-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
5
CUPRINS
Prefa...................................................................................pag.
7
Introducere...........................................................................pag.
9 Cap.1. Procedee de deformare cu impulsuri de mare energie i
caracteristici generale ale acestora.........................pag.
10 1.1. Caracteristici
generale......................................................pag.
10 1.2. Posibiliti tehnologice actuale ale procedeelor de deformare
la rece prin impulsuri..................................pag. 12
Cap.2. Deformarea prin
explozie....................................................pag. 14
2.1. Consideraii
generale.......................................................pag.
14 2.2. Deformarea prin explozie n
aer......................................pag. 16 2.3. Deformarea
prin explozie n mediu solid pulverulent.......pag. 21 2.4.
Deformarea prin explozie n
ap......................................pag. 22 2.5. Probleme
tehnologice la deformarea prin explozie n
ap....................................pag. 27 2.6. Placarea prin
explozie.....................................................pag.
37 Cap.3. Deformarea prin detonarea unui amestec de gaze
combustibile.....................................pag. 41 3.1.
Consideraii
generale.......................................................pag.
41 3.2. Construcia instalaiilor de deformare prin detonarea unui
amestec gazos.........................pag. 46 Cap.4. Deformarea
pneumo - mecanic.........................................pag. 50
4.1. Consideraii
generale.......................................................pag.
50 4.2. Instalaii i aplicaii
tehnologice.......................................pag. 52 Cap.5.
Deformarea prin
electrohidroimpulsuri.............................pag. 59
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
6
5.1. Consideraii
generale.......................................................pag.
59 5.2. Scheme ale unor operaii de presare prin
electrohidroimpulsuri................................pag. 68 5.3.
Bazele fizice ale deformrii prin electrohidroimpulsuri......pag. 76
5.3.1. Stadiile formrii canalului electroconductor ce nchide
(scurtcircuiteaz) spaiul de descrcare dintre
electrozi..............................pag. 78 5.3.2.
Caracteristici electrice i energetice n timpul formrii canalului de
descrcare......................pag. 82 5.3.3. Cazul amorsrii cu fir
exploziv..........................pag. 90 5.3.4. Generarea i
propagarea undei de oc prin mediul de
transmitere...................pag. 92 5.3.5. Interaciunea undei de
oc cu pereii camerei de descrcare.........................pag. 95
5.3.6. Interaciunea undelor de oc i a fenomenelor secundare cu
semifabricatul..........pag. 97 5.3.7. Influena diferiilor factori
asupra presiunii dezvoltate n camera de descrcare
................................................pag. 108 Cap.6.
Deformarea prin impulsuri
magnetice...............................pag. 114 6.1. Consideraii
generale......................................................pag.
114 6.2. Procese tehnologice i echipamente pentru deformarea prin
impulsuri magnetice................................pag. 117 6.3.
Consideraii asupra calculului parametrilor de deformare prin cmp
magnetic n impuls........pag. 123
Bibliografie................................................................
........pag. 131
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
7
PREFA
Revoluia industrial a secolului XX nu putea s nu aib implicaii
majore i asupra domeniului prelucrrilor prin deformare plastic la
rece.n condiiile n care ritmul de apariie a unor noi materiale, cu
caracteristici fizico-mecanice ridicate, devenea din ce n ce mai
alert, se ridicau tot mai multe probleme legate de prelucrarea
acestora. Pe de alt parte, att necesitatea deformrii pieselor cu
dimensiuni mari, ct i a deformrii pieselor mici i mijlocii n
condiii de eficien economic ridicat au impus rezolvarea aceleiai
probleme: apariia unor noi tehnologii de prelucrare prin deformare
plastic. Tehnica impulsurilor de mare vitez purttoare de mari
energii s-a constituit astfel ntr-o alternativ tehnologic raional
din punct de vedere tehnico-economic, ea putnd fi ncadrat n grupa
aa-ziselor "tehnologii neconvenionale". n ara noastr, dei exist
preocupri n acest domeniu n cadrul unor colective din diverse
instituii de nvmnt superior tehnic (Bucureti, Braov, Cluj, Iai,
Galai, Timioara, Sibiu, Suceava) i institute de cercetare, se
constat totui o lips de informaii referitoare la aceste tehnologii,
informaii care ar trebui s fie accesibile, cel puin n parte,
tuturor specialitilor din acest domeniu de activitate. n aceste
condiii, este de salutat apariia lucrrii de fa, lucrare ce vine s
compenseze aceast lips de informaii, punnd la ndemna tuturor celor
interesai att unele studii de principiu ale procedeelor prezentate,
ct
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
8
i o sum de reguli i indicaii tehnologice specifice fiecrui
procedeu n parte. Mai mult dect att, lucrarea sugereaz, prin
aspectul su structural, o metodologie de abordare i rezolvare
practic a problemelor pe care le ridic aplicarea industrial a
acestor tipuri de tehnologii. Deasemenea, este benefic apariia
ntr-un nou centru universitar (Universitatea "Eftimie Murgu" Reia)
a unui nucleu de specialiti n domeniul tehnologiilor neconvenionale
de deformare plastic la rece, condus de autor, care s se alture
eforturilor de cercetare, promovare i implementare n plan
industrial a procedelor ce fac parte din clasa de tehnologii mai
sus aminitit. n ncheiere, sper ca aceast lucrare, realizat n
condiii grafice deosebite, s fie doar nceputul unei serii de
publicaii care s concretizeze activitatea autorului n acest
domeniu. Prof. dr. doc. t. ing. dhc. AUREL NANU
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
9
INTRODUCERE
Printre procedeele speciale, aa-zis "neconvenionale" de
deformare plastic la rece, tehnica undei de oc (sau a impulsurilor
de mare vitez, purttoare de mari energii ) a deschis noi
perspective, att prin diversele ei variante tehnologice ct i prin
gama din ce n ce mai larg a utilizrilor posibile. Ideile de baz ale
acestor procedee nu sunt noi prin ele nsele. n domeniul deformrii
prin explozie, de exemplu, primele patente obinute n Anglia i
S.U.A. dateaz din 1897 i 1901, fr ca aceasta s fi dus atunci la
prea multe aplicaii practice. nceputurile deformrii prin explozie
pot fi localizate n perioada celui de-al doilea rzboi mondial.
Ulterior, dezvoltarea rapid a construciei de avioane, a tehnicii
destinate rachetelor i zborurilor spaiale au impus folosirea
acestor procedee, ca urmare a apariiei unor materiale metalice i
nemetalice, de mare rezisten mecanic i termic, din care trebuiau
obinute piese de dimensiuni mari i cu geometrie coplex. Pe lng
acestea, era necesar realizarea unor serii mici sau chiar unicate,
ceea ce fcea complet neproductiv folosirea utilajelor tradiionale.
Pe lng deformarea prin explozie, o bun implementare n industrie
i-au gsit i urmtoarele procedeee: deformarea cu impulsuri magnetice
(magneto-dinamic), deformarea cu electrohidroimpulsuri ( explozie
electrohidraulic ) i deformarea pneumo-mecanic. Ca o alternativ la
deformarea prin explozie se utilizeaz i energia detonrii
amestecurilor de gaze combustibile. Att procedeele enumerate mai
sus, ct i altele care sunt n faza de experimentare n laborator, nu
le nlocuiesc pe cele tradiionale, ci le completeaz. Fiecare dintre
aceste procedee i gsete o bun motivaie tehnologic i economic pentru
anumite operaii de presare i pentru anumite tipuri de piese,
extinznd mult domeniul utilizrii prelucrrilor prin deformare la
rece. Prezenta lucrare se constituie ntr-o sintez a stadiului
actual n domeniul prelucrrilor prin deformare plastic la rece
utiliznd impulsuri purttoare de mari energii, sintez bazat att pe
realizrile pe plan internaional, ct i pe rezultatele cercetrilor
romneti n domeniu. Avnd n vedere c, pe plan naional, circulaia
informaional n domeniu este restrns, numrul de lucrri destinate
acestor tehnologii fiind destul de mic, se consider benefic apariia
unei noi lucrri care s acopere,
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
10
cel puin n parte, lipsa de informaii din literatura romneasc de
specialitate.
CAPITOLUL 1
PROCEDEE DE DEFORMARE CU IMPULSURI DE MARE ENERGIE I
CARACTERISTICI GENERALE ALE ACESTORA
1.1. Caracteristici generale Dup cum se tie, din punct de vedere
tehnologic, n cazul folosirii tehnicii impulsurilor, s-au impus
urmtoarele procedee de deformare : - Deformarea prin explozie. S-a
impus i s-a rspndit dup cel de-al doilea rzboi mondial, n special n
ultimii 35 de ani. innd cont de natura explozivului i de durata
undei de oc dezvoltate, se disting trei metode de deformare : cu
explozivi violeni ( brizani ), cu explozivi leni ( propulsori ) i,
ca variant tehnic, prin detonarea unui amestec de gaze
combustibile. - Deformarea prin electrohidroimpulsuri. Are la baz
efectul electrohidraulic descoperit de L.A.Iutkin i a nceput s fie
utilizat industrial din anul 1950. Procedeul folosete ca surs de
energie descrcarea electric de nalt tensiune n lichid, sub form de
impuls de scurt durat, deformarea semifabricatului producndu-se fie
sub aciunea singular a undei de oc rezultate, fie sub aciunea
succesiv a undei de oc i, ulterior, a fluxurilor de lichid
cavitaional i postcavitaional. - Deformarea prin impulsuri
magnetice. Se bazeaz pe cercetrile fizicianului L.Kapia din 1924,
ncepnd s fie utilizat industrial din anul 1962. Principiul const n
folosirea interaciunii dintre dou cmpuri magnetice impulsive de
nalt tensiune, unul creat prin descrcarea unei baterii de
condensatoare ntr-o bobin - scul iar cellalt creat n semifabricat
prin efect Foucault. - Deformarea pneumo-mecanic. Cunoscut din anul
1948, a nceput s fie utilizat din anul 1958. Acest procedeu
utilizeaz energia potenial nmagazinat ntr-un gaz aflat sub nalt
presiune, energie care poate fi cedat, n momentul destinderii
adiabatice, unui piston inclus n utilajul de presare. Principalele
caracteristici generale ale acestor metode sunt prezentate sumar n
tabelul 1.1.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
11
TABELUL 1.1. Procedeul Electrohidroimpulsuri Deformare prin
explozie Amestec de gaze detonante Impulsuri Deformare
de deformare Cu fir Cu Violent Lent Prin combustie Prin detonare
magnetice pneumo- exploziv strpungere Fr contact Cu contact
mecanic
APLICAII UZUALE
Umflare Ambutisare Calibrare
Rsfrngere Placare Lrgire Tiere
Umflare Ambutisare Calibrare
Rsfrngere Placare Lrgire Tiere
Ambutisare adnc Placare
Rsfrngere Lrgire
Calibrare Tiere
Sinterizare
Ambutisare
adnc Tiere Placare
Sinterizare
Ambutisare Calibrare
Rsfrngere Placare
Sinterizare
Ambutisare Calibrare
Rsfrngere Lrgire
Ambutisare Calibrare
Rsfrngere Lrgire
Umflare Gtuire
Calibrare Fretare
Reliefare
Forjare
Matriare Sinterizare Calibrare Extrudare Refulare
DIMENSIUNI LIMIT ( m )
3
2
5
fr limite
2
2
2
1
1
VITEZA UNDEI DE OC ( m / s )
6000 6000 1200 - 7500 1200 - 7500 300 - 2400 300 - 2400 600 -
6000 7500 15 - 60
DURATA UNDEI s s s s ms ms ms s ms VITEZA DE
DEFORMAIE (m/s)
15 - 210
15 - 210
18 - 120
20 - 130
15 - 60
18 - 60
18 - 60
15 - 210
15 - 210
ENERGIA UZUAL ELIBERAT
(kJ)
15 - 150
15 - 150
6000 / 1 kg substan exploziv
6000 / 1 kg substan exploziv
mic
mic
200 - 250
15 - 150
700
AVANTAJ PRINCIPAL
Prelucrare reproductibil i realizarea
pieselor complexe
Realizarea pieselor
complexe, productivitat
e
Realizarea
pieselor mari
Realizarea
pieselor mari
Realizarea
pieselor complexe
Precizie
Precizie
Productivitate
mare, piese complexe
Precizie, prelucrarea
materialelor cu plasticitate
sczut CONSUM
ENERGETIC mic mic mare mare mare mic mic mic mediu
COSTUL UTILAJULUI
mediu mediu mic mic mic mare mediu ; mare mediu ; mare mediu
COSTUL SCULELOR
mic mic mic foarte mic mediu mediu ; mare mic mare mediu
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
12
PRODUCTIVI- TATEA (piese/or)
360 360 4 4 2 - 12 2 6 - 12 1000 - 12000 300
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
13
1.2. Posibiliti tehnologice actuale ale procedeelor de
deformare la rece prin impulsuri Conform [23], n figurile 1.1,
1.2 i 1.3 se prezint trei cazuri de deformare a unor semifabricate
de diferite forme. n toate cazurile s-au meninut constante
rapoartele g/D0 , respectiv g/R0, la valoarea 0,005.
Experimentele au fost efectuate utiliznd diferite procedee de
deformare cu impulsuri de mare energie, nivelul acestei energii
fiind specific fiecrui procedeu n parte. Astfel, n figura 1.1 se
disting limitele: A - deformare 100 % (D/D0 = 2) B - deformare 50 %
(D/D0 = 1,5) C - deformare 0 % (D/D0 = 1). Cifrele nscrise pe
diagram corespund urmtoarelor cazuri: 1 - Ex, 453 kg RDX; 2 - Ex,
45 kg RDX; 3 - Ex, 4,5 kg RDX; 4 - EH, 10 MJ; 5 - Ex, 0,45 kg RDX;
6 - EH, 1 MJ; 7 - Ex, 0,45 kg B.S.; 8 - EM, 1 MJ; 9 - EH, 100 kJ;
10 - Ex, 0,04 kg B.S. Semnificaiile sunt urmtoarele: Ex - deformare
prin explozie cu exploziv RDX sau B.S.; EH - deformare prin
electrohidroimpulsuri; EM - deformare prin impulsuri magnetice. Din
aceast figur rezult posibilitatea expandrii prin explozie a unui
cilindru de la diametrul iniial D0 = 3,5 m la
diametrul final D = 7,5 m, prin folosirea unei ncrcturi
detonante de 453 kg exploziv RDX. n figura 1.2 se prezint
posibilitile diferitelor procedee de umflare sferic, pornind de la
un semifabricat tubular. Limitele de deformare sunt: A - deformare
50 % (r/R0 = 0,5); B - deformare 10 % (r/R0 = 0,1). Cifrele nscrise
corespund urmtoarelor cazuri: 1 - Ex, 4,5 kg RDX; 2 - Ex, 0,45 kg
RDX; 3 - EH, 1 MJ; 4 - EM, 1 MJ; 5 - EH, 100 kJ; 6 - EM, 100 kJ; 7
- EH, 10 kJ; 8 - EM, 10 kJ. Astfel, prin explozie, folosind 4,53 kg
exploziv RDX, s-a realizat umflarea sferic cu raza r = 380 mm a
unui tub de aluminiu cu grosimea pereilor de 10 mm.
Fig.1.1. Posibiliti tehnologice la expandarea
unui cilindru de aluminiu prin impulsuri de mare energie.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
14
n figura 1.3 a fost reprezentat cazul ambutisrii unor piese
semisferice pornind de la semifabricate plane. Limitele sunt
urmtoarele: A - semisfer (y/D0 = 0,5); B - calot sferic (y/D0 =
0,1). Au fost reprezentate urmtoarele procedee: 1 - Ex, 453 kg RDX;
2 - Ex, 45 kg RDX; 3 - Ex, 4,5 kg RDX; 4 - EH, 10 MJ; 5 - pres
hidraulic de 7500 kN; 6 - Ex, 0,45 kg RDX; 7 - EH, 1 MJ; 8 - Ex,
0,45 kg B.S.; 9 - EM, 1 MJ; 10 - EH, 100 kJ; 11 - Ex, 0,045 kg B.S.
n consecin, rezult c utiliznd 453 kg exploziv RDX se pot realiza
semisfere cu diametrul de 9 m i grosimea de 45 mm sau capace cu
diametrul de 30 m, adncimea de 3 m i grosimea de 125 mm, deformri
care se realizeaz dintr-o singur operaie. Comparativ cu aceste
procedee, o pres hidraulic de 750 t poate deforma un semifabricat
plan de aluminiu ntr-o semisfer cu diametrul de 1,5 m ( la o
grosime a materialului de 6 mm ), rezultnd astfel o eficien foarte
sczut fa de procedeele de deformare cu impulsuri de mare energie;
acelai efect se poate obine la deformarea prin explozie folosind
numai 0,45 kg substan exploziv de tip RDX.
Fig.1.2. Posibiliti tehnologice la umflarea unui cilindru de
aluminiu prin impulsuri de
mare energie.
Fig.1.3. Posibiliti tehnologice la
ambutisarea unui disc plat de aluminiu prin impulsuri de mare
energie.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
15
CAPITOLUL 2
DEFORMAREA PRIN EXPLOZIE
2.1. Consideraii generale n acest caz, energia necesar deformrii
poate fi produs fie prin detonaie cu ajutorul explozivilor violeni
( brizani ), fie prin deflagraia unor medii de ardere ( ncrcturi cu
vitez de detonare lent ). n prima variant avem o deformare cu
presiune ridicat iar n a doua, cu presiune joas. Variaia presiunii
n funcie de timp pentru cele dou cazuri este prezentat n figura
2.1. Oricum, viteza de descompunere (dezintegrare) a unei ncrcturi
detonante se poate regla prin combinaii de substane aparinnd celor
dou grupe. Din acest motiv, n literatura american se utilizeaz
termenii "low - explosives" i "high - explosives" (explozive joase
sau moderate i puternic explozive). Aceti termeni se pot considera
ca echivaleni ai termenilor de "explozivi brizani" i "ncrcturi
lente propulsoare (sau pulberi balistice)", ntlnii n literatura
romneasc de specialitate. Parametrul principal n definirea celor
dou grupe este viteza liniar cu care se propag transformarea
exploziv, sau cu alte cuvinte, timpul n care are loc degajarea
energiei chimice nmagazinate n substana exploziv. Astfel, trebuie
fcut diferena ntre cele dou moduri de
transformare exploziv: detonaie i deflagraie: Fenomenul de
transformare chimic a substanei explozive, cu viteze de ordinul
mm/s sau al ctorva zeci de m/s, poart denumirea de deflagraie.n
plus, termenul de deflagraie desemneaz procesul transformrii
explozive n spaiu nchis, n timp ce un alt termen, cel de combustie,
fiind ntrebuinat pentru a desemna procesul arderii pulberilor n aer
liber. Viteza de deflagraie este mai mic dect viteza sunetului n
masa explozivului. n cazul n care viteza de transformare atinge
valori cuprinse ntre sute i mii de m/s (de regul 2000...9000 m/s),
explozia poart
Fig.2.1. Variaia presiunii funcie de timp la deformarea
prin explozie.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
16
denumirea de detonaie. Viteza procesului de transformare
exploziv este mai mare dect viteza sunetului n masa explozivului.
Este ns de reinut c aproape toi explozivii pot suferi att
transformri de tip detonaie, ct i deflagraii, funcie de condiiile
concrete de transformare i de densitatea de ncrcare. Exemplul tipic
este reprezentat de nitroceluloz, care se utilizeaz att ca pulbere
balistic, ct i ca exploziv brizant. ncrcturile propulsoare se
caracterizeaz prin aceea c lucrul mecanic de deformare este
efectuat de volumul mare de gaz rezultat la detonare. n cazul
explozivilor brizani, energia de deformare este transmis prin
intermediul unei unde de oc, acest caz apropiindu-se cel mai mult
de caracteristicile deformrii cu puteri i viteze mari. n ceea ce
privete substanele explozive, gama compoziiilor chimice ale
acestora este foarte larg. ncepnd cu primul exploziv cunoscut,
pulberea neagr (sau pulberea cu fum, fabricat din salpetru, sulf i
crbune), creterea numrului de explozivi descoperii a fost aproape
exponenial. Majoritatea substanelor explozive sunt derivai ai
acidului azotic, rezultnd din tratarea celulozei i a unor compui
organici ( n special aromatici ), cu acid azotic i acid sulfuric.
Din grupa explozivilor brizani se pot aminti: explozivul plastic,
caracterizat de o vitez de detonare de 7500 m/s, densitate de 1,5
kg/dm3, energie eliberat 1300 kcal / kg i presiune de 140 kbar,
dinamita, pentrita, nitropentanul, hexogenul ( cunoscut i sub
denumirea de RDX, Ciclonit sau T4 ), trotilul (trinitrotoluenul TNT
sau tolita ), haleita (sau EDNA), melinita (acidul picric),
explozivii de tip PETN, PTX (hexogen + trotil + tetril), BDX
(azotat de amoniu + hexogen + trotil + aluminiu), pentolit (pentrit
+ trotil), tetril, trolit, tetritol (tetril + trotil), ciclotol
(hexogen + trotil), C3, Primacord, Detasheet, tritonal (trotil +
aluminiu), torpex (hexogen + trotil + aluminiu), ednatol (haleit +
trotil), etc. Acetia se prezint sub form de pulberi, cu densiti de
0,6...1,0 g/cm3, gelatine (de exemplu, nitroglicerina gelatinizat )
cu densiti n jurul valorii de 1,6 g/cm3 sau solizi ( blocuri
presate, cartue ) cu densiti de 0,7...1,8 g/cm3. ncrcturilor
explozive li se pot da forme convenabile, n funcie de forma piesei
ce urmeaz a fi realizat i de necesitatea unei orientri favorabile a
undei de presiune. Astfel, forma frontului undei de oc rezultat n
urma detonrii poate fi plan, sferic, cilindric sau n fascicule,
funcie de forma iniial a ncrcturii explozive. Dintre explozivii cu
vitez de detonare lent se pot aminti: Nobelit B, cu vitez de
detonare 2000 m/s i presiune de 20 kbar; Astrolit ( 1600 m/s, 5,6
kbar ); Carbonit ( 1500 m/s, 4,5 kbar ); pulberea de nitroceluloz
(pulberea fr fum); nitroguanidina, etc. Substanele amintite au
puine
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
17
calorii i volum mare de gaz rezultat dup detonare, acesta din
urm efectund, dup cum s-a mai amintit, lucrul mecanic de deformare.
n concluzie, n timp ce la explozivii leni apar viteze de detonare
de la cteva sute de m/s pn la circa 3000 m/s i presiuni ntre
750...2200 MPa, la explozivii brizani vitezele sunt cuprinse ntre
3500...8300 m/s, presiunea atingnd 50000 MPa. Presiunea aproximativ
dezvoltat de unda de oc pe semifabricat este de 7000...10000 MPa,
viteza de deformaie a semifabricatului fiind de peste 70...100 m/s.
Exist, la ora actual, dou modaliti de prelucrare prin explozie.
Prima modalitate este cea cu contact direct ntre semifabricat i
exploziv, deformarea avnd loc n cteva s. Mrimea presiunilor i
duratelor de aciune a impulsurilor de presiune depinde de sistemul
metal - exploziv i de geometria acestuia. Principalele utilizri
sunt la operaiile de placare i sudare. A doua modalitate de
prelucrare este deformarea prin explozie la distan, caracterizat
prin lipsa contactului direct ntre semifabricat i exploziv, energia
propagndu-se printr-un mediu de transfer ( mediu gazos - aer; mediu
lichid - ap; mediu solid, pulverulent - nisip ), sub forma
impulsurilor de presiune, deformarea fiind produs n primul rnd de
aciunea acestor impulsuri. Acesta este cazul cel mai ntlnit n
aplicaiile industriale, mediul de transmitere cel mai frecvent
utilizat fiind apa. Procedeul se adopt pentru ambutisarea pieselor
foarte mari, de diferite forme, n producia de unicate sau de serie
mic ( piese din industria aero-spaial, funduri de recipieni din oel
carbon, oel aliat sau aliaje speciale utilizate n industria
chimic). 2.2. Deformarea prin explozie n aer La instalaiile care
utilizeaz aerul ca mediu de transmitere a undei de oc (fig.2.2),
valoarea impulsului primit de semifabricat este mai mic dect n
cazul utilizrii materialelor pulverulente sau a apei. Aceasta se
datoreaz faptului c viteza undei de oc n aer este mai mare
(fig.2.3), dar presiunea acesteia scade mai repede cu distana
(fig.2.4). Pentru mrirea efectului exploziei n aer, se poate
utiliza un reflector de und, cu form specific, aa cum se vede n
figura 2.5. n acest fel, unda de oc format ca urmare a exploziei
este reflectat n direcia semifabricatului, mrind efectul acesteia.
Folosirea reflectoarelor de und este ns relativ greu de aplicat,
necesitnd o construcie suplimentar pentru reflector (a crui form
optim este, deasemenea, greu de asigurat ).
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
18
Astfel, aceast soluie este deseori nejustificat din punct de
vedere economic, mai ales c neajunsurile procedeului pot fi
nlturate ( sau cel puin ameliorate ) prin utilizarea unui alt mediu
de transmitere a presiunii. Aa cum se observ i n cele dou figuri de
mai sus, deformarea se face n spaiu deschis, aeznd deasupra
semifabricatului, la distana R, o ncrctur de exploziv de mas G.
Fora teoretic a explozivului se calculeaz cu o relaie (dup
Berthelot) de forma:
fp V Te=
0 027316,
[ Nm / kg ] (2.1) n care: p0 - presiunea atmosferic, n N/m2; V0
- volumul specific al gazelor rezultate, la temperatura de 0 C i
760 mm Hg, n m3/kg. n tabelul 2.1 sunt date volumele specifice ale
unor substane explozive, pentru valorile indicate ale densitii . Te
- temperatura de explozie ( Te = 273 + t0 C ), n grade Kelvin K; t0
- temperatura de explozie, n C. Aceast mrime exprim lucrul mecanic
pe care l-ar putea produce 1 kg de exploziv, prin dilatarea la
presiune atmosferic a gazelor produse, atunci cnd acestea sunt
nclzite de la 0 K la Te K.
Fig.2.2. Deformarea prin explozie n aer.
Fig.2.3. Variaia vitezei undei de oc n funcie de distan la
expozia
n aer.
Fig.2.4. Dependena presiunii undei de oc de distan, la explozia
n aer
(rezultate obinute pentru cazul detonrii a 32 kg acid
picric).
Fig.2.5. Utilizarea reflectoarelor de und la
deformarea prin explozie n aer
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
19
n ceea ce privete temperatura de explozie, ea reprezint
temperatura maxim la care sunt nclzite produsele rezultate n urma
transformrii explozive, pe baza cldurii degajate n timpul
exploziei. Asupra acestei temperaturi de explozie, sunt necesare
cteva precizri suplimentare. Astfel, dup cum se tie, energia unei
reacii este o funcie de ecuaia chimic ce reprezint reacia
respectiv. n cazul unei reacii explozive, condiiile diferite n care
aceasta se amorseaz i se desfoar pot conduce la variaii
considerabile ale ecuaiei chimice. n consecin, temperatura
produselor de explozie, care este n strns legtur cu energia de
reacie, nu va fi aceeai pentru diversele ecuaii ale exploziei.
Rezult deci c nu se poate vorbi riguros de temperatura de explozie
a unui exploziv dat dect dac ecuaia descompunerii sale explozive
este totdeauna aceeai i bine definit. n aceste condiii, temperatura
de explozie este o caracteristic a unei descompuneri explozive date
i nu a unui exploziv. Practic, atunci cnd se vorbete de
temperatura de explozie a unui anumit exploziv se nelege
temperatura care se refer la ecuaia de transformare cea mai uzual.
n tabelul 2.2 sunt date temperaturile de explozie pentru civa
explozivi uzuali [4]. Brizana sau posibilitatea de distrugere a
explozivului, dup Berger i Viard (1962), se calculeaz cu o relaie
de forma:
B f w= 0610 (2.2)
n care: f - fora explozivului, n Nm/kg; w0 - viteza de detonaie
a explozivului, n m/s. n tabelul 2.3 sunt date cteva valori ale
brizanei unor explozivi, calculate cu relaia (2.2). Dac se
aproximeaz densitatea de ncrcare cu densitatea explozivului,
brizana mai poate fi exprimat i prin relaia: B f w= 0 (2.3) n care
: - densitatea de ncrcare (asimilat densitii explozivului), n
kg/dm3; w0 - viteza de detonaie a explozivului, n m/s.
TABELUL 2.1. Exploziv (g/cm3) V0 (m3/kg)
Trotil 1,5 0,75 0,85 0,87
Hexogen 1,5 0,89 0,95 0,95
Ciclotol 50/50 1,68 0,80 (trotil + hexogen) 0,9 0,90
Acid picric 1,5 0,75 1,0 0,78
Tetril 1,55 0,74 1,0 0,84
Pentrit 1,65 0,79 0,85 0,79
Nitroglicerin 1,6 0,69 Volumul specific poate varia pentru
acelai
exploziv n funcie de ecuaia de descompunere a explozivului
respectiv.
TABELUL 2.2. Exploziv Temperatura de
explozie [ C ] Acid picric 3540
Tetril 3530 Fulminat de
mercur 3530
Hexogen 3930 Dinitroglicol 3980
Trotil 3260 Pentrit 3930
Nitroglicerin 3730 Nitroglicol 4130
TABELUL 2.3.
Exploziv Brizan Acid picric 61
Trotil 57,1 Tetril 79,3
Pentrit 83 Hexogen 99,8
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
20
n tabelul 2.4 sunt indicate brizanelor unor explozivi, calculate
dup relaia (2.3). Un alt parametru caracteristic, presiunea de
explozie, poate fi calculat cu relaia:
p n R T MVe
=
(2.4) n care: n - numrul de moli de produse gazoase, rezultate
din descompunerea unui mol sau a unitii de greutate de exploziv; R
- constanta gazelor; M - masa ncrcturii explozive; V - volumul n
care se destind produsele de explozie. Raportul M / V poart
denumirea de densitate de ncrcare i se noteaz cu . Cum produsul
nRTe poate fi asimilat cu fora explozivului, relaia (2.4) poate fi
scris sub forma: p f= (2.5) Relaia de mai sus se aplic la densiti
de ncrcare mici, cnd produsele de explozie pot fi considerate gaze
ideale. Este evident c n construcia matriei se va ine seama de
necesitatea evacurii aerului din spaiul dintre matri i
semifabricat, pentru a se evita astfel o contrapresiune i
comprimarea adiabatic, respectiv nclzirea aerului existent n acest
volum nchis. n acest scop, se practic n matri orificii de evacuare
a aerului, cu o anumit dispunere spaial, recurgndu-se n multe
cazuri i la vidarea spaiului respectiv. n timpul exploziei pot fi
antrenate spre semifabricat particule solide, ceea ce poate duce la
zgrierea sau chiar ruperea materialului prelucrat. Acest fenomen
apare ca urmare a zonelor specifice de aciune ale produselor de
explozie i ale undei de oc. Astfel, n apropierea epicentrului
exploziei, frontul de mprtiere a produselor de explozie se
suprapune peste frontul undei de oc, deoarece ele se deplaseaz
aproximativ cu aceeai vitez (zona 1, fig.2.6). Densitatea
produselor de explozie din aceast zon este ns cu mult mai mare (de
circa 20 ori) dect greutatea specific a aerului n frontul undei de
oc. Din acest motiv, n imediata apropiere a ncrcturii, aciunea
dinamic a produselor de explozie ntrece cu mult aciunea undei de
oc.
TABELUL 2.4. Exploziv Brizan
Trotil 86 Hexogen 188 Pentrit 193
Tetril 116 Acid picric 107
Nitroglicerin 145 Nitroceluloz 77
Fulminat de mercur 128
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
21
Aceast situaie se menine pn cnd unda de oc, datorit vitezei sale
mai mari, se desprinde de produsele de explozie. Conform datelor
experimentale, desprinderea undei de oc se produce la o distan egal
cu (7 14) r0 , unde r0 reprezint raza ncrcturii din epicentrul
exploziei. La distane cuprinse ntre (14 20) r0 , produsele de
explozie i unda de oc au o aciune aproximativ egal (zona 2,
fig.2.6). La distane mai mari de 20 r0 , efectul de deformare este
determinat numai de aciunea undei de oc (zona 3, fig.2.6). n aceste
condiii, protecia suprafeei tablei se poate face prin acoperire cu
hrtie, carton, cauciuc, folie de plastic, etc. La detonarea n aer
se obin presiuni de
detonaie de 20000 MPa, ajungnd la semifabricat la aproximativ
7000 MPa, cu viteze de peste 70 m/s. Aceast energie de valori
deosebite este capabil s produc deformarea n condiii excelente a
unor semifabricate foarte greu deformabile, cu dimensiuni foarte
mari ( grosimi peste 25 mm, diametre pn la 10 m). 2.3. Deformarea
prin explozie n mediu solid pulverulent La aceast metod se folosete
de obicei ca mediu de transmitere nisip, pulberi metalice (n
general de aluminiu) sau alice. Schema de principiu a metodei este
redat n figura 2.7.
Dintre mediile de transmitere amintite mai sus, cel mai ieftin
este nisipul uscat, avnd ns dezavantajul c, n comparaie cu apa,
acesta transmite mai slab energia spre semifabricat.
Fig.2.6. Zonele de aciune ale produselor de explozie i
ale undei de oc la deformarea prin explozie n aer.
Fig.2.7. Deformarea prin explozie n mediu
solid pulverulent.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
22
Pentru obinerea pieselor de bun calitate este necesar ca nisipul
s fie ct mai omogen, att ca granulaie ct i ca umiditate. Nisipul
trebuie s fie cernut, deoarece corpurile solide mai mari, care se
afl n apropierea ncrcturii, se pot transforma, ca urmare a
exploziei, n adevrate proiectile, putnd perfora materialul. Efectul
de crater dat de explozia n medii nisipoase poate fi evitat dac
ncrctura exploziv se plaseaz la o adncime mai mare dect 1 2 3, M (n
m), unde M este masa substanei explozive, n kg. n acest caz se
formeaz ceea ce se numete un camuflet, care uneori este legat de
suprafa printr-un canal (fig.2.8). O variant a acestei metode este
cea a ambutisrii cu diferenierea temperaturii semifabricatului
(fig. 2.9). Prin intermediul unei rezistene electrice ncorporate n
instalaie, n zona de reinere a semifabricatului, poriunea de flan a
acestuia este nclzit, rezultnd astfel o cretere a plasticitii
materialului n aceast zon cu deformaie maxim.
2.4. Deformarea prin explozie n ap Mediul lichid de transmitere
a energiei undei de oc prezint cel mai mare interes practic. Fiind
mai dens i omogen, el asigur o mai bun transmitere a energiei la
semifabricat i, ca o prim consecin, aceeai deformaie se va obine cu
o cantitate de exploziv mai mic dect la deformarea n aer.
Fig.2.8. Formarea camufletelor la
explozia n medii nisipoase. 1 - canal; 2 - mediu iniial; 3 - zon
cu tasare i fisuri; 4 - cderi; 5 - cavitate
probabil.
Fig.2.9. Ambutisarea prin explozie n mediu solid pulverulent, cu
nclzirea poriunii de flan a semifabricatului.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
23
Calitatea pieselor obinute este mai bun, deoarece presiunea
undei de oc se repartizeaz mult mai uniform pe suprafaa
semifabricatului aflat
n contact cu lichidul. n consecin, grosimea pereilor piesei
obinute nu se modific substanial. Deasemenea, lichidul mpiedic
rspndirea particulelor solide proiectate n timpul exploziei i, prin
aceasta, protejeaz suprafaa piesei mpotriva unor eventuale
deteriorri. Cel mai ieftin i mai rspndit lichid la detonarea
explozivilor violeni este apa. Instalaiile de ambutisare prin
explozie n ap se pot construi suprateran (fig.2.10) sau subteran, n
bazine de beton (fig.2.11). Dup cum se observ, pereii bazinelor
subterane sunt protejai prin ecrane cu bule de aer, care amortizeaz
undele de oc. Pe fundul bazinelor, n apropierea pereilor, sunt
aezate tuburi perforate alimentate cu aer comprimat, alimentare
care ncepe cu puin naintea exploziei. Bulele constituie o perdea
elastic care protejeaz pereii. Fr aceste precauii, pereii se pot
distruge foarte rapid. Bazinele metal-beton astfel protejate pot
avea o durat de via de minim 30 luni. Cadena de lucru este
aproximativ o pies pe or, ns cu dispozitive suplimentare se poate
ajunge i pn la formarea
a 4...5 piese pe or.
Fig.2.10. Instalaie suprateran de
ambutisare prin explozie n ap.
Fig.2.11. Instalaie subteran de ambutisare prin explozie n
ap.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
24
Pentru presiuni mari i pentru serii medii de producie, matriele
se fac din oel sau font. n cazul unor piese foarte mari se
utilizeaz cu rezultate foarte bune matriele din beton armat, cu
suprafa cptuit cu rini epoxidice. Deasemenea, matriele se pot
executa din lemn, rini epoxidice, beton cptuit cu material plastic
sau chiar din ghea. Aceast ultim variant se bazeaz pe faptul c
viteza de deformaie este mai mare dect viteza de sfrmare a matriei.
n ultimul timp au cptat o larg rspndire matriele din metale uor
fuzibile. n figurile 2.12, 2.13, 2.14 sunt prezentate exemple de
matrie utilizate la deformarea prin explozie n ap.
Pentru a elimina neajunsurile bazinelor ngropate n sol ( legate
de imposibilitatea
automatizrii procesului i de distrugerea att a bazinului ct i a
oricror instalaii aflate lng matri), au aprut instalaiile denumite
"gropi-blindate" (fig.2.15). Groapa blindat, cu diametrul de 6...8
m, are o adncime de 3...5 m. Explozibilul se detoneaz n bazine
(incinte) de o singur utilizare. Aceast incint se distruge n timpul
detonrii, apa fiind aruncat prin camer, scurgndu-se apoi n
canalizare. Camera ( groapa blindat ) se asigur cu o ventilaie
puternic.
Fig.2.12. Matri pentru ambutisarea
unui fund sferic.
Fig.2.13. Matri pentru o pies de tip cad de baie.
Fig.2.14. Matri de lrgire pentru evi
din oel Cr - Ni.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
25
La acest tip de instalaii, accesul la pies se face mult mai uor,
iar unda de oc care se transmite prin aer este mai puin intens dect
cea care se transmite prin ap, astfel nct eventualele instalaii din
apropierea matriei (mecanism hidraulic de ridicare pentru
transportul instalaiilor de strngere, dispozitive de blocare pentru
nchiderea plcii de reinere, manipulatoare pentru aezarea
semifabricatului i scoaterea piesei finite, etc.) nu vor fi
distruse.
O variant mbuntit a gropii blindate este camera blindat amplasat
suprateran. n funcie de condiiile concrete de organizare a
procesului tehnologic ( ndeosebi de mrimea ncrcturii ) se
construiesc fie camere blindate staionare, fie mobile. n figura
2.16 este schiat o camer blindat staionar, sub form de cupol.
Cupola se poate ridica cu ajutorul unor cilindrii hidraulici la 2 m
i peste, elibernd astfel spaiul la nivelul solului i uurnd
deservirea matriei i a dispozitivelor de mecanizare.
n inelul de presare se toarn apa, care acoper ncrctura detonant
plan. Experiena a artat c i n cazul deformrii produselor de gabarit
mare, ntre ncrctura plan i semifabricat este suficient un strat de
50...100 mm de ap. Aceeai grosime o are i stratul situat deasupra
ncrcturii plane. La reducerea stratului de ap de deasupra
ncrcturii, randamentul scade, devenind mai mic dect la prelucrarea
n bazin. Perdeaua de ap protejeaz pereii camerei blindate de
distrugere n timpul exploziei.
Fig.2.15. Instalaie de deformare prin explozie de tip
" groap - blindat ".
Fig.2.16. Instalaie de tip camer blindat staionar, cu amplasare
suprateran.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
26
Construcia unei camere blindate mobile este prezentat n figura
2.17. Camera (2) se realizeaz din profile sudate i se nvelete cu
tabl de oel cu g = ( 3...5) mm. Dimensiunile camerei se situeaz n
jurul valorilor de 3 x 4 m, la o nlime de aproximativ 3 m. Capacul
camerei blindate poate s se ridice n timpul exploziei cu civa
centimetri ( ca urmare a aciunii undei de oc ), fanta ce se formeaz
n aceast situaie fiind protejat din lateral de jaluzeaua (3).
Aceasta din urm dirijeaz fluxul de produse de explozie i unda de oc
n exterior, n jos, paralel cu pereii camerei blindate. Camera
blindat se poate deplasa pe roile (7). Pentru ca ea s ajung uor
deasupra matriei (6), n pereii laterali ai camerei sunt practicate
decupri care se nchid n momentul exploziei cu pereii mobili (1),
ntrii cu contraforturi. Pe matri se aeaz placa de reinere (4), n
interiorul creia se creeaz un microbazin cu ncrctura plan (5). O
asemenea camer blindat poate deservi cteva locuri de munc ( unul
dintre ele, pentru umflarea semifabricatelor tubulare, este schiat
n figura 2.17, unde 8 - matri i 9 - ncrctur exploziv sferic ). La
prelucrarea pieselor de gabarit mare este bine ca, n loc s se
toarne ap n microbazin, pe semifabricat s se aeze saci de
polietilen umplui cu ap, cu ncrctura de exploziv amplasat ntre
acetia.
Fig.2.17. Instalaie de tip camer blindat mobil, cu amplasare
suprateran.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
27
Instalaiile supraterane, n form de rezervor metalic (fig.2.10),
se utilizeaz mai rar la operaii de ambutisare. Aceste instalaii
sunt specifice executrii operaiilor de fasonare, pentru care este
necesar un volum redus de ap. Pe un principiu puin diferit se
bazeaz aa-zisa metod de deformare prin explozie cu aruncarea
agentului de transmitere. La acesta, att energia undei de oc ct i
energia produselor de explozie care se dilat este cedat mediului de
transmitere, acesta din urm fiind accelerat pn la o anumit vitez.
Schema de principiu a acestei metode este prezentat n figura 2.18.
Coloana agentului de
transmitere care lovete semifabricatul este de fapt un amestec
eterogen de ap, aer i produse de explozie, putndu-se delimita trei
zone: nucleul coloanei, format din mas omogen de ap; zona primar,
coninnd ap pulverizat fin n aer; zona final, compus dintr-un
amestec de produse de explozie cu ap. n funcie de raportul dintre
masa apei i masa ncrcturii, precum i n funcie de mrimea spaiului de
aer ( zona de micare ), compoziia coloanei n micare i greutatea
specific a fiecrei zone pot fi diferite. Este de remarcat faptul c
proporia dintre aer i produsele de explozie reprezint practic ( 0,5
+ 0,05 )% din ntregul agent de transmitere. Cercetrile
experimentale fcute la ambutisarea calotelor sferice, pornind de la
un semifabricat plan din alam, cu diametrul 140 mm i grosimea 1 mm,
cu inel de reinere, au artat c pentru aceeai ncrctur exploziv,
randamentul de utilizare a energiei chimice a explozivului este de
42% n cazul aruncrii agentului de transmitere i de 6% n cazul
utilizrii bazinului de unic folosin. 2.5. Probleme tehnologice la
deformarea prin explozie n ap Ealonarea n timp a fenomenelor
implicate n deformarea prin explozie n ap se poate rezuma conform
schemei din figura 2.19. Se consider c unda de oc care lovete
semifabricatul este factorul determinant care duce la deformare, n
timp ce unda de presiune provocat de bula de gaz are un rol
secundar. Timpul de deformare este de ordinul milisecundelor, unda
de oc propagndu-se n lichid cu viteze de 1000...8000 m/s.
Fig.2.18. Deformarea prin explozie cu aruncarea
agentului de transmitere. 1 - plac de baz; 2 - matri; 3 -
dispozitiv de fixare; 4 -
ncrctur exploziv; 5 - semifabricat; 6 - strat protector; 7 -
element de strngere; 8 - lichid.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
28
n figura 2.20 este reprezentat variaia formei frontului undei de
oc, precum i variaiile presiunii i ale vitezei undei, n cazul unei
ncrcturi detonante de form sferic. Transformarea substanei
detonante din stare solid n stare gazoas se face la o vitez de
detonare de aproximativ 8000 m/s, n cteva microsecunde. Deoarece
apa acioneaz ca mas inert, la suprafaa de contact dintre gaz i ap
ia natere un front de presiune. nainte ca bula de gaz s nceap s se
dilate, prin ap se propag n toate direciile o und de oc de form
sferic. Evident, n dreptul frontului de detonare, presiunea undei
de oc este egal cu presiunea bulei de gaz obinut prin explozie. La
propagarea n continuare a undei de oc, presiunea scade rapid, aa
cum se observ i n diagrama din figura 2.20. n apropierea zonei de
detonare, gradientul de atenuare a undei de oc este mult mai mare
dect cel din zonele mai deprtate, unde presiunea se stinge mult mai
lent.
Fig.2.19. Ealonarea n timp a desfurrii procesului de deformare
prin explozie n
ap.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
29
Ca urmare a exploziei, n lichid se formeaz o bul de gaz care
crete pn la o dimensiune maxim, apoi se sparge producnd un alt
efect, dar de natur oscilatorie. Fiecare oscilaie produce un nou
impuls de presiune, dar cu o amplitudine mult mai mic dect a
impulsului iniial. Raionamentul fcut de Cole referitor la acest
fenomen este urmtorul: expansiunea bulei are loc ntr-un timp
relativ lung, presiunea gazelor din interiorul bulei scade
progresiv, dar micarea continu ca urmare a ineriei apei n micare.
Presiunea gazelor scade sub valoarea care corespunde echilibrului
hidrostatic, ceea ce duce la o ntrerupere a expansiunii i bula
ncepe atunci s se contracte. Aceast micare invers continu pn cnd
compresibilitatea limitat a gazelor devine o frn i, la rndul ei,
inverseaz din nou micarea. Ca urmare, bula este supus unor
expansiuni i contracii repetate, rezultnd astfel un sistem
oscilant. Raza bulei scade cu fiecare oscilaie. Numrul de oscilaii
poate atinge 10 i chiar mai mult, fiind limitat de pierderile de
energie prin radiaie sau turbulen sau ca urmare a perturbaiilor
creeate de gravitaie i de suprafeele limit (n special de suprafaa
liber i de fundul bazinului). Oscilaiile continu pn ce bula, urcnd,
despic suprafaa apei cu o violen ce depinde de masa ncrcturii i de
adncimea de imersare a acesteia.
Fig.2.20. Variaiile formei, presiunii i vitezei dezvoltate pe
frontul
undei de oc.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
30
Astfel, presiunea dezvoltat pe semifabricat are o variaie n
funcie de timp conform diagramei din figura 2.21. Presiunea
dintr-un punct oarecare din interiorul lichidului, situat la o
anumit distan de locul exploziei, se poate determina ca o funcie de
timp cu o relaie de forma:
p p emt
=
(2.6) unde: pm - amplitudinea maxim a presiunii; t - timpul n
care unda de oc ajunge n punctul considerat; - constant
caracteristic care depinde de mrimea ncrcturii, tipul
explozibilului, etc. i reprezint de fapt timpul n care amplitudinea
presiunii ajunge la 1/e din amplitudinea ei maxim. n figura 2.22 a
fost reprezentat dependena dintre amplitudinea presiunii i distana
de la centru exploziei. Dac se noteaz cu R distana de la punctul
considerat la centrul unei ncrcturi explozive de form sferic,
presiunea maxim a undei de oc se poate determina cu o relaie de
forma:
p KG
Rm=
1 3
[daN/cm2] (2.7)
unde: G - masa ncrcturii, n kg; R - distana de la ncrctur la
punctul considerat, n cm; K, - constante care depind de tipul
explozivului utilizat. Pentru exemplificare, n tabelul 2.5. sunt
indicate valorile lui K i pentru trei tipuri de substane
explozive.
Fig.2.21. Aciunea cumulat n timp a presiunii undei
de oc i a bulei de gaz.
Fig.2.22. Variaia presiunii funcie de
distana de la centrul de explozie.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
31
n cazul folosirii unei ncrcturi cilindrice sau tubulare, relaia
de calcul a presiunii maxime este:
p KG
Rm=
1 2
[daN/cm2] (2.8)
unde G este masa ncrcturii pe metru liniar de lungime, n kg/m.
De remarcat c n literatura de specialitate, pentru o eficien mai
mare, sunt indicate nomograme pentru determinarea presiunii n
funcie de distana pn la ncrctur i de masa acesteia, pentru anumite
tipuri de exploziv. Mrimea i forma ncrcturii explozive este de mare
importan pentru asigurarea unei anumite presiuni necesar pentru
deformarea plastic a semifabricatului. Problema asigurrii presiunii
de deformare n acest caz se
deosebete de deformarea clasic, din cauza comportrii diferite a
metalelor la solicitarea prin oc. Problema stabilirii mrimii optime
a ncrcturii este relativ greu de soluionat, avnd n vedere atenuarea
presiunii n mediul de transmitere, pe msur ce semifabricatul intr n
cavitatea matriei. Deasemenea, un alt criteriu de difereniere ntre
deformarea convenional i procedeul de deformare cu und de oc este
modul de aplicare al forei de deformare, cu totul diferit
(fig.2.23). Schema simplificat a distribuiei de presiune la
solicitarea prin und de oc este prezentat n figura 2.24. Dup cum se
observ, n timp ce la ambutisarea convenional aplicarea forei se
face pe zone de suprafa continuu cresctoare, unda de oc i ofer
impulsul ntregii suprafee a semifabricatului, astfel nct toate
zonele piesei se deplaseaz concomitent, chiar dac distribuia de
presiune pe suprafaa semifabricatului este diferit de la un punct
la altul. Aceasta are drept urmare o calitate a suprafeei mai bun i
devieri mai mici de grosime ale pieselor deformate prin explozie.
Revenind la mrimea ncrcturii de material exploziv, n cazul
utilizrii trotilului detonat n ap, se recomand ca mrimea ncrcturii
s se
TABELUL 2.5. Tipul substanei
explozive K
TNT 21,6 1,13 TETRYL 21,4 1,15
PENTOLIT 22,5 1,13
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
32
calculeze cu relaiile: pentru ncrcturi de form sferic:
G w g RK
N=
1 8
1
0 8, ,
(2.9) pentru ncrcturi de form liniar:
Q w g RK
M=
0 55
1
0 8, ,
(2.10)
n care: G - masa ncrcturii sferice, n kg; Q - masa ncrcturii
liniare, n kg/m; w - lucrul mecanic necesar pentru deformare,
raportat la unitatea de suprafa a semifabricatului, n Nm / cm2 (
eventual n kgcm / cm2 ); g - grosimea semifabricatului, n cm; K1 -
coeficient ce ine seama de proprietile acustice ale mediului i
materialului de prelucrat (tab.2.6); M, N - coeficieni care depind
de densitatea materialului semifabricatului (tab.2.6). Lucrul
mecanic de deformaie, raportat la unitatea de suprafa, se poate
determina cu relaia:
w w VA
= 1
(2.11) unde: w1 - lucrul mecanic specific de deformare (raportat
la unitatea de volum a materialului ), n Nm / cm3 sau kgcm / cm3; A
- aria poriunii deformate a semifabricatului, n cm2; V - volumul
materialului semifabricatului deformat, n cm3. Valoarea aproximativ
a lucrului mecanic corespunztor unitii de volum sau lucrul mecanic
specific necesar deformrii plastice a semifabricatului se determin
cu relaia:
Fig.2.23. Caracterul aplicrii forei de
deformare la deformarea convenional i la cea cu und de oc.
Fig.2.24. Aproximarea distribuiei de presiune la
deformarea cu und de oc.
TABELUL 2.6. Materialul
piesei K1 N M
Aliaje de aluminiu
0,824 0,494106 79,9106
Aliaje de titan 0,813 0,792106 128106 Oel 0,781 1,378106
222106
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
33
w Rc r112
= (2.12)
unde: Rc - limita de curgere a materialului, n daN/cm2; r -
alungirea relativ la rupere a materialului semifabricatului. n
literatura de specialitate se mai indic o relaie de calcul a
lucrului mecanic de deformare w, pentru ambutisarea pieselor
sferice, de forma:
w B sr
r g=+
+
143
2
02
1
02
(2.13)
n care: s - adncimea piesei ambutisate, n mm; r0 - raza piesei
deformate, n mm; g - grosimea materialului, n mm; , B - coeficieni
funcie de proprietile mecanice ale materialului de prelucrat,
indicai n literatura de specialitate. Forma ncrcturii se stabilete
n funcie de piesa ce urmeaz a fi deformat. Atunci cnd forma piesei
o cere, se pot utiliza mai multe ncrcturi detonate simultan sau
succesiv (fig.2.25). Deformarea n dou etape este utilizat, nainte
de toate, n cazul n care se dorete o grosime a pereilor cu totul
simetric. Pentru cazul prezentat n figura 2.25, se lucreaz cu o
ncrctur inelar a i una sferic b, care sunt aprinse succesiv n timp.
ncrctura inelar produce semifabricatului d o predeformare e, iar
cea sferic definitiveaz deformarea i calibrarea piesei finite f pe
matria c . Dup observaiile fcute asupra rezultatelor obinute la
deformare, se recomand pentru table ncrcturi plate iar la piesele
care au deja un nceput de deformare, forma sferic. La piesele
cilindrice se recomand forma cilindric (liniar). La ambutisarea cu
ncrcturi concentrate de form sferic, distana R de la ncrctur la
semifabricat se adopt n funcie de grosimea relativ
g/D a semifabricatului, dependena dintre cele dou fiind,
evident, invers proporional.n tabelul 2.7 se indic cteva valori
recomandate n cazul utilizrii trotilului. Pentru a mpiedica apariia
jeturilor de ap la suprafaa apei, se pot monta plase la civa
centimetri sub
aceast suprafa. Acestea sparg bula de gaz care apare n
Fig.2.25. Ambutisare prin
explozie cu mai multe ncrcturi detonante.
TABELUL 2.7. Grosimea
relativ g/D 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Distana R 2D 1,3D 1,1D 0,9D 0,8D D - diametrul
semifabricatului
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
34
timpul exploziei, uurnd ieirea gazului n atmosfer fr ca acesta s
mai antreneze i particule de ap. Cnd nu se utilizeaz asemenea
plase, pentru ca la suprafaa apei s nu apar urmri majore ale
exploziei, ncrctura se va amplasa la o adncime suficient de mare: h
G 9 1 3 (2.14) unde: h - distana de la suprafaa apei la centrul
ncrcturii, n m; G - masa ncrcturii, n kg. n general ns, aceast
valoare h depinde i de puterea explozivului. La varianta cu
aruncarea agentului de transmitere, impulsul de presiune p n
frontul undei de oc care se formeaz prin impactul coloanei de agent
cu semifabricatul se detemin din legea conservrii masei i
impulsului: ( ) 1 1 1 = c c v (2.15) = 1 1 1c v p p (2.16) unde: ,
1 - densitile agentului de transmitere n stare iniial i n coloan;
c1 - viteza de propagare a undei de oc iniiale n agentul de
transmitere; v - viteza particulelor de lichid n momentul
impactului; p p c1 1= + ; p c= , unde c este o constant cu valoarea
c = 286,45 MPa n cazul apei. Rezolvarea relaiilor (2.15) i (2.16)
mpreun cu ecuaia strii agentului de transmitere duce la
determinarea raportului dintre presiunea undei de oc creat la
impact i viteza de impact. Dificultatea rezolvrii exacte a acestei
probleme const n faptul c ecuaia de stare a agentului (acut
neomogen, tricomponent i cu o compoziie instabil a elementelor)
este necunoscut. O rezolvare aproximativ poate fi obinut prin
utilizarea, n toate cazurile, a ecuaiei de stare a componentei de
baz a agentului de transmitere, apa:
1
1
11
1
21
=
=
pp
c vc
n n (2.17)
unde n este o constant care pentru ap are valoarea n = 7,31.
Rezolvarea sistemului format de ecuaiile (2.15), (2.16) i (2.17)
duce la urmtoarea relaie de legtur dintre viteza de impact v a
agentului de transmitere i presiunea p1 format n acest caz:
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
35
v p cp c
n=
+
1
1
1
1
(2.18)
Viteza medie de deplasare a apei poate fi determinat din relaia
energiei cinetice totale a acesteia i energia chimic a ncrcturii
explozive. Consideraiile de mai sus au fost fcute pentru momentul
iniial al impactului, cnd nc materialul nu a intrat n locaul
matriei, deci pentru o plac rigid, nedeformabil. n realitate ns,
semifabricatul tinde s ia forma matriei, ceea ce duce la o lungire
a coloanei de agent de transmitere. Aceasta implic de fapt o scdere
progresiv a vitezei, ca i cum particulele de ap ar fi frnate i nu
oprite instantaneu. n acest caz, presiunea la impact va fi mai mic
dect presiunea p1 din dependena (2.18). n concluzie, dependena
(2.18) va reflecta posibilitile poteniale care exist la anumii
parametri dai ai ncrcturii detonante i agentului de transmitere.
Revenind la cazul general al deformrii prin explozie, n ceea ce
privete eficiena utilizrii energiei de deformare rezultate prin
detonare este de remarcat faptul c din energia nmagazinat chimic n
substanele detonante, numai 50% se transmite ca energie a undei de
oc. Dar deoarece aceasta se rspndete sferic n toate direciile, atta
vreme ct nu se reuete o dirijare a undei de oc, asupra
semifabricatului de deformat va aciona numai o fraciune a energiei
acesteia. Dar i din aceast parte a energiei care ajunge la
semifabricat, numai un anumit procent va fi transformat n energie
de micare. Pentru un caz analizat, aceast parte a fost stabilit la
34%, n timp ce pierderile prin reflexie i n ap au fost stabilite la
9% i respectiv 57%. n concordan cu aceasta, dup Nemitz, numai 1/10
din energia substanei detonante este transformat n energie de
deformare (fig.2.26). Conform acestor valori, randamentul apare ca
nefavorabil. Pe de alt parte, energia este eliberat prin detonare n
imediata apropiere a suprafeei semifabricatului, astfel nct drumul
de scurgere al energiei este mult mai scurt dect la metodele
convenionale, la care puterea energiei electrice trebuie s se scurg
prin utilaj spre pies. n afar de aceasta, substana detonant este
ntr-att de ieftin (1 kg de HEXOGEN cost circa 7,50 DM), nct
randamentul nu are aproape nici o importan la deformarea cu
explozivi.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
36
Construcia matrielor se realizeaz n conformitate cu forma piesei
i cu durabilitatea necesar, durabilitate dictat de numrul de piese
ce trebuie realizat. La ambutisare este necesar fixarea
materialului cu inel de reinere (cu ajutorul uruburilor sau
penelor), pentru a preveni apariia cutelor. Construcia matriei este
artat n figura 2.27, n care pot fi puse n eviden matria (1), inelul
de reinere (2), locaurile pentru uruburile de prindere (3), canalul
de evacuare (4), semifabricatul (5) i garnitura de etanare (6). La
construcia matrielor de ambutisare - fasonare se poate adopta
soluia unei matrie cu fund modular, interschimbabil, pentru piese
diferite ca form dar din aceeai grup dimensional. O astfel de
construcie este prezentat n figura 2.28.
Pentru a micora frecrile dintre semifabricat i placa de reinere,
respectiv dintre semifabricat i matri, suprafeele n contact ale
acestora se ung cu o unsoare consistent, rezistent la viteze i
presiuni mari.
Energie dempingere
Energia undeide oc
Fig.2.26. Distribuia energiei substanei detonante la explozia n
ap (dup Nemitz).
Fig.2.27. Construcia matrielor de ambutisat.
Fig.2.28. Matrie cu fund interschimbabil.
Fig.2.29. Deformarea prin explozie a
semifabricatelor tubulare.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
37
n ceea ce privete prelucrarea semifabricatelor tubulare prin
umflare, schema de principiu a acesteia este prezentat n figura
2.29. n acest tip de dispozitiv poate fi executat simultan i
retezarea transversal a
evii. Cnd instalaia este prevzut cu o matri corespunztoare, care
mpiedic deplasarea semifabricatului, se poate realiza i bordurarea
uneia din margini (fig.2.30). Pn la 60% din piesele din tabl pot fi
prelucrate prin explozie; pn la 20% din aceste produse, la
prelucrarea prin explozie, pot da o eficien economic mai mare. La
aproximativ acelai volum de munc de confecionare a produsului pe
pres i prin explozie, preul de cost tehnologic scade cu 15 25%, iar
costul utilajelor, n comparaie cu varianta presat, reprezint 2,5 pn
la 5%. Piesele prelucrate prin explozie pot fi mprite n 6 grupe,
care au diveri indicatori tehnico-economici i
valoare specific diferit, n funcie de volumul de producie. Prima
grup - piese tip plci de fund: sunt convenabil de realizat prin
explozie dac au gabarit mare sau dac pentru realizarea prin metode
obinuite sunt necesare mari eforturi. n acest caz, eficiena
economic specific ajunge la peste 1000 dolari / 1 ton de metal pe
an. A doua grup - produse cu curbur dubl: panouri, mantale,
racorduri, etc. Efectul economic maxim se obine la gabarite maxime.
Grupa a treia - produse de form complex, care se realizeaz printr-o
singur trecere. Grupa a patra - la fel ca i cea precedent, dar
execuia se face n cteva treceri. Efectul economic este funcie de
complexitatea formei i de grosimea materialului, legtura fiind
direct proporional. Grupele 5 i 6 - produse din semifabricate
tubulare i produse tip manta (virole), cu dimensiuni i greuti mari.
Volumul de munc la realizarea acestora prin explozie scade de 10 -
12 ori. 2.6. Placarea prin explozie
Fig.2.30. Bordurarea pieselor cave sau tubulare
prin explozie.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
38
La aceste procedee, prin utilizarea unui exploziv sub form de
folie, pulbere sau band, cu vitez de detonaie, densitate i grosime
bine determinate, este provocat aplicarea violent a unei plci
metalice de acoperire pe un suport din material metalic mai puin
costisitor ( de obicei, oel carbon obinuit ). Se obine astfel o
acoperire protectoare din cupru, oel inoxidabil, aluminiu, titan,
etc., natura i rezistena adeziunii depinznd n mare msur de
condiiile de lucru. Pn la ora actual, cele mai cunoscute placri
sunt cele prezentate n tabelul 2.8. Metodele obinuite de placare
(cu plac nclinat i cu plac paralel) sunt prezentate n figura 2.31.
La placarea cu plac nclinat, presiunea care se exercit la trecerea
undei de detonaie n exploziv are ca efect modificarea unghiului de
nclinare la o valoare , precum i accelerarea plcii la viteza Vp. n
spaiul cuprins ntre cele dou plci se formeaz un jet metalic, care
pregtete suprafeele de contact. Schema procesului este prezentat n
figura 2.32, n care Vd - viteza de detonaie, Vp - viteza plcii, VL
- viteza de placare. Sensul undei de detonaie i al produselor de
explozie n cazul unui punct de iniiere marginal sunt prezentate n
figura 2.33.
Fig.2.31. Placarea prin explozie cu plac nclinat i
plac paralel.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
39
Datorit faptului c n practic i sunt mici, rezult c direciile de
propagare ale undei de detonaie i de placare coincid, ntre ele
existnd relaia:
( )V VL d= sin
sin
(2.19) Viteza plcii se poate exprima sub forma: V Vp d= sin
(2.20) Pe baze experimentale s-a remarcat faptul c unghiul dintre
direcia jetului i placa de acoperire are o valoare mai mic dect /2,
iar viteza jetului depinde att de viteza plcii Vp ct i de viteza de
placare VL.
Rezistena mbinrii este determinat de caracteristicile dinamice
ale undelor sinusoidale care
TABELUL 2.8.
Zinc
Aliaje de paladiu
Nichel T
DW
olframN
ichel - Crom
Magneziu
Molibden
Colum
biu i aliajele salePlatin
Argint i aliajele sale
Aliaje de aur
Tantal
Stellit Hayness 69
Aliaje H
astelloy XA
liaje Hastelloy B
, C, F
Zirconiu i aliajele sale
Titan i aliajele 6 A
l - 4 VN
i i aliajele saleB
ronzuriA
liaje Cu - N
iA
lame
Cupru
Al i aliajele sale
Oeluri m
aragingOeluri H
adfieldInox grupa 200Inox grupa 300
Inox feriticOel aliat A
ISI 4340Oel aliat 4 / 30
Oel slab aliat A
STM
A - 33
Oel slab aliat A
STM
A - 30
Oel slab aliat A
STM
A - 20
Oel A
STM
A - 212
Oel A
STM
A - 201
Oel A
STM
A - 205
Oel cu %
C sczut
Oel cu % C sczut X X X X X X X X X X X X X XOel A - 205 X X X X
X X X X X X X X X X X X X X XOel A - 201 X X X X X X X X X X X X X
X X X X X XOel ASTM A - 212 X X X X X X X X X X X X X X X X X X
XOel slab aliat A - 204 X X X X X X X X X X X XOel slab aliat A -
302 X X X X X X X X X X XOel slab aliat A - 337 X X X X X X X X
XOel aliat 4 / 30 X XOel aliat AISI 43 - 40 X XInox feritic X XInox
grupa 300 X X X X X X X X X X XInox grupa 200 X X XOel Hadfield
XOeluri maragingAl i aliajele sale X XCupru X X XAlame X X X
XAliaje Cu - Ni XBronzuri XNi i aliajele sale X X XTi i aliajele 6
Al - 4 V X X XZirconiu i aliajele sale X X XAliaje Hastelloy B, C,
F XAliaje Hastelloy X X XStellit Haynes 69Tantal XAliaje de
aurArgint i aliajele sale XPlatin XColumbiu i aliajele sale X X
XMolibden X XMagneziu XNichel - crom XWolfram XNichel TD XAliaje de
paladiuZinc X
Fig.2.32. Procesul de deformare n timpul
placrii prin explozie cu plac nclinat.
Fig.2.33. Sensul de deplasare al undei de detonaie i al
produselor de
explozie la iniierea marginal.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
40
apar la suprafaa de contact dintre placa de acoperire i metalul
suport (fig. 2.34, 2.35). Apariia acestora este explicat de
Abrahamson pe baza unor considerente legate de legile mecanicii
fluidelor. Oricum, placarea cu plac paralel este mai dificil,
datorit inexistenei unghiului de nclinaie. Placarea suprafeei
interioare a evilor este i mai dificil, necesitnd o pregtire
prealabil a suprafeei de contact sau adugarea de particule solide
ntre cele dou suprafee (de exemplu, pilitur de fier). Cu toate
acestea, placrile de acest tip sunt mai puin rezistente dect cele
cu plac nclinat. Pe baze experimentale s-a observat c unghiul
static trebuie s fie cuprins ntre 4 i 530 pentru viteze ce depesc
5500 m/s, caz n care diferena dintre cele dou unghiuri ( - ) se
situeaz ntre 740 i 1110, pentru grosimi de plci ntre 0,8 mm i 1 mm.
Viteza optim este de aproximativ 4000 m/s i totui, chiar i la
aceast vitez, se constat o uoar tendin de deteriorare progresiv
(cam de la o lungime de 50 cm a placrii), datorat probabil variaiei
energiei cinetice a plcii de acoperire, modificrii condiiilor de
aezare a acesteia, formrii de unde supersonice precum i includerii
de bule de aer ntre cele dou plci. Frecvena undelor create la
suprafaa de contact scade cu creterea distanei de la punctul de
amorsare a lor, aspectul acestora fiind influenat n egal msur i de
caractereul fuziunii plcii de acoperire. Tinnd seama de creterea
lungimii de und cu unghiul de inciden, s-a stabilit c metalul
se
comport n preajma punctului de jonciune ca un fluid nevscos,
placa suport fiind incompresibil ns totui deformabil.Se produce
deasemenea i o aglomerare de metal n faa punctului de impact, ceea
ce face ca viteza de placare s rmn inferioar vitezei sunetului n
metalul suport. Cteva legi cu caracter general au putut fi
formulate pe baza structurii
metalografice. Astfel, grosimea zonei de legtur
Fig. 2.34. Unde sinusoidale la placarea prin explozie cu
plac paralel.
Fig.2.35. Unde sinusoidale la placarea prin
explozie cu plac nclinat.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
41
variaz ntre 103 i 101 mm, existnd dou grupe de placri
difereniate de structura acestei zone: prima, cuprinznd cuplurile
Cu - oel MoW, oel inoxidabil - oel carbon, n care se regsete o
proporie de 0 ... 100% a ntreptrunderii metalelor, independent de
solubilitile reciproce; cea de-a doua grup este caracterizat de o
compoziie constant a zonei de legtur, specific metalelor care n
anumite condiii de presiune, temperatur i vitez formeaz compui bine
definii. De exemplu, Ti, care n placrile cu fierul formeaz compuii
FeTi i Fe2Ti. Astfel de placri au o rezisten ridicat, de unde
rezult c lipsa de rezisten a placrilor realizate prin metode
clasice se datoreaz existenei unor compui intermediari. Zona vecin
fuziunii este n general mai dur dect metalul de baz, ca urmare a
deformaiei plastice produse n momentul de impact. Cu toate acestea,
cldura degajat n timpul transfomrii chimice a explozivului poate
ridica temperatura metalului, aducndu-l n stare de fuziune i
micornd tendina de durificare. Micrografiile stratului de legtur
evideniaz zone clare de recristalizare, ntreptrunderi de particule
ale metalelor precum i existena undelor n zona de fuziune.
CAPITOLUL 3
DEFORMAREA PRIN DETONAREA UNUI AMESTEC DE GAZE COMBUSTIBILE
3.1. Consideraii generale Deformarea prin detonarea unui amestec
de gaze combustibile reprezint o tranziie de la sistemele
pneumo-mecanice la tehnica undei de oc. Aplicat pentru piese de
dimensiuni mici i mijlocii, procedeul se bazeaz pe lucrul mecanic
de deformare efectuat de unda de oc obinut prin detonarea unui
amestec de gaze combustibile, amestec stabilit n funcie de valorile
dorite ale parametrilor dinamici ai procesului (presiune, vitez).
Cele mai cunoscute amestecuri explozive de gaze sunt: metan i
oxigen ( CH4 + 2O2 ), acetilen i oxigen ( C2H2 + 2,5O2 ), hidrogen
i oxigen (2H2 + O2) sau chiar benzin - aer n cazul utilajelor Petro
- Forge. Se pot astfel obine energii de aproape trei ori mai mari n
comparaie cu cele obinute la detonarea trotilului. Potrivit teoriei
hidrodinamice, unda de detonaie reprezint o und de oc puternic care
se propag prin mediul exploziv cu vitez constant. Altfel spus, unda
care se propag cu vitez constant la traversarea coloanei
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
42
de gaz poate fi considerat ca o und de oc de compresiune, n care
temperatura nalt pe care o produce unda este suficient pentru a
asigura deflagraia extrem de rapid ( apropiat de regimul de
explozie sau detonaie ) a amestecului gazos n stratul atins de ctre
und. n acest caz, studiul procesului se bazeaz pe ecuaiile:
Viteza de detonaie: w V p pV V
= 1
2 1
1 2 (3.1)
Viteza de scurgere a produselor de explozie:
( )u V V p pV V
= 1 2
2 1
1 2 (3.2)
Variaia energiei interne a gazului (ecuaia lui Hugoniot):
( ) ( )E E p p V V2 1 1 2 1 212
= + (3.3)
n care indicii 1 i 2 reprezint cele dou stri ale amestecului
gazos, nainte i respectiv dup detonaie, iar V reprezint volumul
specific (de exemplu, n m3 / kg). n cazul undei de oc pure, fr
transformare chimic, variaia energiei interne rezultat din relaia
(3.3) este dat de creterea energiei calorice, sub forma: ( )E E C T
Tv2 1 2 1 = (3.4.) unde Cv este cldura specific la volum constant.
Teoria hidrodinamic consider ns c unda de detonaie este un oc pur,
asociat cu o reacie chimic care se desfoar rapid, sub forma unei
reacii explozive. Degajarea energiei de explozie nu se produce
instantaneu pe frontul undei ci ntr-o zon oarecare n spatele
frontului, n aa-numita zon de reacie. Tocmai datorit energiei care
se degaj n acest zon, unda de oc se propag prin amestecul exploziv
cu o vitez constant. Dac Q este cldura degajat n timpul
transformrii chimice (amestecul gazos din spatele undei pierde o
cantitate de energie egal cu aceast mrime) i reprezint efectul
termic al reaciilor ce se efectueaz sub volum constant, ecauia lui
Hugoniot n cazul detonaiei unui amestec exploziv ia forma:
( ) ( ) ( )C T T Q p p V Vv 2 1 1 2 1 212
= + (3.5)
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
43
Ecuaiile de mai sus, la care se adaug ecuaia de stare p1V1 =
R1T1 sau p2V2 = R2T2 i o ecuaie suplimentar obinut din aa-zisa
condiie Chapmann - Jouguet (care se bazeaz pe faptul c pentru
fiecare sistem
exploziv exist o valoare unic a vitezei de detonaie), stau la
baza calculelor pentru deteminarea parametrilor undei de oc (p2, 2,
T2, u i w) atunci cnd este cunoscut starea iniial a amestecului
gazos (V1, T1, 1). Pentru amestecul hidrogen - oxigen, cu raportul
stoichiometric 2H2 + O2 2H2O + Q, p1 = 1 atm i V1 = 1,867 m3 / kg,
n tabelul 3.1 se dau cteva valori ale parametrilor p2, V2 i w. Din
datele din tabel se observ c, pe msur ce presiunea p2 crete ctre
valoarea de 20 atm., viteza de detonaie w scade. Dup aceast
valoare, ea ncepe s creasc. Dac se reprezint grafic ntr-un sistem
de axe rectangulare (cu p2 n ordonat i V2 n abscis) ecuaia lui
Hugoniot, atunci se obine curba Hugoniot (ABCD, fig.3.1). Punctul I
este punctul corespunztor strii iniiale a amestecului gazos (p1 = 1
atm i V1 = 1,867 m3 / kg). Fiecrui punct de pe curba ABCD i
corespunde o stare (p2, V2) bine determinat a produselor de
explozie i, deasemenea, o vitez
de detonaie unic. De fapt, zona AD de pe curba din figura 3.1
reprezint doar o
poriune a unei curbe Hugoniot complete, care continu i la
dreapta punctului D, tinznd spre axa absciselor (poriunea DK, fig.
3.2). Punctul E se obine prin intersecia prelungirii curbei AD cu
paralela la abscis dus prin punctul I (corespunztor strii iniiale a
amestecului gazos). Astfel, curba complet AK poate fi
mprit n trei zone distincte:
TABELUL 3.1. p2 [atm] V2 [m3 / kg] w [m/s]
10 2,067 - 12 1,736 5446 14 1,499 3532 16 1,322 3117 18 1,186
2970 20 1,058 2880 25 0,874 2922 30 0,741 3016 40 0,574 3264 60
0,406 3777 80 0,309 4230
100 0,270 4703 200 0,163 6420 300 0,126 - 400 0,105 8950 500
0,09 9960
Fig.3.1. Curba lui Hugoniot.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
44
Poriunea EK, caracterizat prin expansiunea gazului ( p2 < p1
, V2 > V1 sau 2 < 1 ) i valori ale lui w i v de semne
contrare. Acesta este domeniul deflagraiei, al combustiei explozive
lente (fr producerea unei unde de compresiune), n care gazele arse
au, imediat n spatele zonei flcrii, un volum specific mai mare i o
presiune mai mic dect gazele nearse. Micarea gazelor arse este,
spre deosebire de detonaie, dirijat n sensul opus aceluia al
propagrii combustiei; Poriunea DE, care reprezint strile posibile
finale ale amestecului gazos, dup transformrile adiabatice sub
presiune (punctul E), respectiv sub volum constant (punctul D). n
realitate ns, strile cuprinse n aceast poriune sunt practic
irealizabile deoarece presupun viteze de detonaie infinite (pentru
V2 = V1, punctul D) sau nule (pentru p2 = p1, punctul E); Poriunea
AD, caracterizat prin creteri mari ale presiunii (p2 >> p1),
ale condensrii (V2 >1) i prin valori ale lui w i v pozitive.
Acesta este domeniul detonaiei, de interes n ceea ce privete
deformarea plastic a semifabricatului. Pentru poriunea AD, dac se
unete punctul I cu orice punct al curbei ( de exemplu, C), dreapta
respectiv face cu axa absciselor unghiul . Rezult deci:
tg p pV V
=
2 1
1 2 (3.6)
n aceste condiii, expresia vitezei de detonaie se poate scrie
sub forma:
w V k p pV V
V k tg=
= 12 1
1 21 [m / s] (3.7)
unde k = 101337,3 reprezint o constant de proporionalitate n
cazul n care V1 i V2 se introduc n m3 / kg iar p1 i p2 n atm.
Prelungind dreapta IC, aceasta intersecteaz curba ntr-un al doilea
punct (punctul A) cruia, prin urmare, ar trebui s-i corespund
aceeai vitez de detonaie ca i punctului C. Cu alte cuvinte, pentru
aceeai vitez de detonaie ar fi posibile dou stri caracterizate de
perechi de valori (p2,
Fig.3.2. Curba lui Hugoniot complet.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
45
V2) diferite. Singurul punct de pe curb crui i-ar corespunde o
valoare unic (p2, V2) ar fi punctul B, adic punctul de tangen la
curba Hugoniot al dreptei care pleac din I. Cu toate acestea,
fiecrui punct de pe curba Hugoniot i corespunde o vitez de detonaie
unic deteminat. Becker a demonstrat c deasupra punctului B curba
are o curbur mai mare iar sub punctul B este mai aplatizat
(fig.3.2). Studiile termodinamice au artat c trecerea amestecului
gazos din starea iniial I (p1, V1) la o stare (p2, V2)
corespunztoare unui punct oarecare al curbei (A) situat deasupra
punctului B, este nsoit de o cretere mai mare a entropiei dect
trecerea ntr-o stare corespunztoare unui punct situat sub punctul B
(de exemplu, C). Conform celui de-al doilea principiu al
termodinamicii, conform cruia orice fenomen tinde ctre o valoare
maxim a entropiei, este deci mult mai probabil ca la trecerea undei
de detonaie, amestecul gazos s treac ntr-o stare A, mai degrab dect
n starea C. Dac se noteaz cu raportul cldurilor specifice reale (
la presiune constant i volum constant ) ale gazelor arse la
temperatura T2, se poate scrie:
= =+ =C
CC R
Cp
v
C C R v
v
p v (3.8)
unde R = 1,984 calgrad. Pentru raportul stoichiometric 2H2 + O2
2H2O + Q, valoarea lui se obine din:
=+ +
+ 31413 0 0043 1 985
31413 0 00432
2
, , ,, ,
TT
(3.9)
Becker a demonstrat c viteza de detonaie trebuie s fie egal cu
suma vitezei gazelor i a sunetului n gazele arse la temperatura T2
i c pentru punctul B este ndeplinit relaia:
=
pV
p pV V
2
2
2 1
1 2 (3.10)
Relaia (3.10) mai este cunoscut i sub numele de condiia Chapmann
- Jouquet ( C-J). n concluzie, cele cinci ecuaii cu ajutorul crora
se pot calcula parametrii dinamici pe frontul undei de oc sunt
(3.1), (3.2), (3.5), (3.10) i o ecuaie de tip pV = RT. Dac se
noteaz = V1 / V2 (condensarea n und) atunci se poate scrie:
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
46
= + +
12
12
12 1 12 2
n Tn T
(3.11)
n care n1 - numrul de moli de gaz n stare iniial iar n2 - numrul
de moli de gaz n stare final. Pentru se poate adopta valoarea
aproximativ 1,8 (1,72...1.9). n aceste condiii se poate scrie:
w VpV
w R Tp
R TV2
12 2
2
2 22 2
22 2
2= = =
(3.12)
unde R2 n Kgm/s, pentru a obine viteza n m/s. Dac se noteaz cu
M2 greutatea molecular medie a produselor de reacie se poate obine
relaia final:
wM
T2 22
28320
= (3.13)
Pentru presiunea de detonaie se mai indic i relaia: p p u w2 1
1= + (3.14) Relaia (3.13) arat c viteza de detonaie depinde de
raportul stoichiometric al componentelor gazului. Astfel, pentru
raportul stoichiometric 2H2 + O2 se obine w = 2875 m/s, pentru 2H2
+ O2 + 5H2 se obine w = 3530 m/s iar pentru raportul 2H2 + O2 + 5O2
vom avea w = 1710 m/s. O reglare a arderii este posibil nu numai
prin schimbarea raportului de amestecare ntre hidrogen i oxigen, ci
i prin adugarea de gaze inerte, ca de exemplu azot, bioxid de
carbon, argon, etc. n afar de aceasta, azotul este necesar i pentru
splarea sculelor nainte de ncrcarea amestecului exploziv propriu -
zis. Pentru amestecul acetilen - oxigen cu reacia de descompunere
C2H2 + O2 2CO + H2 + Q se obine T2 = 6000K i w = 3030 m/s. Dintre
amestecurile utilizate n mod curent, amestecurile hidrogen - oxigen
sunt cele mai sigure de mnuit i cele crora li s-au consacrat cele
mai multe studii, astfel nct comportarea lor n diferite condiii
este cunoscut i poate fi stpnit. n plus, au avantajul c sunt
elemente pure, ieftine i care pot fi relativ uor de procurat. n
afar de acestea, amndou gazele rmn n stare gazoas la presiunile
dezvoltate iar ca produs de reacie rezult apa, care i ea rmne n
stare gazoas la temperaturile care apar n cursul reaciei.
Stabilirea raportului de amestecare dorit n fiecare caz particular
se face prin reglarea presiunilor pariale ale fiecrui gaz component
din amestecul respectiv.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
47
3.2. Construcia instalaiilor de deformare prin detonarea unui
amestec gazos
n instalaiile de detonare, presiunea obinut este de cel puin
7...10 ori mai mare dect presiunea iniial a amestecului gazos.
Rezult deci c pentru realizarea unor presiuni de deformare mari
este nevoie de presiuni iniiale mari, care necesit soluii
complicate de etanare. Presiunile iniiale curente sunt cuprinse n
intervalul 80...100 N/cm2, iar cele obinute la detonaie 800...1000
N/cm2. n anumite situaii, presiunea ridicat la care este supus
amestecul de gaze poate produce un fenomen puternic de detonare
prin autoaprindere, crendu-se astfel o und de presiune de 100...150
ori mai mare ca presiunea iniial. Echipamentele de deformare se
compun, n general, din urmtoarele elemente: surse separate de gaz
combustibil sub presiune, de oxidani gazoi i gaze diluante, camer
de amestec i combustie, matri, sistem pentru transportul gazului,
dispozitiv de strngere a inelului de reinere a semifabricatului,
sisteme de aprindere, etc. n figura 3.3 se prezint schema
simplificat a unei instalaii complete de deformare cu gaze
combustibile.
Pentru iniierea unui proces de detonaie n camera de lucru, este
nevoie de detonarea ntr-o conduct de dimensiuni mici dup care, unda
de detonaie se propag transferndu-se n camera de lucru propriu-zis
i provocnd explozia ntregului amestec gazos. Transferarea undei de
detonaie se poate face fr pericol dac diametrul conductei n care
s-a obinut este mai mare dect o valoare minim critic, valoare ce
depinde de formula chimic a amestecului gazos.
Fig.3.3. Schema simplificat a unei instalaii complete de
deformare prin
detonarea unui amestec gazos combustibil.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
48
Presiunea rezultat n urma detonaiei poate aciona asupra
semifabricatului n urmtoarele moduri: direct (camera de amestec i
combustie fiind reprezentat n figura 3.4.), prin intermediul unui
lichid (fig. 3.5) sau prin intermediul unui lichid acionat de
piston (fig.3.6). Folosirea agentului hidraulic, pe de o parte,
protejeaz suprafaa semifabricatului de arderi i pe de alt parte,
contribuie la uniformizarea presiunii pe suprafaa umezit a
semifabricatului. Cel mai utilizat agent hidraulic este, ca i n
cazul detonrii explozivilor brizani, apa. Prin aceste procedee se
execut operaii asemntoare cu cele executate prin explozie cu
explozivi brizani, toleranele de execuie fiind de cca. 0,15 mm.
Fig.3.4. Transmiterea presiunii direct asupra
semifabricatului. Semnificaii: 1 - dispozitiv de msur i control;
2 - orificii de evacuare a gazelor arse; 3 - intrare gaz diluant; 4
- intrare gaz oxidant; 5 - intrare gaz combustibil; 6 - dispozitiv
de iniiere a aprinderii; 7 - semifabricat; 8 - camer de amestec i
combustie; 9,10 - garnituri de etanare; 11 - orificii de evacuare a
aerului sau de vidare; 12 - matri.
Fig.3.5. Transmiterea presiunii
prin intermediul unui lichid de lucru.
Semnificaii: 1 - semifabricat; 2 - camer de explozie; 3 -
orificii pentru evacuarea gazelor arse.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
49
Amestecurile gazoase explozive pot fi utilizate i la operaii de
deformare plastic a piselor cave sau tubulare (lrgire, calibrare),
aa cum se vede n figurile 3.7 i 3.8. n figura 3.7 este redat
varianta cu transmiterea direct a presiunii iar n figura 3.8 este
reprezentat varianta transmiterii presiunii prin intermediul unui
agent hidraulic acionat de piston. La aceast ultim variant,
semnificaiile sunt urmtoarele: 1 - matri; 2 - corpul camerei de
presiune; 3 - loca pentru capsula detonatoare sau pentru camera de
explozie; 4 - piston; 5 - agent hidraulic; 6 - semifabricat; 7 -
capac inferior; 8 - plac de nchidere - fixare. Principiul
constructiv al matrielor este relativ
asemntor celui de la deformarea prin explozie cu explozivi
brizani. Pentru piesele la care sunt necesare presiuni mari de
deformare, matriele se confecioneaz din oel sau font. n cazul unor
piese foarte mari, se pot utiliza matrie din beton armat cu
suprafaa cptuit cu rini epoxidice. Pornind de la procesul de
"petroforjare" descris de prof. S.A. Tobias de la Universitatea din
Birmingham, n Anglia a fost realizat un utilaj ce reprezint o
combinaie ntre procesul care are loc n motoarele cu combustie
intern i acela care se execut pe unele prese rapide. Presa
respectiv poart denumirea de pres tip "Petro - Forge". n figura 3.9
se prezint ciclul de funcionare al unui astfel de utilaj.
Fig.3.6. Transmiterea presiunii
prin intermediul unui lichid acionat de piston.
Semnificaii: 1 - dispozitiv de aprindere; 2 - orificii pentru
evacuarea gazelor arse i, separat, pentru alimentarea cu amestec
gazos; 3 - amestec gazos exploziv; 4 - piston; 5 - camer de
explozie; 6 - lichid de lucru (agent hidraulic); 7 - semifabricat;
8 - matri.
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
50
Viteza presei este astfel calculat nct poate efectua un ciclu
complet ntr-o secund. Aceasta a deschis perspectivele dezvoltrii
preselor economice, pentru prelucrri prin operaii succesive sau
simultan - succesive a unor piese care se execut n mod normal pe
prese foarte mari, ns prin operaii simultane. Un caz particular l
constituie deformarea cu azot lichid, care fierbe la 195 C,
mrindu-i volumul de 690 ori i permind n acest fel obinerea unor
presiuni de 500...600 daN/cm2. Acest procedeu are avantajul unei
dozri uoare i a pericolelor mai reduse de accidentare.
CAPITOLUL 4
DEFORMAREA PNEUMO - MECANIC 4.1. Consideraii generale Acest
procedeu este cunoscut din anul 1948, dar n mod practic a nceput
s
Fig.3.8. Lrgirea semifabricatelor
tubulare (varianta cu transmisie prin piston i agent hidraulic
a
presiunii de detonaie).
Fig.3.7. Lrgirea semifabricatelor tubulare (varianta
cu transmisie direct a presiunii de detonaie).
Fig.3.9. Utilajul de tip "Petro - Forge".
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
51
se foloseasc din anul 1958. Procedeul se bazeaz pe dilatarea
brusc (adiabatic) a unui gaz puternic comprimat (aer, azot),
folosit de regul ntr-un circuit nchis, ce pune n micare unul sau
dou pistoane, acestea constituind prile mobile ale unui utilaj de
presare. Fora de lovire a culisorului presei se aplic prin oc,
viteza subansamblului mobil fiind de 3...10 ori mai mare dect n
cazul utilajelor tradiionale. Pentru o mas dat a culisorului,
energia eliberat n momentul impactului cu materialul de deformat
este foarte mare. Energia eliberat de sistem se poate scrie sub
forma: ( )E p p A h= 1 2 (4.1) unde p1 , p2 - presiunile gazului
nainte i dup relaxare iar A, h - aria pistonului i respectiv cursa
acestuia. n relaia de mai sus se presupune c sistemul nu are
pierderi. n practic ns, se admit (prin coeficieni de corecie)
abateri de 12...20% fa de valorile energiei calculate cu acest
relaie, abateri datorate pierderilor prin frecare i schimbare de
temperatur. Lund n considerare i aceste corecii, ecuaia eficienei
energetice a sistemului poate fi scris sub forma:
EE
FF
d
c
d=
12
(4.2)
unde: Ed - energia de deformare; Ec - energia cinetic a
sistemului la sfritul destinderii gazului; Fd - fora dezvoltat la
impact; F - fora maxim dezvoltat de culisor, n urma dilatrii
gazului. n figura 4.1 se prezint dependena raportului Ed / Ec n
funcie de raportul Fd / F. n mod similar, energia cinetic a
sistemului fiind proporional cu ptratul vitezei, se poate scrie
expresia:
vv
FF
d
c
d=
12
(4.3)
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
52
n care vd - viteza de impact iar vc - viteza culisorului imediat
dup terminarea destinderii gazului. Presiunile sau forele necesare
n procesul deformrii plastice se calculeaz n mod similar
procedeelor clasice. n lucrarea [23] sunt indicate cteva relaii de
calcul ale parametrilor dinamici ce caracterizeaz operaiile de
turtire - refulare i de extrudare: Astfel, pentru turtire -
refulare se dau relaiile: presiunea de deformare:
p R R rgc
= +
1 (4.4)
fora de deformare:
F R A Dgc
= +
16
(4.5)
energia de deformare:
E R V gg
V
g gd c=
ln,
1
2
12
13
223
27 981 1
(4.6)
n care: R, r - raza final, respectiv iniial a semifabricatului (
D = 2R ); Rc - limita de curgere la solicitri statice a
materialului supus deformrii; g g1 - grosimea ( nlimea ) iniial a
semifabricatului; g2 - nlimea piesei dup deformare; A - aria de
contact scul - semifabricat, msurat ntr-un plan perpendicular pe
direcia de aciune a forei de deformare; V - volumul
semifabricatului deformat plastic. n cazul operaiei de extrudare
avem: presiunea de deformare:
p p R R rgc
= + +
0 1 (4.7)
Fig.4.1. Dependena Ed / Ec =
f (Fd / F).
-
Tehnologii neconvenionale n deformarea plastic la rece pag.
53
unde p0 - presiunea de trecere a materialului prin orificiul
plcii de extrudare, de forma:
( )p R k M vc0 2= + (4.8) n care: v - viteza de extrudare; k, M
- coeficieni determinai experimental. fora de deformare:
F R A N M v Dgc
= + +
2
3 (4.9)
unde N este deasemenea un coeficient determinat experimental.
energia de deformare:
E R V N gg
M v g V