1 Общие сведения об импульсных методах обработки материалов. Принципиальная схема эги установки.

Современная промыш. характеризуется постоянным расширением номенклатуры изготовляемых изделий быстросменных объектов производства.

Созданием новых материалов с повышенными эксплуатац. Характеристиками, увеличивают требования к качеству выпускаемых моделей.

В связи с этим возникает необходимость совершенствовать существующие и разработка новых методов обработки, удовлетворяющих требованиям современного производства. Применяется большое количество деталей, изготовление которых осуществляется из листовых заготовок, примерно 70-80%.

Начало истории возникновения импульсных методов относится к 18,19 векам, однако, впервые технологическое применение , например, взрывная штамповка была основана в 1948 г. Пихтовниковым. Он предложил использовать этот метод для штамповки крупногабаритных деталей достаточно большой толщины из трудно деформированных материалов. Многочисленное техническое применение электрического разряда жидкости показал в 50-х Юткин. Листовая штамповка является только одним из многих хотя и одной из основных областей применения данного метода.

Принципиальная электрическая схема ЭГИ установки с технологическим блоком.

Технологический блок включает в себя:

1. Узел, в котором осуществляется электрический разряд и создается импульсное давление, обычно это разрядная камера.

2. Технологическую оснастку в виде штампа с одним жестким формообразующим элементом.

3. Силовой узел в качестве которого можно использовать

• Ручной винтовой или гидравлический пресс

• Механизированный серийно выпускаемый гидравлический пресс

• В случае выполнения отдельного технологического блока, который обычно используется при штамповке относит крупногабаритные детали из пространственных заготовок силовое нагружение осуществляется специальными гидроцилиндрами, связанными с частями корпуса технологического блока.

2. Область применения и экономическая эффективность ЭГИШ

Традиционный метод - штамповка в жестких штампах, имеющих два жестких формообразующих инструмента: пуансон и матрицу.

Подобные штампы сложны в изготовлении и имеют высокую стоимость, поэтому наиболее целесообразная и эффективная область их применения крупносерийное и массовое производство, хотя зачастую их применяют и в мелкосерийном производстве.

Это связано в основном с отсутствием на конкретном производстве альтернативной технологии. В тоже время существует достаточно большое количество методов, область применения которых соответствует серийному, мелкосерийному и опытному производству. К ним относятся методы с использованием одного жесткого формообразующего инструмента – пуансона или матрицы. В качестве формообразующего инструмента применяется так называемая подвижная среда (газ, жидкость, магнитное поле, эластичная среда). Особое место занимает высокоэнергетический или импульсный метод обработки материалов.

Использование импульсных источников энергии:

- взрывная штамповка (взрывное вещество);

- магнито-импульсная штамповка (магнитное поле);

- газодинамическая штамповка (горюче газовые смеси)

- ЭГИШ (электрический разряд жидкости)

Данные методы характеризуются простотой и универсальностью техн. оснастки, малыми сроками технол. подготовки производства.

Основные области их применения штамповка деталей относительно сложной формы из обычных и труднодеформируемых материалов достаточно высокой точности. Часто данные методы применяются в сочетании с традиционными, например, штамповка в жестких штампах используется на первых этапах, а на заключительном применяется импульсные методы. В свое время наибольшее распространение в области обработки листовых материалов получила ЭГИШ, которая по сравнению с другими импульсными методами имеет следующие преимущества:

1. Более разнообразная номенклатура штамповки деталей

2. Большая гибкость

3. Несколько меньшие требования к технике безопасности.

4. Простая и достаточно точная регулировка режимов обработки.

3. Электрический разряда жидкости

Электрический пробой жидкости расположенного межэлектродном промежутке (в качестве рабочей жидкости в большинстве случаев как и при выполнении опытных работ так и при серийном изготовлении детали применяется обычная водопроводная вода или техническая вода)

Электрический пробой жидкости сопровождается целым рядом сложных физических явлений. Можно выделить три основные стадии:

1. Носит так называемый лидерный характер и начинается с образования лидеров и перемещения их от положительного электрода к отрицательному, если положительный электрод является острым, отрицательный плоским или одновременно перемещения лидеров от обоих электродов, если они оба острые. Разветвление лидеров приводит к образованию светящихся стримеров. Замыкание стримеров между электродами вызывает образование канала разряда. На этом 1 стадия заканчивается

1. Рабочая жидкость

2. Светящиеся стримеры

3. Канал разряда

4. Парогазовая полость

5. Фронт ударной волны, перемещающийся со сверхзвуковой скоростью

2. На данном этапе в межэлектродном промежутке выделяется основная энергия, запасенная в батарее конденсатора, при этом жидкость испаряется со стенок канала разряда, вся жидкость находящаяся в канале разряда ассоциируют и ионизируют, вследствие очень быстрого выделения очень большой энергии в небольшом объеме в канале разряда образуется плазма с температурой 15000-20000 К.

3. Вследствие резкого повышения температуры канал разряда очень быстро увеличивает свои размеры, которое приводит к возникновению ударной волны, которая достигая заготовки деформирует её. При этом время действия импульса давления действует на заготовку, находясь в пределах от десятков до сотен микросекунд. При временном нарастании давления t_p=1…10 мкс. Дальнейшее увеличение канала разряда приводит к образованию парогазовой полости, которая расширяясь также создает давление, достигающее заготовки и осуществляет ее дополнительное деформирование. Парогазовая полость расширяется до тех пор пока давление внутри ее не станет меньше гидростатического давления окружающей ее жидкости. После этого полость сжимается, затем опять расширяется, создавая дополнительные волны деформации на заготовку. Всего парогазовая полость совершает от 2 до 5 пульсаций. Термообработка деформированной заготовки осуществляется за счет энергии ударной волны, дополнительно за счет гидростатического давления, создаваемого парогазовой полостью.

В результате электрического пробоя жидкости давление, действующего на заготовку достигает 10-100 МПа, обеспечивая скорость деформации до 300 м/с, при скорости деформации 10²-10⁴ с ^-1

Недостатки образования канала разряда

Нестабильность энергии

• Постепенный нагрев жидкости за несколько разрядов при штамповке

• Окисление электродов

• Изменение состава рабочей жидкости

• Изменение величины межэлектродного промежутка

Низкий КПД разряда

Целесообразно применять при многоразрядной штамповке, например, при выполнении формообразующих операциях (вытяжки, раздаче). Хотя часто применяют и при выполнении разделительных операций

4. Взрыв проводников в жидкости. Основные схемы штамповки

В качестве инициирующего элемента можно использовать

1. Электролит

2. Нить с токопроводящим покрытием

3. Металлический взрывающийся проводник

4. Луч лазера

5. Радиоактивное излучение

Наиболее распространенным и применяющимся на практике является взрыв металлического проводника, в этом случае Ме проводника определенного диаметра, связанного с положительным и отрицательным электродом

При разряде батареи конденсаторов на межэлектродном промежутке выделяется энергия, а сам процесс разделяется на 3 этапа:

1. Вследствие мгновенного выделения энергии на межэлектродном промежутке проволочка взрывается и испаряется. В результате испарения материал переходит в непроводящее состояние

2. Наблюдается пауза тока, которая длится до тех пор пока плотность газа в расширенном после взрыва канале не упадет на столько, что оказывается возможным пробой газа оставшегося давления конденсатора.

3. Выделяется основная часть энергии в образовавшемся канале разряда

Преимущества:

• В отличие от пробоя в жидкости, канал разряда имеет правильную геометрическую форму (цилиндр, спираль)

• Изменяя форму изгиба Ме проводника можно приближать канал разряда к наиболее труднодефорируемым и удаленным участкам заготовки

• Повышение стабильности и КПД до 60…70%

Недостатки:

• Необходимость установки проводника после изготовления каждой детали при одноразрядной штамповке, и значит сложность замены проводников при многоразрядной штамповке. В связи с этим этот метод имеет достаточную эффективность, но ограниченную область применения.

В качестве материала проводника можно использовать медь, сталь, алюминий, нихром, вольфрам.

1. С осевым вертикальным расположением канала разряда (взрывного проводника). Применяется при штамповке деталей из тонкостенных осесимметричных заготовок.

2. Взрывной проводник выполняется в виде спирали с целью приближения зоны разряда деформируемой поверхности заготовки.

3. С горизонтально расположенным проводником при использовании разрядного устройства с параллельными электродами.

Вид может быть:

1)Кольцевой формы

2)Прямоугольной формы

3)Изогнутой формы

4)Сетчатой формы – для создания на поверхности заготовки равномерного давления

5. Поведение материалов при импульсном нагружении. Скоростное упрочнение.

Поведение материала при импульсном нагружении – реализуется при ЭГИШ, характеризуется очень высокими скоростями деформациями и деформирования Е=10²…10⁴ с^-1, V=300м/с и больше. Импульсное давление прикладывается к отдельным участкам заготовки не одновременно. Наиболее удаленные участки подвергаются нагружению в позднее время, чем участки близко расположенные к зоне разряда.

При импульсном нагружении напряжение деформации распространяется в заготовке в виде волн, имеющих очень высокую, но конечную скорость. Пластическая деформация распространяется в заготовке в виде волн растяжения и изгиба. Такие особенности импульсного нагружения вызывают достаточно существенные увеличения сопротивления металлов пластическому деформированию. Установлено, что при импульсном нагружении увеличивается δ и σ_в это объясняется:

Явление запаздывания текучести, которое зависит как от св-в материалов, так и от характера прилагаемого нагружения. Вследствие запаздывания текучести в материале развивается более высокий уровень напряженности, чем при статическом нагружении, кроме того могут меняться механизмы деформации или происходить их перераспределение (изменяется их вклад в общую деформацию). Если при статическом нагружении оси механизмом является скольжение, причем в большей степени межзеренная или приграничная, то при импульсной деформации роль скольжения существенно изменяется и возрастает роль двойниковании, причем скольжение переходит с межзеренного на внутрезеренное, причем внутрезеренное скольжение при импульсном (осуществляется в нескольким плоскостям одновременно). С точки зрения теории дислокации увеличение сопротивления объясняется тем, что рост скорости перемещения дислокаций вызывает увеличение сил трения, а значит и сопротивления пластическому деформированию. Некоторые исследователи связывают с явлениям разупрочнения и упрочнения. При высоких скоростях деформаций разупрочнение протекающее во времени более существенно отстает от упрочнения, чем при статическом нагружении, -> в матрице развивается более высокий уровень напряжений. При высоких скоростях деформации в материалах возможно появление более сложных физических явлений – возникновение «зуба» текучести.