【汇旺担保】爆炸加工

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[拼音]:baozha jiagong

[英文]:explosive working

以炸药(或火药和可燃气体)为能源把金属毛坯加工成型或焊接在一起的加工工艺。爆炸加工过程是炸药化学能转化为机械能的过程。 常用的炸药为TNT、硝铵炸药、导爆索和塑料(或橡胶)炸药等。由于炸药爆炸是快速过程,所以与常规加工方法(例如液压、冲压)相比,爆炸加工具有压力大、变形速度大、加工时间短,因而功率亦大等特点,所以是一种高能率加工方法。例如,把直径一米的毛坯加工成为封头,用水压机生产时,作用于毛坯的平均压力为几十个大气压 (1大气压=101325帕),成型时间为十几秒;而在爆炸成型时,作用于毛坯的平均压力为几千个大气压,成型时间约为 1/100秒。由于毛坯成型所需能量在两种情形下基本相等,所以爆炸成型的平均有效功率就比常规方法大103倍。

爆炸加工应用范围较广,主要有爆炸成型、爆炸焊接、爆炸硬化、高速模锻等几个方面。

爆炸成型

钣金零件的拉深、 胀形、 卷边、翻口、冲孔、压梗、弯曲和校形等,都可用爆炸成型来完成。这是爆炸加工应用最成熟的一个方面。图1为几种爆炸成型装置的示意图,分别表示用爆炸成型方法制造拉深件(如封头)、胀形件(如喷气发动机的喷管)和平板件(如波纹板)。

炸药一般放置水中,不和毛坯直接接触。爆炸压力通过水传递。有时为了防止毛坯起皱,也用砂作传压介质以增加毛坯表面的摩擦阻力。一般不用空气作传压介质,因它的传压能力太小。在有模爆炸成型时,由于毛坯变形速度较快,通常应将模腔内空气抽空,否则空气受压缩产生的高压会使零件破坏。如果模具设计合理,工艺引数(包括药形、药量、药位、水深、压边力等)选择恰当,只要引爆炸药,就能在瞬间(1米封头约需1毫秒)形成一个与模壁贴合良好的零件。

爆炸成型原理

以圆板自由拉深加工工艺为例。圆板中心点位移与时间关系的试验结果如图2所示。从图中可以看出,爆炸成型时间很短,有两次加速过程,这就是爆炸成型中所谓“二次载入”的典型现象。机理如下:炸药起爆后,激波在水中传播,达到板壳内壁时发生反射。板壳在激波作用下迅速变形,向外运动,这是第一次载入。反射波最初表现出刚性反射的压缩性质,而后表现为稀疏性质。同时入射波又剧烈地衰减,因此,在板壳附近水中某处开始呈现拉伸状态。水不能承受拉力,因而产生空泡,阻止压力的下降,这称为空化现象。此后,空化区不断在水中扩张,因空化而被拉断的水利用已获得的动能向外作等速运动,赶上前方由于受变形阻力影响而减速的板壳,并不断给板壳补充动量使其继续运动。在某一时刻,空化区终止发展。与此同时,空化区内侧的水体在高压的爆炸气体推动下向外加速膨胀,追上一部分正在运动的空化水。最后在某时刻,内外两个速度不同的大水体进行碰撞,外水体和板壳的速度突然增加,这就是第二次载入。从此以后,板壳在变形阻力作用下,逐渐减速直至完成变形。就整个变形过程而言,碰撞后的变形量和变形时间都大于碰撞前。

爆炸成型模型律

爆炸成型的工艺引数常常用模型试验的方法确定。理论和实验都表明爆炸成型满足几何相似律。只要在模型和原型中采用品种相同的炸药、传压介质和几何形状相似的板料,板料在爆炸以后的形状也相似。成型量y同毛料的特征长度L、特征厚度 δ和炸药量Q之间存在确定的函式关系:

薄壁零件的成型满足更为简单的能量相似律:

模型试验必须遵守上述几何相似律或能量相似律。

爆炸成型的光洁度、精度和模具

在爆炸成型时,零件以很高的速度贴模,零件与模具之间产生较大的碰撞压力。因此,只要模具内表面光洁度高,零件贴模面光洁度也就较高。同时,大的碰撞力使模具内表面产生大的弹性变形,毛坯经碰撞和辗压后展开面积有所增加,这样减少了回弹,增大了精度。爆炸成型贴模是一个多次撞击的过程,计算模具强度时,一般取动载系数为3。大型零件的成型模具可采用分块惯性模。

爆炸焊接

又称爆炸复合,是利用炸药的压力使两块金属间形成牢固的结合面的加工工艺。通常用于在碳素钢表面焊覆一层贵重金属(如不锈钢、钛、锆、铜或它们的合金),因而这种工艺可以节约贵重金属。常规工艺很难把两种熔点相差悬殊、热膨胀效能或硬度相差很大的金属焊接在一起,而用爆炸焊接方法却能得到质量较好的产品。

爆炸焊接是一种高速碰撞现象。通常将炸药直接敷在复板金属表面。为了避免在金属表面出现伤痕或细裂纹,一般在炸药和金属间放置软橡皮或硬纸板作缓冲层(图3a、3b)。现用板材焊接来说明爆炸焊接的物理过程。炸药引爆以后,复板以每秒几百米的速度撞击基板,碰撞介面附近材料的压力剧增至约十万个大气压。部分材料在高压作用下形成射流(见彩图)。射流喷走,金属露出洁净并带有活性的新鲜表面。在高压作用下形成两种金属的冶金粘接,介面通常呈波纹状(图4)。大量试验表明两板之间出现射流是保证焊接成功的必要条件。在选择炸药品种、药量、基板与复板间隙、初始基板与复板夹角等参量时,必须考虑这一要求。带有小波幅波状介面的焊接件,往往具有高的焊接强度。对波纹形成的机理,尚未形成较成熟的理论,多数人认为形成波纹是一种介面运动失稳的表现。它是由复板和基板的介面速度存在间断引起的。还有些人从金相中看到粘接面附近有涡街,认为是材料绕过碰撞点以后产生的卡门涡街。

爆炸硬化

有些金属(例如高锰钢)在炸药爆炸的高压作用下,能够显著提高表层的硬度,从而增加金属部件的使用寿命。这种方法已经成功地应用于加工铁路辙叉、推土机、拖拉机和坦克履带以及剷斗的刃口等产品。爆炸硬化的方法是把一层高爆速炸药放在金属需要硬化的部位上进行爆炸。连续爆炸2~3次后,可获得较理想的结果。

高速模锻

应用火炮的原理,用火药或高压空气发射锻锤锻造金属,锤速大于一般落锤,可以达到每秒几十米到一、二百米。高速模锻具有动量大、装置简单等优点。

爆炸加工工艺还包括爆炸切割、爆炸压实粉末、爆炸合成金刚石等。

参考书目

郑哲敏、杨振声等编著:《爆炸加工》,国防工业出版社,北京,1981。

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