椭圆封头爆炸成形技术的试验研究.pdf

2 0 1 3 年2 月椭圆封头爆炸成形技术的试验研究马安鹏等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 1 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 1 2 椭圆封头爆炸成形技术的试验研究 马安鹏饶国宁彭金华唐文龙 南京理工大学4 E _ r _ 学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]为了确定爆炸成形的最佳工艺参数，设计了一套小尺寸的爆炸成形试验装置，以T N T 为能量来源，分 别以沙和水为传能介质，1 0 6 0 H 2 4 铝板及Q 2 3 5 B 钢板作为坯料，进行了封头爆炸成形试验。对比了不同传能介质 对成形质量的影响，分析了对比距离h ／m Ⅳ3 与成形件中心挠度的关系，以便寻求该条件下的最佳工艺条件。试验 结果表明水的传能效率明显优于沙，对比距离太大或太小都会影响成形效果，试验所得的最佳对比距离约为0 ．2 6 m ／k g “3 ，在此条件下爆炸成形的椭圆封头表面光洁度良好，无明显缺陷。 [ 关键词]爆炸成形椭圆封头对比距离中心挠度 [ 分类号] T G 4 5 6 ．6T D 2 3 5 ．1 1 引言 椭圆封头是石油化工领域常用的设备部件，通 常对其要求为耐高压、耐腐蚀、使用寿命长，所以封 头的材质大多为硬度大、强度高的金属。爆炸成形 是一种高能率加工方法，应变速率极高，冲击波对毛 坯的作用时间一般不大于1 0 0 p 。s ，而坯料变形时间 约为1 m s ，该方法使用的模具简单，可以加工各种尺 寸和各种形状的零件引，对于一些高强度耐热塑性 低的材料，优势更为明显，还可获得较好的表面光洁 度。到目前为止，对爆炸成形的研究方法很多[ 7 引， 有几何法、能量法、冲量法。当前，爆炸成形在椭圆 封头制备中的应用较少，主要是通过常规成形手段 来制备。为了弥补常规成形的不足，本文主要针对 椭圆封头的爆炸成形工艺条件进行了探索，从对比 距离对成形质量的影响这一角度出发，进行了小尺 寸工件的爆炸成形试验研究。 1 爆炸成形工艺 1 ．1 爆炸成形条件 爆炸冲击载荷的能量分布是随药包中心的距离 变化而变化。爆炸成形工艺分为约束式和自由式。 前者通常需要在水井中进行，并且要保证一定的真 空度，操作繁琐；后者则相对简单，本实验采用自由 式进行试验。试验装置如图1 所示。 试验中坯料为1 0 6 0 H 2 4 铝板和Q 2 3 5 B 钢板 厚 度6 4 m m ，坯料的尺寸和形状如图2 所示，单位 为m m 。 l 一无底凹模；2 一坯料；3 一压边圈； 4 一水质 沙质 ；5 一炸药；6 一护筒 图l 实验装置简图 F i g ．1 S k e t c ho fe x p e r i m e n t a ld e v i c e ．厂 ‘＼／’ 5 6 图2 坯料尺寸与形状图 F i g ．2 S i z ea n ds h a p eo fp l a t e 1 ．2 爆炸成形工艺分析 爆炸成形具有其独特的成形机理，因而在成形 工艺中主要考虑以下几点 1 在试验中，坯料表面经过处理，没有明显划 痕等缺陷。工件尺寸精度主要靠爆炸压力载荷的分 } 收稿1 3 期2 0 1 2 - 0 9 ．1 2 作者简介马安鹛 1 9 8 5 ～ ，男，硕士，主要从事爆炸力学的研究。E - m a i l m a a n p e n g 1 2 6 ．c o n l 通信作者饶国宁 1 9 7 8 一 ，男，博士，讲师，主要从事爆炸力学的研究。E - m a i l n j r a o g u o n i n g 1 6 3 ．c o r n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第1 期 布与模具共同决定。 2 为了使模具可以重复使用，模具、压边圈由 4 5 号优质低碳钢加工而成。试验过程中根据需要 调节压边力的大小，圆角处涂抹润滑剂以减小坯料 流人凹模的阻力。 3 传能介质分别采用水和细沙。水的传能效 率要高于沙，而沙与坯料之间的摩擦则有助于减轻 坯料成形过程中的起皱，使用前细沙要过筛。 1 ．3 药量计算 药量的多少决定能量的大小，因而装药量m 是 爆炸成形中最关键的因素之一。药量的选取与很多 因素有关，比如炸高h 、坯料厚度6 、模口直径D 以及 其它边界条件等。 1 ．3 ．1 经验估算法 由于试验条件的复杂性，经验公式很难包含诸 多影响因素和不同的边界条件，所以估算值可以作 为参照，实验时根据具体条件进行适当调整。经大 量试验，得出在水介质中成形的低碳钢封头零件的 药量公式如下旧J 面Y - 1 2 0 ㈥旺7 8 ㈤7 4 后 ㈩ 式中y 为封头顶点挠度；D 为模口直径；m 为炸药 装药质量；6 为金属板料的厚度；h 为装药中心距板 料表面距离 炸高 ；后为不同材料的修正系数；单位 采用m m g 。 若采用沙介质，则上式变为 吉矾2 ㈥n7 8 ∥4 忌 ㈤ 式中参数意义同式 1 。 1 ．3 ．2 功能平衡原理 根据成形坯料克服变形阻力所做的变形功等于 炸药用于爆炸成形的有效能量这一原理来估算药 量。由于材料的力学参数不易获得，分析时需要进 行适当的简化，其公式叫为 Q K 1 K 2 堂 9 叼 3 式中Q 为装药质量，k g ；o r 为坯料在动载下的屈服 极限 取静载下荷屈服极限的2 倍 ；‰为坯料圆周 方向上的平均应变；氏为坯料初始厚度；s 。为坯料 初始面积；g 为每千克炸药能量；叼为炸药能量利用 率；墨为传压介质系数 水的K 取1 ．0 ；如为工艺 参数，水井中成形时为0 ．8 ～0 ．9 ，抽真空时取1 ．0 。 为了综合考虑作用在坯料上的载荷，本文以对 比距离h ／m Ⅳ3 作为一个基本的影响要素， h 为装药 中心到坯料上表面中心的垂直距离，m 为装药量 ， 这一参数将两个影响成形质量的最重要的参数很好 地结合在了一起。实验过程中采用T N T 柱形压装 药，密度为1 ．5 6 9 ／c m 3 。为了系统地研究对比距离 对成形质量的影响，取两种装药量5g 和1 0g 。 2 实验设计 试验坯料为1 0 6 0 H 2 4 铝板，尺寸0 3 4 0 m m 1 ．9 2 m m ；Q 2 3 5 B 钢板，尺寸为0 3 4 0 m m 1 4 m m 。两种材料的机械物理性能如表l 所示。 1 0 6 0 H 2 4 铝和Q 2 3 5 B 钢的成形性、焊接性均很好， 1 0 6 0 H 2 4 铝的切削性比Q 2 3 5 B 钢差。 表11 0 6 0 H 2 4 铝和Q 2 3 5 B 钢的机械与物理性能 T a b ．1M a c h e n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so f 1 0 6 0 H 2 4a l u m i n u ma n dQ 2 3 5Bs t e e l 试验的工艺条件如表2 、表3 所示。 表21 0 6 0 H 2 4 铝板爆炸成形工艺条件 T a b ．2 E x p l o s i v ef o r m i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so f 1 0 6 0 H 2 4a l u m i n u ms h e e t 表3Q 2 3 5 B 钢板爆炸成形工艺条件 T a b ．3 E x p l o s i v ef o r m i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so f Q 2 3 5Bs t e e ls h e e t 3 试验结果与分析 试验按表2 和表3 中的工艺参数进行，爆炸成 形后的工件除个别出现边缘起皱和拉偏外，整体而 万方数据 2 0 1 3 年2 月椭圆封头爆炸成形技术的试验研究马安鹏等 言，工件成形质量满足要求。模具、压边圈等完好无 损，仍可重复使用。 爆炸成形过程中，炸药量m 和炸高h 共同决定 作用在坯料上载荷的大小，图3 所示为1 0 6 0 H 2 4 铝 板分别以沙和水作为传能介质进行试验，获得的对 比距离h ／m v 3 与工件中心挠度y 的关系曲线图。 划比m 试h ，“ i { m ’k g 、 图3 铝板在不同介质中l ，L ∥m ∽曲线 F i g ．3y - “／m 1 力C u r v e so fM u m i n u ms h e e t w i t I l i nd i f f e r e n tm e d i a 从图3 曲线的走势可以看出，随着对比距离的 增大，中心挠度整体上趋于减小。相比两条曲线，对 比距离相同时，曲线2 所对应的中心挠度比曲线1 大的多，说明水的传能效率明显高于沙。从曲线1 中可以看出，对比距离与挠度值并不是简单的线性 单调，而是呈现出有缓有急的态势。Ⅱ6 段斜率绝对 值较大，随着对比距离的增大，挠度值下降明显。从 能量利用率的角度出发，对比距离越小，作用在坯料 上的能量载荷越大，同时减小h ，增大m 可以实现这 种要求。但是，对比距离太小将导致坯料受力太集 中，中心变薄严重，甚至破裂，也容易出现拉偏等现 象。随着对比距离的增大，所对应的挠度值出现增 大的趋势，如6 c 段，c 点过后则又呈现出下降的趋 势。对比距离太大时，不仅作用在坯料上的压力载 荷不够，还会降低炸药的能量利用率，同样不可取。 综合考虑h ／m Ⅳ3 在配段取值相对合理，c 点取值约 为0 ．2 6 m ／k g V 3 ，不同试验条件下的最佳对比距离可 能有差异，需要具体试验的验证。 图4 为h ／m Ⅳ3 为0 ．2 6m ／k g Ⅳ3 时，不同厚度的 Q 2 3 5 B 板材爆炸成形工件理论计算与试验所得的 y _ 书关系曲线。用药量估算公式 1 估算Q 2 3 5 B 钢板的中心挠度理论值，k 值取1 。 从图4 可以看出，两条曲线的落差并不大，最大 时约为7 m m ，误差不大于1 0 ％。从曲线走势可以 看出，随着厚度的增加，挠度值明显下降，所以当坯 料厚度增加时则需要调整药量。按照能量准则即二 四八准则当坯料厚度增加1 倍时，药量为原来的2 7 0 6 5 6 三 差5 5 羔5 0 々 4 5 4 0 3 5 1 二．0二，3 03 ．4 ．0 制峥f 蔓，，n l n l 图4 不同厚度时板料的挠度变化 F i g ．4 C e n t e rd e f l e c t i o no fp l a t ew i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s 倍，尺寸增加1 倍，药量为原来的4 倍，尺寸与厚度 同时增加l 倍，药量则为原来的8 倍J 。 爆炸成形工件的质量检测结果如表4 所示，图 5 是爆炸成形加工件的实物图。 表4 工件检测试验 T a b ．4 R e s u l t so fw o r k p i e e et e s t i n g 图5 成形工件实物图 F i g ．5S h a p eo ff o r m e dw o r k p i e e e 从图5 中可以看出工件的表面光洁度很好，曲 面平滑过渡。部分工件的法兰部分有轻微的起皱， 可以通过减小压边部分的面积和调节压边力的方法 万方数据 4 6 ‘ 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第1 期 使起皱消除。 4 结论 1 分别用沙与水作为传能介质，进行了 1 4J 1 0 6 0 H 2 4 铝板的爆炸成形试验，工件成形质量好。 对比距离h ／m Ⅳ3 太小，作用在坯料上的载荷太集中，⋯ 中心变薄严重，且容易拉偏；h ／m ”3 太大时，作用在 ⋯1 坯料上的载荷太小，成形深度难以满足，同时炸药利 用率太低。只有当h ／m Ⅳ3 取最佳值时，则可很好地 满足成形需求。试验中得到的最佳对比距离约为 0 ．2 6m ／k g ∽。 2 取h ／m ∽为0 ．2 6m ／k g V 3 ，以水为传压介质， [ 6 ] Q 2 3 5 B 钢板为坯料，进行了改变厚度的试验。结果 表明，工件的实际中心挠度与经验公式估算的值接 近，说明这一工艺参数的选择是合理的。 3 试验是基于小尺寸工件的爆炸成形研究，可 ，．、 为下一步实际生产大尺寸的工件提供参考。 。。 参考文献 [ 1 ] T o n gZ ，L iZ ，C h e n gB ，e ta 1 ．P r e c i s i o nc o n t r o lo fe x p l o - 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1 2 4a l u m i n u ma l l o ya n dQ 2 3 5Bs t e e la 8t h eb l a n k s ．T h e c o n t r a s to ff o r m i n gq u a l i t i e s 鹊t h er e s u l t so fd i f f e r e n te n e r g yt r a n s i t i o nm e d i u mu s a g ea n dt h ee x a m i n a t i o no nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t r a s td i s t a n c e h ／m “3 a n dt h ec e n t e rd e f l e c t i o no ft h eh e a dc a np r o v i d eaw a yo ff i n d i n go u tt h em o s t a p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee f f i c i e n c yo fw a t e rW a sm u c hb e t t e rt h a ns a n d i ne n e r g yt r a n s i t i o n ．W h e t h e rt h ev a l u eo fh ／m 1 ”i st o o h i g ho rl a w ．i tw i l la l la f f e c tt h ee x p l o s i nf o r m i n gq u a l i t yo fh e a d ．T o a c h i e v eah i ‘g hf o r m i n gq u a l i t y ，t h ev a l u eo fc o n t r a s td i s t a n c ew a sd e t e r m i n e d 鹊a b o u t0 ．2 6m ／k 9 1 ”，u n d e rw h i c has m o o t h s u r f a c ew i t hn oo b v i o u sd e f e c t sc a nb eo b t a i n e d ． [ K E YW O R D S ] e x p l o s i o nf o r m i n g ，e l l i p t i c a lh e a d ，c o n t r a s td i s t a n c e ，c e n t e rd e f l e c t i o n 万方数据