06 m/s dla tłoczenia na prasach hydraulicznych,
~0,2m/s dla tłoczenia na prasach mechanicznych,
~5,5 m/ś dla kucia na młotach spadowych,
~60...300 m/s przy kształtowaniu energią wysokich ciśnień.
Rys. 7.1. Krzywe rozciągania miękkiej stali węglowej
przy obciążeniu:
l - dynamicznym, 2 - quasistatycznym
W związku z tym, że wzrost prędkości kształtowania elementu powoduje wzrost naprężeń koniecznych do uplastycznienia materiału (wzrost granicy plastyczności materiału), istnieje zazwyczaj konieczność stosowania większych sił przy kształtowaniu dynamicznym. I tak kształtowanie na młotach spadowych wymaga sił 2...3 razy większych niż przy kształtowaniu na prasach hydraulicznych. Jednak wartość sił potrzebnych do odkształcania materiału nie rośnie do nieskończoności wraz ze wzrostem prędkości odkształcania. Przy prędkościach odkształcania większych od 60 m/s wielkość sił zaczyna spadać i może być nawet mniejsza od sił potrzebnych do odkształcania quasistatycznego, a jednocześnie wzrasta wartość dopuszczalnych odkształceń materiału.
Związane jest to z ciepłem wydzielającym się w trakcie odkształcania materiału, spowodowanym występowaniem tarcia wewnętrznego. (5...12% dostarczanej energii zamienia się na ciepło). Przy wolnym przebiegu procesuj kształtowania ciepło to jest odbierane przez narzędzia kształtujące i rozpraszane. W procesach bardzo szybkich może nastąpić taki wzrost temperatury materiału, że dalsza jego przeróbka plastyczna może odbywać się na gorąco. Hipotezę tę potwierdza fakt, że wiele materiałów trudno obrabialnych plastycznie na zimno, jak stopy niklu, magnezu i tytanu, wykazują wyższe właściwości plastyczne (podatność do dużych odkształceń plastycznych) przy dużych prędkościach odkształceń.
Znajomość specyficznego zachowania się materiałów przy dużych prędkościach odkształcania została wykorzystana do ich kształtowania energią wysokich ciśnień. Początkowo metody te stosowano do kształtowania materiałów wysokowytrzymałych, materiałów o niskich właściwościach plastycznych na zimno oraz przy kształtowaniu części o dużych wymiarach, np. korpusów rakiet. Wprowadzanie tych metod wynikało głównie z tego, że stosowane dotychczas w produkcji metody nie zapewniały dostatecznie dużych sił umożliwiających kształtowanie dużych elementów wykonywanych z materiałów wysokowytrzymałych. Obecnie energię wysokich ciśnień wykorzystuje się również do kształtowania części wykonywanych dotychczas metodami konwencjonalnymi.
7.2. Metody wybuchowe
Metody wybuchowe stosuje się do kształtowania otwartego materiałów, to znaczy takiego, w którym wybuch (detonacja) ładunku wybuchowego odbywa się w otwartej przestrzeni. Materiały wybuchowe (kruszące) zdolne są do wyzwalania tak dużej energii, że mimo znacznego jej rozproszenia powstaje dostatecznie duże ciśnienie powodujące plastyczne formowanie materiałów (blach).
Najczęściej stosowanymi materiałami wybuchowymi są:
trotyl - prędkość detonacji 6700 m/s,
heksogen - prędkość detonacji 8400 m/s,
pentryt - prędkość detonacji 8440 m/s,
oktogen- prędkość detonacji 9120 m/s.
Cechami, które decydują o zastosowaniu tych materiałów, są:
czas detonacji (2...5) 10-5 s,
energia właściwa 3350...6000 J/g,
temperatura reakcji 2000...4000°C,
maksymalne ciśnienie fali uderzeniowej około 20 GPa (200 000 at)
Kształtowanie wybuchowe może odbywać się sposobem bezpośrednim lub pośrednim (rys. 7.2). Kształtowanie bezpośrednie polega na ułożeniu ładunku wybuchowego i jego zdetonowaniu bezpośrednio na kształtowanym materiale. W tym przypadku istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia materiału, zwłaszcza powierzchniowego, czemu można zapobiec stosując przekładkę ochronną pomiędzy ładunkiem i kształtowanym materiałem.
W praktyce częściej stosowane jest kształtowanie pośrednie, w którym materiał wybuchowy umieszczony jest w pewnej odległości od powierzchni kształtowanego materiału, a ośrodkiem pośredniczącym jest najczęściej woda (rzadziej powietrze lub piasek). Detonacja ładunku w powietrzu powoduje powstanie fali ciśnieniowej, która oddziałuje na powierzchnię blachy (kształt fali zależy od kształtu ładunku wybuchowego). Stosowanie powietrza jako ośrodka pośredniczącego jest mało skuteczne, bo ciśnienie fali uderzeniowej gwałtownie maleje z odległością od powierzchni ładunku. Kształtowanie wymaga więc stosowania silnych ładunków ze względu na małe (około 5%) wykorzystanie energii wybuchu, co naraża kształtowany materiał na uszkodzenia powierzchniowe.
Rys. 7.2. Kształtowanie wybuchowe otwarte: a - bezpośrednie, b - pośrednie,
l - materiał wybuchowy, 2 - blacha, 3 - matryca, 4 - instalacja próżniowa. Do - średnica krążka materiału,
R - odległość ładunku wybuchowego od powierzchni kształtowanego materiału,
H - wysokość słupa wody nad powierzchnią kształtowanego materiału
Zastosowanie cieczy (najczęściej wody) jako ośrodka pośredniczącego znacznie zmniejsza niebezpieczeństwo uszkodzenia kształtowanego materiału oraz znacznie zwiększa efekt wykorzystania energii wybuchu. W cieczy, poza falą uderzeniową rozprzestrzeniającą się z dużą prędkością, powstaje dodatkowo „pęcherz" gazu rozprzestrzeniający się znacznie wolniej, który z mniejszą energią, ale w dłuższym czasie, dodatkowo dogniata materiał. Ponieważ ściśliwość wody jest znacznie mniejsza niż powietrza, to detonując w niej ładunek można uzyskać znacznie większe ciśnienie czoła fali uderzeniowej. Przy wybuchu trotylu można uzyskać maksymalne ciśnienie rzędu 20 GPa, które szybko zmienia się w czasie (rys.7.3).
Rys. 7.3. Zmiana w czasie ciśnienia fali detonacyjnej wytwarzanej za pomocą:
l - materiału wybuchowego kruszącego, 2 - materiału wybuchowego miotającego
Wielkość niezbędnego ładunku, jego kształt i położenie względem kształtowanego materiału ustala się doświadczalnie lub analitycznie z empirycznych wzorów.
Pewną komplikację przy kształtowaniu wybuchowym w cieczach stanowi konieczność uszczelniania powierzchni styku blachy z matrycą oraz odpowietrzenia matrycy za pomocą pompy próżniowej.
Wadami procesu kształtowania wybuchowego jest niebezpieczeństwo pracy z materiałami wybuchowymi, bardzo duży hałas, niemożliwość prowadzenia procesów produkcyjnych w pomieszczeniach zamkniętych ze względu na toksyczność produktów detonacji oraz konieczność spełnienia wielu wymagań odnośnie bezpiecznego składowania, przewożenia oraz stosowania materiałów wybuchowych. Procesy produkcyjne kształtowania wybuchowego charakteryzują również długie cykle robocze związane z przygotowaniem stanowiska do kształtowania materiału.
Zasadniczą częścią stanowiska do prowadzenia procesu kształtowania wybuchowego w wodzie jest odpowiedniej wielkości basen wodny o mocnych ściankach z betonu zbrojonego. Stanowisko powinno być wyposażone w dźwig umożliwiający opuszczanie i wyjmowanie matrycy wraz z materiałem (wytłoczką), instalację próżniową do usuwania powietrza z przestrzeni między blachą a matrycą oraz instalację do odpalania ładunku wybuchowego. W przypadku braku basenu wodnego można na matrycy z zamocowanym materiałem stawiać wypełniony wodą worek z tworzywa sztucznego, w którym umieszcza się ładunek wybuchowy. Do roztłaczania elementów cylindrycznych należy stosować wytrzymałe, stalowe, dzielone matryce, których wnętrze napełnia się wodą.
Zaletami tłoczenia wybuchowego są:
proste oprzyrządowanie (zastosowanie jednego narzędzia - matrycy wyposażonej w układ odpowietrzenia, którą wykonuje się zazwyczaj ze stali, ale ze względu na występujące naciski rzędu 250 MPa może być ona wykonywana z metali łatwo topliwych lub tworzyw sztucznych),
możliwość wykonywania elementów o dużych wymiarach, np. o średnicy kilku metrów,
możliwość kształtowania zarówno cienkich folii, jak i płyt aluminiowych o dużych grubościach (do 130 mm),
możliwość kształtowania elementów z materiałów o wysokiej wytrzymałości i małej plastyczności, praktycznie niedających się kształtować innymi metodami obróbki plastycznej na zimno,
możliwość uzyskania dokładnego odwzorowania szczegółów matrycy (kalibrowania) wynikająca z wysokich prędkości odkształceń.
7.3. Kształtowanie produktami spalania
Metody wykorzystujące energię produktów spalania wymagają kształtowania zamkniętego, to znaczy, że wysokie ciśnienie jest wytwarzane w zamkniętej przestrzeni (rys. 7.4). Ciśnienie w przestrzeni nad powierzchnią kształtowanego materiału można wytwarzać poprzez:
spalanie materiałów wybuchowych miotających takich jak: czarny proch lub proch bezdymny,
spalanie gazów, np. mieszaniny wodoru i tlenu.
Prędkość spalania miotających materiałów wybuchowych oraz mieszanek gazów jest znacznie mniejsza niż materiałów kruszących, rzędu 100...300 m/s w związku z czym maksymalne ciśnienia występujące w tej metodzie są rzędu 1..2 GPa. Inny jest również przebieg zmiany ciśnienia w czasie (rys. 7.3). Podobnie jak w metodach wybuchowych połączenie materiał-matryca powinno być szczelne ze względu na konieczność dokładnego odpompowania powietrza z wewnętrznej przestrzeni matrycy.
Rys. 7.4. Schemat kształtowania:
a - metodą spalania prochu,
b - metodą spalania mieszanek gazowych,
c - metodą rozprężania skroplonych gazów.
Kształtowanie produktami spalania może być również stosowane do roztłaczania elementów cylindrycznych i stożkowych (rys.7.5). Wymaga ono dosyć złożonych urządzeń wyposażonych w zamkniętą, szczelną komorę zapewniającą maksymalne wykorzystanie energii oraz instalacji dozujących ilość doprowadzanych gazów do spalania.
Rys. 7.5. Pośrednie roztłaczanie produktami spalania:
l - materiał wybuchowy miotający, 2 - tłok, 3 - ciecz,
4 - kształtowany materiał (rura), 5 - matryca.
7.4. Kształtowanie elektrohydrauliczne
W kształtowaniu elektrohydraulicznym wykorzystuje się zjawisko powstawania impulsów ciśnienia w cieczach, spowodowanych wyładowaniami iskrowymi pomiędzy zanurzonymi w nich elektrodami. Impulsy te mogą być tak silne, że zdolne są tłoczyć przedmioty z grubych blach wykonanych z materiałów trudno obrabialnych. Schemat układu elektrycznego oraz urządzenia do kształtowania elektrohydraulicznego przedstawiono na rys. 7.6.
Rys. 7.6. Kształtowanie elektrohydrauliczne:
a - schemat układu elektrycznego: l - prostownik, 2 - wyłącznik wysokonapięciowy,
3 - iskrownik, 4 - elektrody, 5 - urządzenie do kształtowania,
b - schemat urządzenia, 1 - dwudzielna matryca, 2 - obejma matrycy,
3 - płyta, 4 - uszczelka, 5 - elektrody, 6 - kształtowany przedmiot,
7 - ciecz pośrednicząca, 8 -odpowietrzenie
Zasilanie obwodu ładowania może odbywać się z sieci prądu przemiennego o napięciu 230 V przez wzmacniacz wysokiego napięcia, prostownik i opornik ograniczający natężenie prądu. Po naładowaniu baterii kondensatorów wysokonapięciowy wyłącznik odłącza obwód od źródła zasilania. Obwód rozładowania zwierany jest za pomocą iskrownika. Cieczą, w której zanurzone są elektrody może być zwykła woda. Przed procesem formowania należy odpowietrzyć przestrzeń pomiędzy kształtowaną blachą a matrycą (jej wyżłobieniami) w celu zapobieżenia wytworzeniu się poduszki sprężonego powietrza.
Energię impulsu wyładowania elektrycznego opisuje zależność:
gdzie:
C - pojemność kondensatora,
U - napięcie.
W celu uzyskania dużych energii oraz przebicia dielektryka. którym jest ciecz stosuje się wysokie napięcia rzędu 30...100 kV, co przy krótkich czasach wyładowań (~4*10 -5 s) zapewnia duże moce wyładowań. Dzięki temu ciśnienia na czole fali hydraulicznej dochodzą do kilku tysięcy MPa.
Praktyka wykazała, że wstępne połączenie cienkim drutem końców elektrod zanurzonych w cieczy pozwala na obniżenie napięcia pracy urządzenia nawet do 5000 V. Cienki przewód staje się inicjatorem przepływu prądu w chwili włączenia urządzenia. Ze względu na dużą moc przepływającego prądu ulega on stopieniu i odparowaniu, ale zapoczątkowuje powstanie kanału gazowego o takim kształcie, w jaki był zwinięty. W kanale tym następuje wyładowanie elektryczne. Ponieważ kształt fali hydraulicznej zależny jest od kształtu przeskoku iskry, odpowiednie ukształtowanie przewodu łączącego elektrody jest praktycznym sposobem regulowania kształtu tej fali.
Metodę elektrohydrauliczną, stosuje się przeważnie do kształtowania przedmiotów o niewielkich wymiarach, do ostatecznego ich roztłaczania (rys. 7.7) lub utwardzania ich powierzchni zgniotem
Rys. 7.7. Wyroby uzyskane roztłaczaniem elektrohydraulicznym:
a - materiał wyjściowy: rura aluminiowa o wymiarach Φ 62,5 x 50 x 1,5,
b- materiał wyjściowy: rura aluminiowa o wymiarach Φ 31 x 50 x 0,9
5
ε %
μs
1
2
3
Wyszukiwarka