Download - Tehnologii neconventionale deformare

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


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


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


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


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,


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.


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


Rsfrngere Lrgire


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


PRODUCTIVI- TATEA (piese/or)

360 360 4 4 2 - 12 2 6 - 12 1000 - 12000 300


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.


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.


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.


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


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 ).


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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


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


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:


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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)


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.


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.


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:


= + +

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.


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.


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.


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.


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".


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)


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).


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

Download - Tehnologii neconventionale deformare

Top Related