无模爆炸成型

完成时间：1976年11月

工程地点：辽宁省大连市甘井子区棠梨沟村

完成单位：大连爆炸加工研究所

项目主持人及参加人员：陈火金、周家良、赵安德、郑本玉、梅茂顺

撰 稿 人：王勇

1前言

    用爆炸成型代替常规的冲压生产大型封头，主要解决大型冲压设备问题。但是，在推广应用爆炸成型这项新工艺时，尤其是用于生产大型合金钢封头时，遇到的主要问题是模具制造及其寿命问题。

    以过去生产的921合金钢封头为例，用Z35钢作模具，当模具重量为封头产品重量的比为16倍时，只炸两个封头，模具就破坏了；为30倍时，炸了6个封头，模具也坏了。可见如果要炸一种700kg重的合金钢封头，若模具重量按30倍产品重量计算，则模具需要2lt；而当产品重量为2300kg时，模具重量达69t。这么大的模具，不论是制造、运输还是使用都很困难，而且炸几炮就可能破坏。因此，模具问题直接限制着爆炸成型的推广应用。

    过去，为了解决模具问题，一般都从模具材料和结构方面进行改进，因而出现了塑料模、水泥模、自由成型(无底)模和惯性模等等。

    我们分析了模具的作用，是以阻力来控制板料的流动，根据自由运动板变形的原理和利用爆炸形成载荷分布可调性的特点，提出了甩掉笨重钢模的设想。

我们在砂坑里进行了爆炸成型试验。发现砂坑形状对产品的线形影响不大。这一现象告诉我们，砂坑虽然有阻力，但它毕竟是半流体，已经失去模具的作用了。在沙坑中成型时，对产品线形起决定性作用的因素不是砂坑形状，而是药包参数(药形、药位、药量)。决定产品线形的主要因素已由模具变为药包，即由有模成型变为无模成型了。这种认识上的飞跃，使我们的研究重点很快从砂坑转到药包参数。仅用不到三个月的时间就试制出第一个无模成型产品(球径F2640mm，口径F2011mm，板厚22mm，重700kg的92l合金钢封头)。不久，又用无模成型试制出重2300kg的大型合金钢封头(球径F3200mm，口径F2500mm，板厚42mm，材料902钢)。这两种产品都是当年投入生产。

2无模成型的基本原理

    成型的实质是控制板料在外载作用下的流动(方向和大小)，使之获得所要求的外形尺寸(线形)。而板料流动取决于载荷大小及分布、材料变形抗力和模具阻力。在有模成型时，主要是利用模具的阻力(即约束作用)来控制线形的。而无模成型则主要是利用控制载荷分布的办法来控制线形。

无模成型的基本原理是动载下自由运动板的变形。自由运动板在f力的作用下加速到v。如果自由运动板各质点在卸载后具有相同的速度矢量，则自由运动板将保持原有形状(不变形)而做等速运动。如各质点的速度矢量不同(大小或方向不同)，则在自由运动板中将产生内力。当内力超过材料的变形抗力时，就产生变形。在变形的同时，自由运动板各质点的运动速度重新分布，并趋于一致，系统的部分动能转化为变形功。可见，无模成型是以质点速度矢量差为基础的，而速差又取决于载荷分布和质量分布。所以，利用爆炸载荷分布可调性的特点来控制线形是可以办到的。

3无模成型时对防皱问题的探讨

    无模成型，如果措施不当，则爆炸后工件有可能起皱。

    根据有模成型的经验，当板料相对厚度s/D>0.02和压延系数M=d/D>0.6时，不会起皱。但是，当s/D<0.015或d/D <0.6时，就会出现皱纹，必须采取防皱措施。

式中 s----板料厚度，mm；

     D----板料直径，mm；

     d----工件口径，mm。

我们用无模爆炸成型试制的第一种封头，板厚s=22mm，板料直径D= F2250mm，工件口径d=2011mm。按上式判断， s/D=0.0098<0.015，起皱问题在l：7的模拟试验时就暴露出来了。

    分析起皱的内因是板料切线方向的稳性小，因而采取了既提高板料切线方向的稳性又适合于无模成型的措施，即采用防皱圈来解决起皱问题(见图1)，效果良好。

图1  防皱圈的结构

    实践证明，当防皱圈的材料与封头材料相同时，防皱条件为满足以下关系：(0.02D)²×(D-d)-s²×(D-d)=2t²×s’由此得：

式中 D----板料直径，mm；

     d----工件口径，mm；

     s----板料厚度，mm；

     s’----防皱圈厚度，mm；

     l----防皱圈高度，mm。

    当s=O.02D时，t=0，即不需要防皱，这与有模成型不需压边的结论一致。

    由于防皱圈的存在，虽然增加了变形功，但也增加了板料周边的惯性力，相当于非均质板。在成型过程中，防皱圈围绕其形心翻转，有被拉平的趋势(见图2)，并由此产生一个对板料周边的内推力。这种辅助作用随t/s’值的增加而增加。但当防皱圈被拉平后，口径继续内缩就相当困难了。从这一点出发，希望加大t/s’值。在实际应用中，通常取t/s’=1.5～2.5。

图2  防皱圈对封头成型的影响

4无模成型装置及工艺参数的选择

    图3为无模成型装置及成型示意图。用砂坑支撑板料是因为砂子的透气性好，为高速成型的自然排气创造有利条件。实践证明，对厚板成型，采用泥坑也能获得满意的结果。泥坑虽然透气性不好，容易在底部出现反鼓包(这种反鼓包是很容易利用放小炮校准的)，但是泥坑的支撑反力大，对改善封头四

周的线形有利。

图3  无模成型装置及成型示意图

1-雷管；2-起爆药柱；3-主发药；4-板料；5-成型后的封头；6-砂坑(自然锥)

    对砂坑的基本要求是既要有尽可能大的容积，又要有尽可能大的支撑反力。鉴于这两条，通常采用“自然锥”。对一般湿度的砂子，“自然锥”坑的锥角q≈100°。砂坑直径D’取板料直径D的1.5～2倍。把准备好的板料放进砂坑。在板料上方铺一层砂子，其厚度即吊高h，取决于工件口径d。然后用刮板在砂子上面刮出药形，装上炸药，再用砂子把药包盖上，等待起爆。

    在无模成型时，药包参数(药形、药位、药量)的选择很重要。按过去的经验，对球形封头来说，用平面药包较好。药位h=0.12d(d为工件口径)。药径d’=d-2.4h。介质高度H≈4h。单位面积药量按下式估算：

式中  s----板厚，mm；

      s----材料强度，kg/mm²；

      h----药位，mm；

      R----封头的曲率半径，mm。

      总药量               W=0.785d'²×q

式中，d’为药包直径，cm。

5大型椭圆封头的无模成型

    把椭圆封头分成两部分(见图4)。其中第一部分(底部)类似于球形封头，可以用上述装置进行无模爆炸拉深。第二部分(壁部)类似胀形件，可以用台锥形毛坯(见图5)装置进行无模爆炸胀形。分段爆炸时，在两部分的交界处各留出适当余量。爆炸后在适当位置切去余量，保证线形光顺，然后用一条环缝并焊成椭圆封头。

图4  大型椭圆封头无模成型方案

图5  无模爆炸胀型装置

1-台锥形毛坯；2-环形药包；3-传爆药；4-起爆药；5-雷管；6-成型后的工件

    无模胀型的药包参数可用能量法估算，并进行必要的模拟试验。

这种方法可应用于口径在2m以上的大型的椭圆封头的单件小批量生产。而对中小型椭圆封头，建议设计部门进一步研究，使之标准化、系列化，并采用拉深环自由成型工艺。

6局部成型

    在无模成型的实践中，为了提高成型件的精度，可采用局部成型(或称局部校型)工艺。局部成型是依靠板料变薄来实现的。例如，用局部成型来消除反鼓包及内皱时，如果药包参数选择得当，其变薄几乎显现不出来。

  局部成型不仅能使内凹外凸，而且在一定的范围内，能使外凸拉平，从而促使产品线形光顺。当局部成型作为校型手段时，由于变形量很小，通常采用开放式的平面药包(见图6)。每次可用一个药包，也可以用一组(即几个)药包进行爆炸。

图6  局部校型装置

    例如，我们在炸一种F2000mm口径的不锈钢与钢的双金属封头时，毛料直径D=F2300mm，厚度s=2.5+9.5=12mm。由于相对厚度较小(s／D=0.4％)，在无模爆炸拉深时出现内皱及鼓包，为此，采用下列工艺参数局部校型，收到良好的效果。

    药包直径d=F200mm，药量埘w=0.5kg，通过试验找出能使工件进入塑性状态的最大药位h=150ram。因此，对各种不同情况采用下列不同的药位：

  校大“鼻子”时：h取50mm；

  校大包时：h取’70mm；

  校小包时：h取100mm；

  校微包时：h取120mm；

  用以光顺时：h取150mm。

7小结

    (1)在试制球形封头时，打破了爆炸拉深惯用锥形药包的框框，用平面药包取而代之。这不仅改善了产品线形，减少了成型次数，而且使砂耗量显著降低。

    在试制大型椭圆封头时，采用了分段法，从而在无模拉深的基础上产生了无模胀形工艺。现在看来，无模胀形不仅能解决椭圆封头的壁部成型问题，而且完全可以推广到其他类似的胀形件。

    局部成型是在为提高无模成型产品尺寸精度的实践中产生的。这种方法今后可用于某些船体壳板的校型。

    (2)无模成型是从有模成型发展起来的，它对某些大型封头是有效的，但不是什么产品都可以用无模成型。比如说，形状复杂、精度高、相对厚度小的产品就不适合用无模成型。但是，如果把无模成型的经验，反过来推广到有模成型中去，加强对有模成型药包参数的研究，起码能提高模具寿命或减轻模具重量。

    (3)从常规冲压到爆炸成型，突破了大型冲压设备的限制；在爆炸成型中，从有模成型到无模成型，突破了大型模具的限制；在无模成型出现后，对球形封头来说，又从最初的七炮成型到现在的一炮成型。