Высокоскоростные взрывные молоты

Вещества или смеси, в которых при внезапном нарушении равновесия бурно протекают химические реакции с выделением больших количеств тепловой энергии и газообразных продуктов, называются взрывчатыми а процесс изменения их состояния в ходе реакции - взрывом. Огромный внутренний потенциал взрывчатых веществ или смесей можно использовать для обработки металлов давлением, если выделяющуюся при взрыве энергию направить на совершение полезной работы в соответствующей термомеханической системе.

От конструктивного оформления системы и способа взрыва зависит, будет ли это только устройство или кузнечная машина. В первом случае энергия взрыва передается обрабатываемому металлу в виде энергии упругих ударных волн через рабочее тело (жидкость или воздух) или при непосредственном контакте продуктов взрыва с металлом. Это так называемые импульсные устройства для штамповки взрывом. Во втором случае взрыв производится в обычной термомеханической системе. Энергия взрыва воспринимается в форме работы расширения газообразных продуктов. Поскольку стенки цилиндра и его крышка не изменяют своих размеров, работа расширения преобразуется в кинетическую энергию подвижных частей системы - бойка, поршня, плунжера, траверсы и т. п. Концентрация энергии очень высока, поэтому подвижные части разгоняются до больших скоростей и при ударе совершают заданное формоизменение металла.

Чтобы ударный импульс не воздействовал на фундамент и грунт, рама машины с закрепленным на ней цилиндром в процессе разгона подвижных частей также должна приобрести некоторую скорость. В результате, как и у высокоскоростных газовых молотов, удар будет погашен в системе двух столкнувшихся масс с почти равным количеством движения.

Машины, для привода которых используются взрывчатые вещества или смеси, были созданы сравнительно недавно. У них до сих пор много различных названий: импульсные машины, взрывные копры, пресс-пушки и др. Наиболее правильно их назвать высокоскоростными взрывными молотами, подчеркивая тем самым принадлежность к определенному классу кузнечных машин с определенным принципом действия.

Во взрывных молотах применяют энергоносители двух видов: метательные взрывчатые вещества и горючие смеси.

Метательные взрывчатые вещества создают на базе нитроцеллюлозы и обычно называют порохами. Порох хорошо горит с относительно невысокой скоростью перемещения фронта реакции от поверхности в глубь заряда - от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду. Контролируемость скорости горения - очень важное качество пороха, благодаря которому обеспечивается высокая точность метания снарядов, ракет или подвижных частей взрывных молотов.

с общим объемом от 940 до 1060 см на 1 г твердого вещества. Поскольку камера термомеханической системы, где производится сжигание пороха, замкнута, резкое увеличение удельного объема энергоносителя при распаде твердого пороха на газы, разогревающиеся вследствие экзотермического характера реакции, приводит к образованию высокого давления.

В качестве энергоносителя во взрывных молотах применяют также смеси высококалорийного топлива, например бензина, или горючих газов с атмосферным воздухом. Сгорание подобных смесей происходит с достаточно высокой скоростью, чтобы вызвать мгновенное повышение давления во взрывной камере, где они были подожжены. Последующее интенсивное расширение продуктов горения в цилиндре термомеханической системы вызывает метательный характер движения подвижных частей машины.

Нормальное давление газа составляет 0,3...0,5 МПа, но сжатый воздух подается в камеру под давлением до 5 МПа, поэтому максимальное давление при взрыве достигает 20...35 МПа.

Максимальное давление, развиваемое газовоздушными смесями взрывных молотов, рассчитывают по формуле

Эффективная работа системы, преобразуемая в кинетическую энергию подвижных частей, меньше располагаемой в связи с механическими и газовыми потерями. КПД, учитывающий эти потери, составляет 0,8...0,9.

На рис. 19.6, а показана схема импульсной машины для обработки взрывом. Машина выполнена в горизонтальном варианте без несущей станины. Вместо последней имеется балочное основание 7, на котором на катках 2 установлена подвижная рама. Рама составлена из массивной левой поперечины 3 и правой головки, стянутых колоннами 4. На поперечине 6 головки укреплен цилиндр 7 с глушителем 8 и взрывной камерой 10. Шток 9 цилиндра крепится к траверсе 5, образуя вместе с ней подвижные части машины.

Природный газ и сжатый воздух подаются во взрывную камеру 1 (рис. 19.6, б). В начале цикла наполнения электроклапан 5 открыт и газ впускается в камеру до тех пор, пока давление в ней не достигнет заданного. Тогда срабатывает реле давления 4 и клапан закрывается. Тотчас открывается аналогичный клапан 6 на впуск сжатого воздуха. Когда давление смеси повысится до требуемого уровня, клапан 6 закрывается от реле давления 7. Машина готова к пуску. Горючая смесь в камере поджигается при помощи запальной авиационной или автотракторной свечи 2. Как и во всякой газовой системе, впускные магистрали блокируются обратными клапанами 3.

После взрыва смеси подвижные части разгоняются до скоростей 20...80 м/с в зависимости от условий деформирования обрабатываемого металла и требований к машине. (Скорость движения и, следовательно, эффективная энергия удара регулируется изменением давления газа и сжатого воздуха, т. е. соответствующей перенастройкой реле давлений.) Взрывной импульс, действуя на крышку камеры цилиндра, вызывает откат рамы навстречу подвижным частям. Следует двусторонний удар по обрабатываемому металлу, и энергия движения гасится в системе машины. Поскольку сцепление рамы с балками основания благодаря каткам минимально, вибрационное воздействие удара на фундамент почти не ощущается.

Давление в камере сбрасывается автоматически, так как шток перед подходом к крайнему левому положению открывает выхлопные окна в цилиндре (см. рис. 19.6, а). В результате отработавшие газы уходят в глушитель и затем отсасываются вентиляцией.

В исходное положение подвижные части возвращаются плунжерами боковых гидроцилиндров, установленных на левой поперечине. Для извлечения изделия в машине должен быть гидровыталкиватель. В связи с высоким начальным давлением энергоносителя в конструкции машины предусмотрены фиксаторы, удерживающие подвижные части в крайнем правом положении.

Если в качестве энергоносителя использовать порох, то при сохранении общей компоновки машины необходимо внести изменения в устройство цилиндра термомеханической системы. В этом случае цилиндром обычно служит срезанный ствол подходящего по калибру артиллерийского орудия после удаления лейнера и расточки внутреннего отверстия. На казенную часть ствола навинчивается камера сгорания (взрывная камера). В направляющую часть камеры закладывается патрон. Поджигают порох двумя способами: при помощи ударного механизма, боек которого ударяет по пистону, и при помощи запальной свечи с нагревом проволоки, проходящей через массу пороха в патроне.

Компактность пороха как энергоносителя и атмосферное давление в камере сгорания перед пуском машины - очень важные преимущества. Однако порох чувствителен к влаге, требует специальных условий для хранения и учета расходования. Поскольку природный газ имеется почти повсюду в промышленности, в настоящее время перспективы внедрения взрывных молотов связаны именно с этим видом энергоносителя, а также с бензино- и керосиновоздушными горючими смесями.

Пороховые машины остаются очень удобным видом оборудования для лабораторных исследований высокоскоростных методов штамповки.