Устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей

Предполагаемая полезная модель относится к области обработки материалов давлением и может быть использована для штамповки деталей из листового материала, преимущественно, в малосерийном и опытном производствах.
Известны устройства для листовой штамповки, содержащие камеру сгорания и матрицу, между которыми располагается штампуемая заготовка (Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1975. - С. 63). В этих устройствах процесс штамповки осуществляется под действием давления газа, образующегося при сгорании горючих газовых смесей, например природного газа и кислорода.
К заявленному объекту наиболее близким аналогом является устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей, содержащее соосно установленные матрицу с внутренней полостью и камеру сгорания, снабженные средствами для подачи и зажигания газовой смеси и выпуска продуктов сгорания, а также охватывающую внутреннюю полость матрицы кольцевую полость, в которой размещен кольцевой поршень, взаимодействующий со штампуемой заготовкой (патент на полезную модель №98954, МПК В21Д 22/00). В этом устройстве горение газовой смеси осуществляется в камере сгорания и в полости матрицы. Это позволяет нагреть листовую заготовку и осуществить процесс штамповки в горячем состоянии заготовки, что повышает ее пластичность.
Известное устройство имеет следующий недостаток. После окончания процесса сгорания топливной смеси температура продуктов сгорания по всему объему камеры сгорания примерно одинаковая. Поэтому тепловые потоки от продуктов сгорания во всех направлениях практически одинаковые. Из-за этого большая часть тепловой энергии продуктов сгорания расходуется не на нагрев штампуемой заготовки, а на нагрев стенок камеры сгорания. Поэтому энергия продуктов сгорания хватает на нагрев заготовок сравнительно небольшой толщины; в частности стальных заготовок толщиной до 1,5…2,0 мм. Это ограничивает технологические возможности данного устройства.
Целью полезной модели является расширение технологических возможностей устройства.
Технический результат полезной модели достигается тем, что устройство для штамповки взрывом газовых смесей содержит соосно установленные матрицу с внутренней полостью, снабженную средствами подачи и зажигания газовой смеси, и выпуска продуктов сгорания, и камеру сгорания, снабженную средствами подачи и зажигания газовой смеси и выпуска продуктов сгорания, причем устройство также содержит расположенную внутри камеры сгорания и соединенную с ней форкамеру, снабженную средством зажигания газовой смеси, при этом отверстие, соединяющее формкамеру с камерой сгорания, расположено со стороны матрицы. Кроме того, форкамера выполнена в форме гриба, причем головка гриба обращена к матрице.
Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунке. Устройство содержит матрицу 1 с внутренней полостью 2 и корпус 3, соединенные между собой болтами 4 и гайками 5. В корпусе 3 соосно матрице 1 размещена камера сгорания 6, снабженная впускным клапаном 7 и выпускным клапаном 8. В осевой зоне камеры сгорания 6 расположена форкамера 9, снабженная свечей зажигания 10. Форкамера 9 выполнена в форме гриба, т.е. имеет цилиндрическую часть малого диаметра и головку значительно большего диаметра, достигающего до 0,5…0,6 диаметра камеры сгорания. Выходное отверстие форкамеры 9, соединяющее ее полость с камерой сгорания 6, расположено со стороны матрицы 1. Объем полости форкамеры 9 не превышает 10% объема камеры сгорания 6. Матрица 1 снабжена впускным клапаном 11, выпускным клапаном 12 и свечей зажигания 13. В верхней части матрицы 1 выполнена кольцевая полость 14, в которой установлен кольцевой поршень 15. В матрице 1 выполнен так же канал 16 для подачи рабочей среды в кольцевую полость 14. Штампуемая заготовка 17 располагается между кольцевым поршнем 15 и корпусом 3.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Через канал 16 в кольцевую полость 1 подается под давлением жидкость или сжатый воздух. При этом кольцевой поршень 15 производит зажим фланцевой части штампуемой заготовки, что обеспечивает герметичность полости 2 и камеры сгорания 6. После этого через впускные клапаны 7 и 11 в камеру сгорания 6 и полость 2 матрицы 1 подается горючий газ, например природный газ, а затем подается сжатый воздух. В результате этого в полости 2, в камере сгорания 6 и форкамере 9 образуется топливная смесь. При этом с обоих сторон заготовки 17 устанавливается одинаковое давление топливной смеси, поэтому заготовка в этот период не деформируется. При помощи свеч 10 и 13 топливные смеси в форкамере 9 и полости 2 матрицы 1 зажигаются. В форкамере 9 фронт пламени, непрерывно ускоряясь перемещается в направлении к штампуемой заготовки 17. После достижения фронта пламени заготовки 17 пламя с высокой скоростью выбрасывается в камеру сгорания 6 через зазор между заготовкой 17 и форкамерой 9. Это обеспечивает интенсивные сгорания топливной смеси в камере сгорания 6. В результате сгорания топливных смесей температура и давление в полости 2 матрицы 1 и камере сгорания 6 многократно увеличиваются. При этом в обеих полостях устанавливается примерно одинаковое давление, но температура газа вблизи поверхности заготовки 17 со стороны камеры сгорания 6 выше, чем со стороны матрицы 1 за счет неравномерного распределения температуры в камере сгорания 6.
Под воздействием высокотемпературного газа заготовки 17 интенсивно нагревается до достижения интервала температур горячей обработки (например: для стальной заготовки до 800…1000°C). Затем открывается выпускной клапан 12 и продукты сгорания выпускаются из полости 2 матрицы 1. Давление в полости 2 падает. При этом под действием давления газа, находящегося в камере сгорания 6, заготовка 17 деформируется и заполняет полость 2 матрицы 1.
После осуществления процесса штамповки, отвинтив гайки 5, корпус 3 отсоединяется от матрицы 1, и отштампованная деталь извлекается из матрицы 1. Затем на поверхность кольцевого поршня 15 устанавливается новая заготовка, и корпус 3 присоединяется к матрице 1. Далее рабочий цикл устройства повторяется в той же последовательности.
Оценим температуру продуктов сгорания. В полости матрицы процесс сгорания топливной смеси происходит при постоянном объеме. При этом вся теплота процесса сгорания идет на повышение внутренней энергии газа (Теплотехника: учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова - М.: Энергоиздат., 1982. - 264 с. (с. 32)). Тогда уравнение теплового баланса в расчете на 1 кмоль топливной смеси можно записать в следующем виде
c
z
с
z
где t - температура топливной смеси; t - температура продуктов сгорания;  - средние молярные теплоемкости при постоянном объеме топливной смеси и продуктов сгорания соответственно; Н - теплота сгорания 1 кмоля топливной смеси; ξ - коэффициент использования теплоты; μ - коэффициент молекулярного изменения топливной смеси. Из уравнения (1) получим
с
Пусть температура топливной смеси составляет 20°C. В качестве горючего газа примем природный газ. Тогда H=76200 кДж/кмоль;
z
μ=1,04; ξ=0,8.
z
Эти данные взяты из книги: Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «двигатели внутреннего сгорания / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-e изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с. (с. 32, 39, 42, 152). Подставляя эти значения в зависимость (2), получим t=2031°C.
Степень повышения давления в результате сгорания топливной смеси определяется следующей зависимостью
c
z
c
z
c
z
где P, P - давление топливной смеси и продуктов сгорания соответственно; T, T - абсолютные температуры топливной смеси и продуктов сгорания. Подставляя значения t и t, получим λ=8,2, т.е. в результате сгорания топливной смеси давление повышается в 8,2 раз.
к
Рассмотрим теперь процесс сгорания в камере сгорания и форкамере. В процессе горения топливной смеси общий объем камеры сгорания и форкамеры не изменяется. Поэтому к концу процесса сгорания степень повышения давления λ в камере сгорания будет примерно такая же, как в матрице, т.е. λ≈8,2. При этом температура по объему камеры сгорания распределена неравномерно. Так как объем форкамеры сравнительно мала, и форкамера сообщена с камерой сгорания, то в процессе горения топливной смеси в форкамере давление изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что процесс горения в форкамере совершается при постоянном давлении. Тогда уравнение теплового баланса имеет следующий вид
где  - средние молярные теплоемкости при постоянном давлении топливной смеси и продуктов сгорания;
-температура продуктов сгорания в форкамере. Отсюда получим
Теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении связаны следующим уравнением
μ
μ
где R - универсальная газовая постоянная; R=8,314 кДж/(кмоль*К), (см. вышеуказанную книгу «Теплотехника», с. 9). Тогда
z
Подставляя эти значения в зависимость (5), получим  Таким образом, температура продуктов сгорания в форкамере составляет 1630°C. Такая же температура будет вблизи поверхности штампуемой заготовки в момент перехода пламени из форкамеры в камеру сгорания. В процессе горения топливной смеси в камере сгорания давление интенсивно повышается и к концу процесса достигает P. При этом происходит адиабатическое сжатие продуктов сгорания, находящихся вблизи штампуемой заготовки и в форкамере. Для адиабатического процесса давление и температура связаны следующим уравнением (см. вышеуказанную книгу «Теплотехника», с. 34):
где k - показатель адиабаты. Применительно к газу, находящемуся вблизи поверхности заготовки и форкамере, это уравнение можно записать в следующем виде
z
где  и  - абсолютные температуры газа вблизи поверхности заготовки в начале и в конце процесса горения в камере сгорания; k - показатель адиабаты продуктов сгорания. Отсюда, учитывая, что
получим
Показатель адиабаты продуктов сгорания
z
Подставляя значения λ и k в зависимость (9), получим  т.е. температура газа вблизи поверхности заготовки составляет 2787°C. Это значительно выше температуры газа в полости матрицы. Следует отметить, что температура в верхней части камеры сгорания значительно меньше, чем на поверхности заготовки.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает увеличение температуры газа вблизи поверхности штампуемой заготовки на 700…800°C. Это, существенно повышая тепловой поток от газа к заготовке, дает возможность осуществить нагрев до температуры горячей обработки заготовок значительно большей толщины, что существенно расширяет технологические возможности устройства для штамповки.