شکل‌دهی انفجاری

شکل‌دهی انفجاری روشی است که در آن از ضربه انفجاری به جای پانچ یا فشار به منظور فرم‌دهی فلز استفاده می‌شود و از اواخر قرن هجدهم میلادی اختراع شد. گزارش شده‌است که اولین بار در سال ۱۸۷۸، توسط دانیل آدامسن در منچستر انگلستان استفاده شده‌است. در سال ۱۸۹۸ اولین پروانه ثبت اخراع شکل‌دهی انفجاری در انگلستان به شماره ۲۱۸۴۰ ثبت شد. به فاصله مدت کوتاهی بعد از آن، در سال ۱۹۰۹ ثبت اختراع به شماره ۹۳۹۷۰۲ در ایالات محده آمریکا در مورد این فرایند به ثبت رسید. در دهه ۵۰ میلادی شرکت موور توانست به وسیله این فناوری بدنه‌های فن‌های بزرگ را تولید کند. این نوآوری منجر به کاهش ۱۵ درصدی هزینه تولید نسبت به روش‌های شکل‌دهی مرسوم آن دوره شد. تفاوت عمده این روش با روش‌های دیگر شکل‌دهی فلزات در این است که ابتدا به فلز سرعت داده شده و با تبدیل انرژی جنبشی در آن‌ها به انرژی پلاستیک، تغییر شکل صورت می‌گیرد. این تکنیک در مواردی که نسبت به روش‌های مرسوم مزیت دارد نظیر هزینه ساخت و سادگی پیاده‌سازی، استفاده می‌شود. این روش به دو دسته انفجار سطح پایین و انفجار سطح بالا تقسیم می‌شود. تنش حاصله در فرم‌دهی نوع دوم تا نیز ممکن است برسد.
نکته منحصر به فرد این گونه روش‌های فرم‌دهی، فشار بسیار بالایی است که در اثر برخورد دو جسم صلب با سرعت زیاد بوجود می‌آید. فهم دقیق این مطلب نیازمند مطالعه رفتار موجی درون اجسام جامد می‌باشد.
فرایند فرم‌دهی الکتروهیدرولیک
روش‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد، یکی از آن‌ها قرار دادن قطعه در مقابل یک قالب و انفجار بار در فاصله مناسب از آن می‌باشد. این فرایند یعنی فرم‌دهی الکتروهیدرولیک نوعی از فرم‌دهی فلزات می‌باشد که قوس تخلیه الکتریکی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی استفاده می‌شود. یک بانک خازنی یک پالس جریان بالا را به دو الکترود، که در فاصله کمی از هم قرار دارند و در یک مایع نظیر آب یا روغن قرار دارند، انتقال می‌دهد. قوس جریان به سرعت سیال اطراف را تبخیر کرده که منجر به تولید ضربه موج می‌شود. قطعه مورد نظر، که در تماس با سیال قرار دارد، با برخورد به قالب شکل می‌گیرد. یکی دیگر از روش‌های مشابه شکل‌دهی انفجاری، شکل‌دهی الکترومغناطیسی است که با استفاده از میدان مغناطیسی درون قطعه یک جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که جریان ایجاد شده نیز باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی مخالف با میدان اول می‌شود. برآیند این دو نیرو باعث شکل‌دهی به فلز می‌شود. در واقع می‌توان فرم‌دهی الکتروهیدرولیک را پلی میان شکل‌دهی انفجاری و شکل‌دهی الکترومغناطیسی دانست.
پوسته شاتل فضایی قبل و بعد از شکل دهی انفجاری
تاریخچه فرم‌دهی انفجاری
قابلیت اجرایی این روش در دهه ۵۰ میلادی ارائه شد و اوائل دهه ۶۰ میلادی برای صنایع هواپیمایی اولین طرح عملیاتی آن به اجرا رسید. در دهه ۶۰ میلادی حداقل ۸۰ پروژه فضایی تحت حمایت دولت آمریکا هم‌زمان در حال انجام بود. تنها سازمان فضایی ایالات متحده آمریکا علاقه‌مند به تحقیق در این حوزه نبود، بر اساس گزارش پژوهشی منتششر شده از اداره تحقیقات پیشرفته نظامی آمریکا در اواسط دهه ۶۰ میلادی، شکل‌دهی انفجای از پروژه‌های این سازمان بوده‌است. در نتیجه این پروژه پیشرفت قابل توجهی در زمینه شکل‌دهی فلزات با دقت بالا، اشکال پیچیده، اندازه‌های بزرگ و هزینه مرقون به صرفه شد. از کاربردهای این پروژه در وزارت دفاع ایالات متحده می‌توان به ساخت حلقه پس‌سوز موتور جت SR-71، کلاهک موشک‌های قاره‌پیما و بدنه هواپیماها را نام برد. تلاش‌هایی از این دست فقط معطوف به ایالات متحده آمریکا نشد، در همان بازه زمانی اقداماتی در بریتانیای کبیر در دانشگاه‌های منچستر و کویینز انجام شد. فرق عمده این تکنیک با دیگر روش‌های فرم‌دهی انفجاری منبع انرژی آن است؛ که در مقام مقایسه به بانک خازنی‌های بزرگ نسبت به منابع انرژی در اندازه متوسط‌تر لازم است. این مسئله این روش را بزرگ‌تر و پرهزینه‌تر می‌سازد. اما در طرف مقابل این روش به عنوان مثال در صنعت اتومبیل‌سازی به علت کنترل دقیق‌تر و تخلیه انرژی‌های متوالی و کوچکی محیط الکترود و سیال، انتخاب مناسبی بود. این روش به دو شکل بدون قالب و فرم دهی توسط قالب صورت می‌گیرد. فرم‌دهی بدون قالب برای ایجاد شکم برای شکل‌های دایره‌ای به کار می‌رود. به علت نبود قالب دقت این روش پایین است.
تجهیزات به کار گرفته شده در این روش‌ها می‌تواند از جنس فایبرگلاس برای فرایندهای کوتاه مدت یا بتن برای قسمت‌های بزرگتر در مدت زمانی بیشتر، یا آهن برای کارهایی با فشار لازم بالا، ساخته شود. در عمل نقطه تسلیم این ادوات باید از نقطه تسلیم قطعه مورد نظر برای شکل‌دهی باشد. در این روش شکل‌دهی هزینه ماشین‌کاری ثانویه بسیار پایین می‌باشد.
ماده منفجره
اینها موادی هستند که واکنش سریع شیمیایی را که در طی آن گرما و تعداد زیادی از محصولات گازی گسترش می‌یابند، تحمل می‌کنند. مواد انفجاری می‌توانند در حالت جامد (TNT – three nitro toluene)، مایع (نیتروگلیسیرین)، یا گاز (اکسیژن و مخلوط‌های استیلن). مواد انفجاری به دو دسته تقسیم می‌شوند: low explosiveها که در آن‌ها سوختن ماده انفجاری نسبت به انفجار سریع‌تر رخ می‌دهد و از این رو فشار زیادی به وجود نمی‌آید، و high explosiveها که دارای نرخ بالایی از واکنش با فشار بالا دارند. از low explosiveها به عنوان عوامل جلوبرنده و راننده در تفنگ‌ها، و راکت‌ها برای جلوبری موشک‌ها استفاده می‌شود.
ماده واسط برای انتقال انرژی
انرژی آزاد شده با ماده انفجاری از میان ماده‌ای مانند هوا، آب، ژلاتین، یا نمک‌های مایع عبور می‌کند. از آن جایی که آب به آسانی در دسترس و کم هزینه است و نتایج بسیار خوبی را به بار می‌آورد، یکی از بهترین واسطه‌ها برای شکل دهی انفجاری است. ماده واسطه از لحاظ مقدار فشار وارد بر قطعه کار بسیار با اهمیت است. در این مورد به خاطر وارد کردن پیک‌های فشار بسیار بالا به قطعه کار، آب از هوا مطلوب‌تر است.
انواع روش‌های شکل دهی انفجاری
از دیدگاه پیاده‌سازی فرایند
برای قرار دادن ماده انفجاری دو دیدگاه موجود است، که براساس قرار گرفتن ماده منفجره این فرایند به دو گروه تقسیم می‌شود:
۱. روش انفجاری غیرمستقیم(Standoff method)
در این حالت ماده انفجاری در تماس با قطعه اولیه نمی‌باشد و انرژی انفجار پس از طی مسافت معین به قطعه کار می‌رسد و معمولا به شکل یک ضربه فشاری و از یک واسطه که معمولا آب است عبور می‌کند. محدوده فشار نهایی روی قطعه کار از چند هزار تا چند صد هزار پوند بر اینچ مربع است.
۲. روش انفجاری مستقیم(contact method)
در روش دوم مواد منفجره به‌طور مستقیم روی قطعه کار قرار می‌گیرد و انرژی آن بدون واسطه به قطعه کار وارد می‌شود. جوشکاری انفجاری، فشرده‌سازی پودر و فلزات و برشکاری قطعات به این روش انجام می‌گیرد.
تفاوت روش مستقیم با روش غیر مستقیم
انتخاب نوع روش به عواملی از جمله کرنش و تنش موضعی وارد بر فلز در منطقه کاری انفجار بستگی دارد. به دلیل احتمال شکست فلز در عملیات مستقیم، اغلب صنعتگران و محققان به‌کارگیری روش‌های غیرمستقیم را ترجیح می‌دهند. همچنین در روش‌های غیر مستقیم، انرژی منتقل شده به فلز کمتر می‌باشد و همچنین اجزای بزرگ‌تری را به کمک آن می‌توان تولید نمود. باید توجه نمود در روش مستقیم یک شوک در فلز ایجاد شده که موجب تغییر شکل لحظه‌ای می‌شود. هرچه ماده اولیه بیشتری استفاده شود، شوک حاصله به عمق بیشتری نفوذ خواهد کرد. این شکل از فرم‌دهی به فلزات موجب افزایش تنش تسلیم و افزایش سختی می‌شود.
از دیدگاه ماده انفجاری
برای ایجاد موج لازم جهت انفجار می‌توان از مواد منفجره جامد (و یا مایع) استفاده کرد یا همچنین می‌توان از مخلوز گازها جهت انفجار استفاده کرد. باید توجه داشت در صورت استفاده از مخلوط گاز باید تلاش شود که اجزای این مخلوط به نسبت استوکیومتری در واکنش احتراق با هم ترکیب شده باشند زیرا بهینه‌ترین حالت شکل‌دهی در این شرایط اتفاق می‌افتد. از نکات دیگر قابل توجه تاثیر فشار مخلوط شدن دو گاز با یکدیگر می‌باشد، زیرا با تغییر این متغیر می‌توان تاثیر را در قطعه شکل داده شده مشاهده کرد. استفاده از مخلوط گازها (مانند مخلوط گاز اکسیژن و هیدروژن) فوایدی زیر را به همراه دارند:
خطر انفجار مخلوط گاز پایین‌تر است و در هر کارگاهی با امکانات ساده قابل پیاده‌سازی است.
فشار نهایی حاصل از انفجار و همچنین تغییرات فشار اعمالی در مراحل انجام کار بطور مستقل از یکدیگر قابل کنترل هستند
اتوماتیک کردن مراحل استفاده از انفجار گاز راحت‌تر می‌باشد و تکرار فرایند بدون مشکل انجام می‌شود
معمولا مواد منفجره و تجهیزات مورد استفاده هنگام بکارگیری، در آب قرار می‌گیرند در حالیکه در مخلوط گازی نیازی به وجود آب نیست
صدای تولید شده کمتر است
هزینه کمتری نیز مورد نیاز است
مواد قابل استفاده در فرایند شکل‌دهی انفجاری
بیشتر فلزات مانند: آهن، فولاد، مس، آلومینیوم و سرب قابلیت استفاده در این فرایند را دارند. همچنین بسیاری از کامپوزیتهای پایه فلزی نیز قابلیت استفاده در این روش را دارند.
تیتانیوم و آلیاژهای آن بسیار سبک هستند و لذا برای صنایع هوافضا ایده‌آل می‌باشند. این مواد بسیار سخت بوده و شکل دهی آن‌ها دشوار است. اما به وسیله روش شکل دهی انفجاری با تلرانس دقیقی می‌توان آن‌ها را ساخت.
جنس قالب
تنتخاب مواد قالب‌ها را بر اساس چند فاکتور آنجا می‌شود که عبارتند از:
زمان تولید
تلرانس مورد نیاز قطعه پایانی
نوع و ضخامت فلز در حال کار
فاصله میانی
وزن مواد منفجره
قالب‌های غیر مستحکم عموما برای تولید در مقیاس کم و برای اجزایی با دقت نه چندان بالا استفاده می‌شود و قالب‌های مستحکم‌تر غالبا برای تولید در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای ساخت این قالب‌ها باید از فلزاتی با تنش تسلیم بالا استفاده نمود. مشکل دیگر آن است که اگز فلز دارای استحکام بالا باشد ممکن است ماشین کاری مطلوب آن برای شکل دهی، انحنای مناسب و در نهایت ساخت قالب مناسب، بسیار زمان بر و حتی غیرممکن باشد.
برای تولید در مقیاس کم و ساخت مدل معمولا از کامپوزیت‌هایی مانند فایبرگلاس استفاده می‌شود. در جدول زیر برخی مواد رایج برای ساخت قالب و نیز کاربرد آن‌ها را نشان می‌دهد.
جنس قالب
کاربرد
بتن
فشارهای متوسط و تولید زیاد
آهن چکش خوار
فشارهای بالا و تولید زیاد
اپکسی و بتن
فشارهای کم وتولید زیاد
فایبرگلس و بتن
فشارهای کم وتولید زیاد
kirksite
فشارهای کم وتولید کم
kirksiteو فایبرگلس
فشارهای کم وتولید کم
ملاحظات طراحی
ضخامت قطعه اولیه در هیچ نقطه‌ای نباید کمتر از ۱ میلی‌متر و بیش‌تر از ۱۰ میلی‌متر باشد. برای رسیدن به یک طراحی بهینه باید تلرانس در حدود ۰٫۲۵ میلی‌متر تا ۱ میلی‌متر لحاظ شود. در این فرایند سختی سطحی از ۱٫۵۷۵ میلی‌متر تا ۱۲٫۷ میلی‌متر قابل دست‌یابی است.
ملاحظات اقتصادی
برای استفاده از این روش باید درنظر داشت که نرخ تولید قطعه بسیار پایین می‌باشد و بین ۵ تا ۶ قطعه در هر ساعت می‌تواند متفاوت باشد. نیروی انسانی مورد استفاده در این فرایند باید به خوبی آموزش دیده باشند و مهارت‌های لازم را به دقت فرا گرفته باشند زیرا عدم توجه به نکات کوچک منجر به بروز فاجعه خواهد شد. هزینه اولیه ساخت قالب و استخر و همچنین بقیه امکانات مورد نظر قابل توجه است ولی با توجه به پیچیدگی قطعه‌هایی که با این روش قابلیت تولید دارند، این روش می‌تواند توجیه اقتصادی داشته باشد. از جمله قطعه‌هایی که به این روش تولید می‌شوند می‌توان موارد روبه‌رو را نام برد: قطعات موتور هواپیما، کلاهک موشک، لوله‌ها و غیره.
معایب و مزایا
همچون سایر روش‌های شکل دادن سریع پر انرژی (HERF)، هزینه ابزار در این روش پایین است و برای انجام آن نیاز به ماشین آلات گران‌قیمت نیست. تقریبا هیچ محدودیتی نیز برای اندازه قطعه کار در این روش وجود ندارد. به عنوان مثال برای تولید یک گنبد بیضوی شکل به قطر ۳ متر با این روش، فقط به یک مخزن آب در داخل زمین که قطعه کار در عمق ۲ متری آن قرار می‌گیرد و یک قالب ماده که غالبا ازمواد ارزان قیمت چوب، پلاستیک یا آلیاژهای زودگداز تهیه می‌شود، نیاز است. توانایی اعجاب‌انگیز این روش در ساخت مدل‌ها با تلرانس دقیق در زمان کوتاه توجه بسیاری از صنایع پیشرفته را به خود جلب کرده‌است. در تولید با تعداد کم این روش جز روش‌های پرطرفدار و اقتصادی است و این به دلیل سرعت بالای آن‌ها می‌باشد. از جمله ویژگی‌های کاربردی این روش می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.
شکل دادن صفخات بسیار بزرگ با شکل‌های هندسی پیچیده
هزینه پایین ابزارهای شکل دهی
مناسب برای تولید در تعداد کم
عمرکاری زیاد
تنوع در فرم اولیه قطعه کار، قابلیت شکل دهی ورق‌ها و لوله‌ها حتی در حالت جوشکاری شده و همچنین جایگزینی برای چندین عملیات همچون کشش عمیق و اسپینینگ و جوشکاری‌های متعدد تنها با یک بار عملیات، این روش شکل دهی را برای تولید محدود و تک بسیار مناسب کرده‌است.
تا کنون به روش شکل دهی انفجاری، گستره از ضخامت‌های متنوع از ۰٫۳ mm آلومینیوم تا ۶۰ mm فولاد ضد زنگ و همچنین مواد مختلف همچون آلومینیوم، تیتانیوم، فولاد ضد زنگ و نیکل با موفقیت شکل دهی شده‌اند. این گستره را نمی‌توان محدود به حساب آورد و بنابراین می‌توان گفت، روش شکل دهی انفجاری محدودیتی در ابعاد، فرم، جنس ماده و ضخامت قطعه ندارد.
هرچند این فرایند مزایای متعددی دارد، ولی عیب‌هایی نیز در آن مشاهده می‌شود.
ممکن است قطعه کار در یک بار عملکرد، شکل نهایی را پیدا نکند و با توجه به انفجار ایجاد شده در این فرایند، صدای حاصل ممکن است ناراحت‌کننده باشد. همچنین اجازه استفاده از مواد منفجره قوانین دولتی خاصی دارد. این دو مسئله ایجاب می‌کند که تجهیزات شکل دادن انفجاری در مکان خاصی نصب شود.
در این شرایط هزینه‌های حمل و نقل افزایش می‌یابد و پرسنل مورد نیاز در فرایند شکل دادن انفجاری، باید کاملا در استفاده از مواد منفجره ماهر باشند.
هرچند این فرایند مزایای متعددی دارد، ولی عیب‌هایی نیز در آن مشاهده می‌شود.
کاربردها
برای تولید بعضی قطعات بسیار بزرگ سفینه‌های فضایی و کشتی‌ها، که شکل دادن آن‌ها با روش‌های معمولی غیرممکن است زیرا پرس‌ها یا آنقدر بزرگ نیستند یا آنقدر قوی نیستند که قادر باشند چنین قطعاتی را شکل دهند، کاربرد دارند.
یک قطعه از موشک
نمونه‌هایی از کاربردهای این روش در ساخت اقتصادی قطعات صنایع هوا فضا و غیرنظامی به شرح زیر است:
پوسته‌های مخروطی شکل نظیر آسترهای بمبک‌های خرج گود، سرجنگی‌های خوشه‌ای و سر جنگی‌های خرج گود، همچنین نازل‌های همگرا واگرا، پوسته موشک و پوسته موتور جت
پوسته‌های عدسی شکل و گنبدی نظیر صفحات بشقابی منعکس‌کننده رادار تا قطر ۱۲ متر
پوسته‌های دوکی شکل نظیر پوسته سرجنگی، راکت و پوسته‌های با پروفیل آیرودینامیکی
پوسته‌های لوله‌ای شکل، تا قطر ۱٫۴ متر تا طول ۹٫۱ متر
مخازن تحت فشار تا ظرفیت ۱۰۰ متر مکعب