1.1INTRODUCERE

Deformarea plastică este o metodă de prelucrare prin care, în scopul obţinerii unor piese finite sau semifabricate, se realizează deformarea permanentă a materialelor în stare solidă (la cald sau la rece) fară fisurare micro sau macroscopica.

Avantaje

-proprietăţi mecanice îmbunătăţite datorită unei structuri omogene şi mai dense ;

-consum minim de materiale;

-precizie mare de prelucrare (mai ales la deformare plastică la rece);

-posibilitatea obţinerii unor forme complexe cu un număr minim de operaţii şi manoperă redusă;

-posibilitate de automatizare (linii de automatizare + celule flexibile de fabricaţie );

Dezavantaje

-investiţii iniţiale mari în ceea ce privesc utilajele folosite;

-necesitatea unor forţe mari pentru deformare;

După temperatura la care are loc deformarea distingem :

- deformare plastică la cald; - deformare plastică la rece;

Deformarea se consideră plastică dacăeforturile unitare datorate forţelor de prelucrare tehnologică sunt peste limita de curgere convenţională (efortul unitar căruia îi corespunde o deformare remanentă de 0,2% ).

Printre procedeele speciale, aşa-zis "neconvenţionale" de deformareplastică la rece, tehnica undei de şoc (sau a impulsurilor de mare viteză,

purtătoare de mari energii ) a deschis noi perspective, atât prin diversele eivariante tehnologice cât şi prin gama din ce în ce mai largă a utilizărilorposibile.Ideile de bază ale acestor procedee nu sunt noi prin ele însele. Îndomeniul deformării prin explozie, de exemplu, primele patente obţinute înAnglia şi S.U.A. datează din 1897 şi 1901, fără ca aceasta să fi dus atunci laprea multe aplicaţii practice. Începuturile deformării prin explozie pot filocalizate în perioada celui de-al doilea război mondial. Ulterior,dezvoltarea rapidă a construcţiei de avioane, a tehnicii destinate rachetelorşi zborurilor spaţiale au impus folosirea acestor procedee, ca urmare aapariţiei unor materiale metalice şi nemetalice, de mare rezistenţă mecanicăşi termică, din care trebuiau obţinute piese de dimensiuni mari şi cugeometrie coplexă. Pe lângă acestea, era necesară realizarea unor serii micisau chiar unicate, ceea ce făcea complet neproductivă folosirea utilajelortradiţionale.

Pe lângă deformarea prin explozie, o bună implementare în industrieşi-au găsit şi următoarele procedeee: deformarea cu impulsuri magnetice(magneto-dinamică), deformarea cu electrohidroimpulsuri ( explozieelectrohidraulică )şi deformarea pneumo-mecanică. Ca o alternativă ladeformarea prin explozie se utilizează şi energia detonării amestecurilor degaze combustibile.

Atât procedeele enumerate mai sus, cât şi altele care sunt în faza deexperimentare în laborator, nu le înlocuiesc pe cele tradiţionale, ci lecompletează. Fiecare dintre aceste procedee îşi găseşte o bună motivaţietehnologică şi economică pentru anumite operaţii de presare şi pentruanumite tipuri de piese, extinzând mult domeniul utilizării prelucrărilor prin

deformare la rece. - Deformarea prin explozie. S-a impus şi s-a răspândit după cel de-al

doilea război mondial, în special în ultimii 35 de ani. Ţinând cont de naturaexplozivului şi de durata undei de şoc dezvoltate, se disting trei metode dedeformare : cu explozivi violenţi ( brizanţi ), cu explozivi lenţi ( propulsori )şi, ca variantă tehnică, prin detonarea unui amestec de gaze combustibile.

Principalele caracteristici generale ale acestei metode suntprezentate sumar în tabelul 1.1.

TABELUL 1.1.

Procedeul de deformare

Deformare prin explozie Violentă

Lentă Fară contact Cu contact

Aplicaţii uzuale

Ambutisare adâncă Placare Răsfrângere Lărgire Calibrare Tăiere Sinterizare

Ambutisare adâncăTăiere Placare Sinterizare

Ambutisare Calibrare Răsfrângere Placare Sinterizare

Dimensiuni limita(m) 5 Fărălimite 2Viteza undei de şoc (m/s) 1200-7500 1200-7500 300-2400 Durata undei s s ms Energia uzual

6000/1 Kg Substanţă

6000/1 Kg Substanţă Mică

eliberată (KJ) explozivă explozivă Avantaj principal

Realizarea pieselor mari

Realizarea pieselor mari

Realizarea pieselor complexe

Consum energetic

Mare Mare Mare

Costul utilajului

Mic Mic Mic

Costul sculelor Mic Foarte mic MediuProductivitatea(piese/oră)

4 4 2-12

DEFORMAREA PRIN EXPLOZIE

1.2. Consideraţii generale

În acest caz, energia necesară deformării poate fi produsă fie prindetonaţie cu ajutorul explozivilor violenţi ( brizanţi ), fie prin deflagraţiaunor medii de ardere ( încărcături cu viteză de detonare lentă ). În primavariantă avem o deformare cu presiune ridicată iar în a doua, cu presiunejoasă. Variaţia presiunii în funcţie de timp pentru cele două cazuri esteprezentată în figura 2.1.

Oricum, viteza de descompunere (dezintegrare) a unei încărcăturidetonante se poate regla prin combinaţii de substanţe aparţinând celor douăgrupe. Din acest motiv, în literatura americană se utilizează termenii "low -explosives" şi "high - explosives" (explozive joase sau moderate şi puternicexplozive). Aceşti termeni se pot considera ca echivalenţi ai termenilor de"explozivi brizanţi" şi "încărcături lente propulsoare (sau pulberi balistice)", întâlniţi în literatura românească de specialitate.Parametrul principal în definirea celor două grupe este viteza liniarăcu care se propagă transformarea explozivă, sau cu alte cuvinte, timpul încare are loc degajarea energiei chimice înmagazinate în substanţaexplozivă.Astfel, trebuie făcută diferenţa între cele două moduri detransformare explozivă: detonaţie şi deflagraţie:

Fenomenul de transformare chimică a substanţei explozive, cuviteze de ordinul mm/s sau al câtorva zeci de m/s, poartă denumirea dedeflagraţie.În plus, termenul de deflagraţie desemnează procesultransformării explozive în spaţiu închis, în timp ce un alt termen, cel decombustie, fiind întrebuinţat pentru a desemna procesul arderii pulberilor înaer liber.

Viteza de deflagraţie este mai mică decât viteza sunetului în masaexplozivului.

În cazul în care viteza de transformare atinge valori cuprinse între sute şi mii de m/s (de regulă 2000...9000 m/s), explozia poartă denumirea de detonaţie. Viteza procesului de transformare explozivă estemai mare decât viteza sunetului în masa explozivului.Este însă de reţinut că aproape toţi explozivii pot suferi atâttransformări de tip detonaţie, cât şi deflagraţii, funcţie de condiţiile concretede transformare şi de densitatea de încărcare. Exemplul tipic estereprezentat de nitroceluloză, care se utilizează atât ca pulbere balistică, câtşi ca exploziv brizant.Încărcăturile propulsoare se caracterizează prin aceea că lucrulmecanic de deformare este efectuat de volumul mare de gaz rezultat ladetonare. În cazul explozivilor brizanţi, energia de deformare este transmisăprin intermediul unei unde de şoc, acest caz apropiindu-se cel mai mult decaracteristicile deformării cu puteri şi viteze mari.

În ceea ce priveşte substanţele explozive, gama compoziţiilorchimice ale acestora este foarte largă. Începând cu primul exploziv cunoscut, pulberea neagră (sau pulberea cu fum, fabricată din salpetru, sulf şi cărbune), creşterea numărului de explozivi descoperiţi a fost aproape exponenţială. Majoritatea substanţelor explozive sunt derivaţi ai acidului azotic, rezultând din tratarea celulozei şi a unor compuşi organici ( înspecial aromatici ), cu acid azotic şi acid sulfuric. Din grupa explozivilor brizanţi se pot aminti: explozivul plastic,caracterizat de o viteză de detonare de 7500 m/s, densitate de 1,5 kg/dm3,energie eliberată 1300 kcal / kg şi presiune de 140 kbar, dinamita, pentrita,nitropentanul, hexogenul ( cunoscut şi sub denumirea de RDX, Ciclonit sau

T4 ), trotilul (trinitrotoluenul TNT sau tolita ), haleita (sau EDNA), melinita(acidul picric), explozivii de tip PETN, PTX (hexogen + trotil + tetril), BDX(azotat de amoniu + hexogen + trotil + aluminiu), pentolit (pentrită + trotil),tetril, trolit, tetritol (tetril + trotil), ciclotol (hexogen + trotil), C3, Primacord, Detasheet, tritonal (trotil + aluminiu), torpex (hexogen + trotil + aluminiu), ednatol (haleită + trotil), etc.

Aceştia se prezintă sub formă de pulberi, cu densităţi de 0,6...1,0g/cm3, gelatine (de exemplu, nitroglicerina gelatinizată ) cu densităţi înjurul valorii de 1,6 g/cm3 sau solizi ( blocuri presate, cartuşe ) cu densităţide 0,7...1,8 g/cm3. Încărcăturilor explozive li se pot da forme convenabile,în funcţie de forma piesei ce urmează a fi realizată şi de necesitatea uneiorientări favorabile a undei de presiune. Astfel, forma frontului undei de şocrezultată în urma detonării poate fi plană, sferică, cilindrică sau în fascicule,funcţie de forma iniţială a încărcăturii explozive. Dintre explozivii cu viteză de detonare lentă se pot aminti: NobelitB, cu viteză de detonare 2000 m/s şi presiune de 20 kbar; Astrolit ( 1600 m/s, 5,6 kbar ); Carbonit ( 1500 m/s, 4,5 kbar ); pulberea de nitroceluloză(pulberea fără fum); nitroguanidina, etc. Substanţele amintite au puţine calorii şi volum mare de gaz rezultat după detonare, acesta din urmă efectuând, după cum s-a mai amintit, lucrul mecanic de deformare.În concluzie, în timp ce la explozivii lenţi apar viteze de detonare de la câteva sute de m/s până la circa 3000 m/s şi presiuni între 750...2200MPa, la explozivii brizanţi vitezele sunt cuprinse între 3500...8300 m/s,presiunea atingând 50000 MPa. Presiunea aproximativă dezvoltată de undade şoc pe semifabricat este de 7000...10000 MPa, viteza de deformaţie asemifabricatului fiind de peste 70...100 m/s.

Există, la ora actuală, două modalităţi de prelucrare prin explozie.

Prima modalitate este cea cu contact direct între semifabricat şi exploziv,deformarea având loc în câteva s. Mărimea presiunilor şi duratelor deacţiune a impulsurilor de presiune depinde de sistemul metal - exploziv şi degeometria acestuia. Principalele utilizări sunt la operaţiile de placare şisudare. A doua modalitate de prelucrare este deformarea prin explozie la distanţă, caracterizată prin lipsa contactului direct între semifabricat şi exploziv, energia propagându-se printr-un mediu de transfer ( mediu gazos - aer; mediu lichid - apă; mediu solid, pulverulent - nisip ), sub forma impulsurilor de presiune, deformarea fiind produsă în primul rând de acţiunea acestor impulsuri. Acesta este cazul cel mai întâlnit în aplicaţiile industriale, mediul de transmitere cel mai frecvent utilizat fiind apa. Procedeul se adoptă pentru ambutisarea pieselor foarte mari, de diferite forme, în producţia de unicate sau de serie mică ( piese din industria aerospaţială, funduri de recipienţi din oţel carbon, oţel aliat sau aliaje special utilizate în industria chimică).

2.2. Deformarea prin explozie în aer

La instalaţiile care utilizează aerul ca mediu de transmitere a undeide şoc (fig.2.2), valoarea impulsului primit de semifabricat este mai micădecât în cazul utilizării materialelor pulverulente sau a apei. Aceasta sedatorează faptului că viteza undei de şoc în aer este mai mare (fig.2.3), darpresiunea acesteia scade mai repede cu distanţa (fig.2.4). Pentru mărireaefectului exploziei în aer, se poate utiliza un reflector de undă, cu formăspecifică, aşa cum se vede în figura 2.5. În acest fel, unda de şoc formată ca urmare a exploziei este reflectatăîn direcţia semifabricatului, mărind efectul acesteia. Folosirea reflectoarelor de undă este însă relativ greu de aplicat, necesitând o constructive suplimentară pentru reflector (a cărui

formă optima este, deasemenea, greu de asigurat ).

Astfel,această soluţie este deseori nejustificată din punct de vedere economic, mai ales că neajunsurile procedeului pot fi înlăturate ( sau cel puţin ameliorate ) prin utilizarea unui alt mediu de transmitere a presiunii. Aşa cum se observăşi în cele două figuri de mai sus, deformarea se face în spaţiu deschis, aşezând deasupra semifabricatului, la distanţaR, o încărcăturăde exploziv de masăG. Forţa teoretică a explozivului se calculeazăcu o relaţie (dupăBerthelot) de forma:

f=p0 ∙V 0 ∙T e

273,16[Nm /Kg ](2.1)

în care: p0– presiunea atmosferică, în N/m2; V 0– volumul specific al gazelor rezultate, la temperatura de 0°C şi 760 mm Hg, în m3

/kg. În tabelul 2.1 sunt date volumele specifice ale unor substanţe explozive, pentru valorile indicate ale densităţii . Te

- temperatura de explozie ( Te = 273 + t 0°C ), în grade Kelvin K;t 0- temperatura de explozie, în °C.

Această mărime exprimă lucrul mecanic pe care l-ar putea produce 1 kg de exploziv, prin dilatarea la presiune atmosferică a gazelor produse, atunci când acestea sunt încălzite de la 0°K la Te °K.

TABELUL 2.1.

Exploziv (g/cm3) V 0(m3/Kg)

Trotil 1,5 0,75 0,85 0,87

Hexogen 1,5 0,89 0,95 0,95

Ciclotol 50/50 (trotil+hexogen)

1,68 0,80 0,9 0,90

Acid picric 1,5 0,75 1,0 0,84

Tetril 1,55 0,84 1,0 0,84

Pentrită 1,65 0,79 0,85 0,79

Nitroglicerină 1,6 0,69Volumul specific poate varia pentru acelaşi exploziv în funcţie de ecuaţia de descompunere a explozivului respectiv.

În ceea ce priveşte temperatura de explozie, ea reprezintă temperature maximă la care sunt încălzite produsele rezultate în urma transformării explozive, pe baza călduriidegajate în timpul exploziei.Asupra acestei temperaturi de explozie, suntnecesare câteva precizări suplimentare. Astfel, după cum seştie, energia unei reacţii este o funcţie de ecuaţia chimică ce

reprezintă reacţia respectivă. În cazul unei reacţii explozive, condiţiile diferite în care aceasta se amorsează şi se desfăşoară pot conduce la variaţii considerabile ale ecuaţiei chimice. În consecinţă, temperatura produselor de explozie, care este în strânsă legătură cu energia de reacţie, nu va fi aceeaşi pentru diversele ecuaţii ale exploziei. Rezultă deci că nu se poate vorbi riguros de temperatura de explozie aunui exploziv dat decât dacă ecuaţia descompunerii sale explozive este totdeauna aceeaşi şi bine definită. În aceste condiţii, temperatura de explozie este ocaracteristică a unei descompuneri explozive date şi nu a unui exploziv. Practic, atunci când se vorbeşte de temperatura de explozie a unui anumit exploziv se înţelege temperaturacare se referă la ecuaţia de transformarecea mai uzuală.În tabelul 2.2 sunt date temperaturile de exploziepentru câţiva explozivi uzuali.

TABELUL 2.2.

Exploziv Temperatura de explozie [°C]

Acid picric 3540 Tetril 3530 Fulminat de mercur

3530

Hexogen 3930 Dinitroglicol 3980 Trotil 3260 Pentrită 3930 Nitroglicerină 3730 Nitroglicol 4130

Brizanţa sau posibilitatea de distrugere aexplozivului, după Berger şi Viard (1962), se calculează cu o relaţie de forma:

B=f ∙w0 ∙10−6(2.2)

în care: f - forţa explozivului, în Nm/Kg;w0- viteza de detonaţie a explozivului, în m/s.În tabelul 2.3 sunt date câteva valori ale brizanţei unor explozivi, calculate cu relaţia (2.2).

TABELUL 2.3. Exploziv Brizanţa Acid picric 61 Trotil 57,1 Tetril 79,3 Pentitră 83 Hexogen 99,8

Dacă se aproximează densitatea de încărcare cu densitatea explozivului, brizanţa mai poate fi exprimată şi prin relaţia:

B=∙ f ∙w0(2.3)

în care : - densitatea de încărcare (asimilată densităţii explozivului), în kg/dm3; w0- viteza de detonaţie a explozivului, în m/s.

În tabelul 2.4 sunt indicate brizanţelor unor explozivi, calculate dupărelaţia (2.3).

TABELUL 2.4.

Exploziv BrizanţaTrotil 86

Hexogen 188Pentrită 193

Tetryl 116Acid picric 107

Nitroglicerină 77Fulminat de mercur 128

Un alt parametru caracteristic, presiunea deexplozie, poate fi calculate cu relaţia:p=n ∙R ∙T e ∙

MV

(2.4)

în care: n - numărul de moli de produse gazoase, rezultate din descompunerea unui mol sau a unităţii de greutate de exploziv;R - constanta gazelor;M - masa încărcăturii explozive;V - volumul în care se destind produsele de explozie.Raportul M / V poartă denumirea de densitate de încărcare şi se notează cu . Cum produsul nRTe poate fi asimilat cu forţa explozivului, relaţia (2.4) poate fi scrisă sub forma:

P=f ∙ (2.5)

Relaţia de mai sus se aplică la densităţi de încărcare mici, când produsele de explozie pot fi considerate gaze ideale.Este evident că în construcţia matriţei se va ţine seama de necesitatea evacuării aerului din spaţiul dintre matriţă şi semifabricat, pentru a se evita astfel o contrapresiune şi comprimarea adiabatică, respective încălzirea aerului existent în acest volum închis. În acest scop, se practică în matriţă orificii de evacuare a aerului, cu o anumită dispunere spaţială, recurgându-se în multe cazuri şi la vidarea spaţiului respectiv. În timpul exploziei pot fi antrenate spre semifabricat particule solide, ceea ce poate duce la zgârierea sau chiar ruperea materialului prelucrat. Acest fenomen apare ca urmare a zonelor specifice de acţiune ale produselor de explozie şi ale undei de şoc.Astfel, în apropierea epicentrului exploziei, frontul de împrăştiere a produselor de explozie se suprapune peste frontul undei de şoc, deoarece ele se deplasează aproximativ cu aceeaşi viteză (zona 1, fig.2.6).Densitatea produselor de explozie din această zonă este însă cu mult mai mare (de circa 20 ori) decât greutatea specifică a aerului în frontal undei de

şoc. Din acest motiv, în imediata apropiere a încărcăturii, acţiunea dinamică a produselor de explozie întrece cu mult acţiunea undei de şoc.

Această situaţie se menţine până când unda de şoc, datorită vitezei sale mai mari, se desprinde de produsele de explozie. Conform datelor experimentale, desprinderea undei de şoc se produce la o distanţă egală cu (7 ÷14) ⋅r0, unde r0

reprezintă raza încărcăturii din epicentrulexploziei. La distanţe cuprinse între (14 ÷20) ⋅r0, produsele de explozie şi unda de şoc au o acţiune aproximativ egală (zona 2, fig.2.6). La distanţe maimari de 20⋅r0, efectul de deformare este determinat numai de acţiunea undei de şoc (zona 3, fig.2.6). În aceste condiţii, protecţia suprafeţei tablei se poate face prin acoperire cu hârtie, carton, cauciuc, folie de plastic, etc. La detonarea în aer se obţin presiuni de detonaţie de 20000 MPa, ajungând la semifabricat la aproximativ 7000 MPa, cu viteze de peste 70 m/s. Această energie de valori deosebite este capabilă să producă deformarea în condiţii excelente a unor semifabricate

foarte greu deformabile, cu dimensiuni foarte mari ( grosimi peste 25 mm, diametre până la 10 m).

2.3. Deformarea prin explozie în apă

Mediul lichid de transmitere aenergiei undei de şoc prezintă cel maimare interes practic. Fiind mai dens şiomogen, el asigură o mai bunătransmitere a energiei la semifabricat şi, ca o primă consecinţă, aceeaşi deformaţie se va obţine cu o cantitate de exploziv mai mică decât la deformarea în aer. Calitatea pieselor obţinute este mai bună, deoarece presiunea undei de şoc se repartizează mult mai uniform pe suprafaţa semifabricatului aflată în contact cu lichidul. În consecinţă, grosimea pereţilor piesei obţinute nu se modifică substanţial.Deasemenea, lichidul împiedică răspândirea particulelor solide proiectate în timpul exploziei şi, prin aceasta, protejează suprafaţa piesei împotriva unor eventuale deteriorări.Cel mai ieftin şi mai răspândit lichid la detonarea explozivilor violenţi este apa. Instalaţiile de ambutisare prin explozie în apă se pot construi suprateran (fig.2.7) sau subteran, în bazine de beton(fig.2.8).

După cum se observă, pereţii bazinelor subterane sunt protejaţi prin ecrane cu bule de aer, care amortizează undele de şoc.Pe fundul bazinelor, în apropierea pereţilor, sunt aşezate tuburi perforate alimentate cu aer comprimat, alimentare care începe cu puţin înaintea exploziei. Bulele constituie o perdea elastică care protejează pereţii. Fără aceste precauţii, pereţii se pot distruge foarte rapid. Bazinele metal-beton astfel protejate pot avea o durată de viaţăde minim 30 luni. Cadenţa de lucru este aproximativ o piesă pe oră, însă cu dispozitive suplimentare se poate ajunge şi până la formarea a 4...5 piese pe oră.

Pentru presiuni mari şi pentru serii medii de producţie, matriţele se fac din oţel sau fontă. În cazul unor piese foarte mari se utilizează cu rezultate foarte bune matriţele din beton armat, cu suprafaţă căptuşită cu răşini epoxidice. Deasemenea, matriţele se pot executa din lemn, răşini epoxidice, beton căptuşit cu material plastic sau chiar din gheaţă. Această ultimă variantă se bazează pe faptul că viteza de deformaţie este mai mare decât viteza de sfărâmare a matriţei. În ultimul timp au căpătat o largă răspândire matriţele din metale uşor fuzibile. Pentru a elimina neajunsurile bazinelor îngropate în sol ( legate de imposibilitatea automatizării procesului şi de distrugerea atât a bazinului cât şi a oricăror instalaţii aflate lângă matriţă), au apărut instalaţiile denumite "gropiblindate" (fig.2.9).

Groapa blindată, cu diametrul de 6...8 m, are o adâncime de 3...5 m.Explozibilul se detonează în bazine (incinte) de o singură utilizare. Aceastăincintă se distruge în timpul detonării, apa fiind aruncată prin cameră,

scurgându-se apoi în canalizare. Camera ( groapa blindată ) se asigură cu oventilaţie puternică. La acest tip de instalaţii, accesul la piesă se face mult mai uşor, iar unda de şoc care se transmite prin aer este mai puţin intensă decât cea care se transmite prin apă, astfel încât eventualele instalaţii din apropiereamatriţei (mecanism hidraulic de ridicare pentru transportul instalaţiilor destrângere, dispozitive de blocare pentru închiderea plăcii de reţinere,manipulatoare pentru aşezarea semifabricatului şi scoaterea piesei finite,etc.) nu vor fi distruse.

Instalaţiile supraterane, în formă de rezervormetalic (fig.2.7), se utilizează mai rar la operaţii de ambutisare. Aceste instalaţii sunt specifice

executării operaţiilor de fasonare, pentru care este necesar un volum redus de apă. Pe un principiu puţin diferit se bazează aşazisa metodă de deformare prin explozie cuaruncarea agentului de transmitere. La acesta, atât energia undei de şoc cât şi energia produselorde explozie care se dilată este cedată mediului de transmitere, acesta din urmă fiind accelerat până la o anumită viteză. Schema de principiu a acestei metode esteprezentată în figura 2.10. Coloana agentului de transmitere care loveşte semifabricatul este de fapt un amestec eterogen deapă, aer şi produse de explozie, putându-se delimita trei zone: nucleul coloanei, format din masă omogenă de apă; zona primară, conţinând apăpulverizată fin în aer; zona finală, compusă dintr-un amestec de produse deexplozie cu apă.

În funcţie de raportul dintre masa apei şi masa încărcăturii, precumşi în funcţie de mărimea spaţiului de aer ( zona de mişcare ), compoziţia coloanei în mişcare şi greutatea specifică a fiecărei zone pot fi diferite. Este de remarcat faptul că proporţia dintre aer şi produsele de explozie reprezintă practic ( 0,5 + 0,05 )% din întregul agent de transmitere. Cercetările experimentale făcute la ambutisarea calotelor sferice, pornind de la un semifabricat plan din alamă, cu diametrul mm şi grosimea 1 mm, cu inel de reţinere, au arătat că pentru aceeaşi încărcătură explozivă, randamentul de utilizare a energiei chimice a explozivului este de 42% în cazul aruncării agentului de transmitere şi de 6% în cazul utilizării bazinului de unică folosinţă.

2.5. Probleme tehnologice la deformarea prin explozie în apă

Eşalonarea în timp a fenomenelor implicate în deformarea prinexplozie în apă se poate rezuma conform schemei din figura 2.11. Se consideră că unda de şoc care loveşte semifabricatul este factorul determinant care duce la deformare, în timp ce unda de presiune provocată de bula de gaz are un rol secundar. Timpul de deformare este de ordinal milisecundelor, unda de şoc propagându-se în lichid cu viteze de 1000...8000 m/s.

În figura 2.12este reprezentată variaţia formei frontului undei de şoc, precum şi variaţiile presiunii şi ale vitezei undei, în cazul unei încărcături detonante de formă sferică. Transformarea substanţei detonante din stare solidă în stare gazoasă se face la o viteză de detonare de aproximativ 8000 m/s, în câteva microsecunde. Deoarece apa acţionează ca masă inertă, la suprafaţa decontact dintre gaz şi apă ia naştere un front de presiune. Înainte ca bula de gaz să înceapă să se dilate, prin apă se propagă în toate direcţiile o undă de şoc de formă sferică. Evident, în dreptul frontului de detonare, presiunea undei de şoc este egală cu presiunea bulei de gaz obţinută prin explozie.

La propagarea în continuare a undei de şoc, presiunea scade rapid,aşa cum se observă şi în diagrama din figura 2.12. În apropierea zonei de detonare, gradientul de atenuare a undei de şoc este mult mai mare decât celdin zonele mai depărtate, unde presiunea se stinge mult mai lent.

Ca urmare a exploziei, în lichid se formează o bulă de gaz care creşte până la o dimensiune maximă, apoi se sparge producând un alt efect, dar de natură oscilatorie. Fiecare oscilaţie produce un nou impuls de presiune, dar cu o amplitudine mult mai mică decât a impulsului iniţial. Raţionamentul făcut de Cole referitor la acest fenomen este următorul: expansiunea bulei are loc într-un timp relativ lung, presiunea gazelor din interiorul bulei scade progresiv, dar mişcarea continuă ca urmare a inerţiei apei în mişcare. Presiunea gazelor scade sub valoarea care corespunde echilibrului hidrostatic, ceea ce duce la o întrerupere a expansiunii şi bula începe atunci să se contracte. Această mişcare inversă continuă până când compresibilitatea limitată a gazelor devine o frână şi, la rândul ei, inversează din nou mişcarea. Ca urmare, bulaeste supusă unor expansiuni şi contracţii repetate, rezultând astfel un sistem oscilant. Raza bulei scade cu fiecare oscilaţie.

Numărul de oscilaţii poate atinge 10 şi chiar mai mult, fiind limitatde pierderile de energie prin radiaţie sau turbulenţă sau ca urmare a perturbaţiilor creeate de gravitaţie şi de suprafeţele limită (în special de suprafaţa liberă şi de fundul bazinului). Oscilaţiile continuă până ce bula, urcând, despică suprafaţa apei cu o violenţă ce depinde de masa încărcăturiişi de adâncimea de imersare a acesteia.

Astfel, presiunea dezvoltată pe semifabricat are o variaţie în funcţie de timp conform diagramei din figura 2.13.

Presiunea dintr-un punct oarecare din interiorul lichidului, situate la o anumită distanţă de locul exploziei, se poate determina ca o funcţie de timp cu o relaţie de forma:

p=pm ∙ e−tθ

unde: pm– amplitudinea maximă a presiunii; t - timpul în care unda de şoc ajunge în punctual considerat; – constantă caracteristică care depinde de mărimea încărcăturii, tipul

explozibilului, etc. şi reprezintă de fapt timpul în care amplitudinea presiunii ajunge la 1/e din amplitudinea ei maximă.

În figura 2.14 a fost reprezentată dependenţa dintre amplitudineapresiunii şi distanţa de la centru exploziei.

Dacă se notează cu R distanţa de la punctul considerat la centrul unei încărcături explozive de formă sferică, presiunea maximă a undei de şoc se poate determina cu o relaţie de forma:

pm=K ∙(G1 /3

R )α

[daN /cm2]

unde: G - masa încărcăturii, în kg;R - distanţa de la încărcătură la punctul considerat, în cm;

K, - constante care depind de tipul explozivului utilizat.Pentru exemplificare, în tabelul 2.5.sunt indicate valorile lui K şi pentru trei tipuri de substanţe explozive.

TABELUL 2.5.

Tipul substanţei

explozive K

TNT 21,6 1,13TETRYL 21,4 1,15

PENTOLIT 22,5 1,13

În cazul folosirii unei încărcături cilindrice sau tubulare, relaţia decalcul a presiunii maxime este:

pm=K ∙(G1 /2

R )α

[daN /cm2]

undeG este masa încărcăturii pe metru liniar de lungime, în kg/m.

De remarcat că în literatura de specialitate, pentru o eficienţă mai mare, sunt indicate nomograme pentru determinarea presiunii în funcţie de distanţa până la încărcătură şi de masa acesteia, pentru anumite tipuri de exploziv. Mărimea şi forma încărcăturii explozive este de mare importanţă pentru asigurarea unei anumite presiuni necesară pentru deformarea plastică a semifabricatului. Problema asigurării presiunii de deformare în acest caz sedeosebeşte de deformarea clasică, din cauza comportării diferite a metalelorla solicitarea prin şoc. Problema stabilirii mărimii optime a încărcăturii esterelativ greu de soluţionat, având în vedere atenuarea presiunii în mediul detransmitere, pe măsură ce semifabricatul intră în cavitatea matriţei.

Deasemenea, un alt criteriu de diferenţiere între deformarea convenţională şi procedeul de deformare cu undă

de şoc este modul de aplicare al forţei de deformare, cu totul diferit (fig.2.15). Schema simplificată a distribuţiei de presiune la solicitarea prin undă de şoc esteprezentată în figura 2.16.

După cum se observă, în timp ce la ambutisarea convenţionalăaplicarea forţei se face pe zone de suprafaţă continuu crescătoare, unda de şoc îşi oferă impulsul întregii suprafeţe a semifabricatului, astfel încât toate zonele piesei se deplasează concomitent, chiar dacă distribuţia de presiune pe suprafaţa semifabricatului este diferită de la un punct la altul. Aceasta are drept urmare o calitate a suprafeţei mai bună şi devieri mai mici de grosime ale pieselor deformate prin explozie.

Revenind la mărimea încărcăturii de material exploziv, în cazulutilizării trotilului detonat în apă, se recomandă ca mărimea încărcăturii să se calculeze cu relaţiile:•pentru încărcăturide formă sferică:

G=(w ∙g ∙ R1,8

K1∙ N )

0,8

(2.9)

•pentru încărcăturide formă liniară:

Q=(w ∙g ∙ R0,55

K 1∙ M)

0,8

(2.10)

în care: G - masa încărcăturii sferice, în kg;Q - masa încărcăturii liniare, în kg/m;w - lucrul mecanic necesar pentru deformare, raportat la unitatea desuprafaţă a semifabricatului, în Nm / cm2 ( eventual în kg⋅cm / cm2 );g - grosimea semifabricatului, în cm;K 1- coeficient ce ţine seama de proprietăţile acustice ale mediului şimaterialului de prelucrat (tab.2.6);

TABELUL 2.6.

Materialulpiesei

K1 N M

Aliaje dealuminiu 0,824 0,494∙10−6 79,9∙10−6

Aliaje de titan 0,813 0,792∙10−6 128∙10−6

Oţel 0,781 1,378∙10−6 222∙10−6

Lucrul mecanic dedeformaţie, raportat la unitatea de suprafaţă, se poate determina cu relaţia:

w=w1∙VA

(2.11)

unde: w1 - lucrul mecanic specific de deformare (raportat la unitatea de volum a materialului ), în N⋅m / cm3 sau kg⋅cm / cm3; A - aria porţiunii deformate a semifabricatului, în cm2; V - volumul materialului semifabricatului deformat, în cm3. Valoarea aproximativă a lucrului mecanic corespunzător unităţii de volum sau lucrul mecanic specific necesar deformării plastice a semifabricatului se determină cu relaţia:

w1=12

∙R c ∙❑r(2.12)

unde: Rc- limita de curgere a materialului, în daN/cm2;ε r- alungirea relativă la rupere a materialului semifabricatului.

În literatura de specialitate se mai indică o relaţie de calcul a lucrului

mecanic de deformare w, pentru ambutisarea pieselor sferice, de forma:

w= B1+α ( 4

3∙ s2

r 02 )

1+α

∙ π ∙r 02∙ g(2.13)

în care: s - adâncimea piesei ambutisate, în mm;r0-raza piesei deformate, în mm;g - grosimea materialului, în mm;α, B - coeficienţi funcţie de proprietăţile mecanice ale materialuluide prelucrat, indicaţi în literatura de specialitate.

Forma încărcăturii se stabileşte în funcţie de piesa ce urmează a fideformată. Atunci când forma piesei o cere, se pot utiliza mai multeîncărcături detonate simultan sau succesiv (fig.2.17). Deformarea în două etape este utilizată, înainte de toate, în cazul în care se doreşte o grosime a pereţilor cu totul simetrică. Pentru cazul prezentat în figura 2.17, se lucrează cu o încărcătură inelară a şi una sferică b, care sunt aprinse succesiv în timp. Încărcătura inelară produce semifabricatului d o predeformare e, iar cea sferică definitivează deformarea şi calibrarea piesei finite f pe matriţa c . După observaţiile făcute asupra rezultatelor obţinute la deformare, se recomandă pentru table încărcături plate iar la piesele care au deja unînceput de deformare, forma sferică. La piesele cilindrice se recomandă forma cilindrică (liniară).

La ambutisarea cu încărcături concentrate de formă sferică, distanţaR de la încărcătură la semifabricat se adoptă în funcţie de grosimea relativăg/Da semifabricatului, dependenţa dintre cele două fiind, evident, inversproporţională.În tabelul 2.7 se indică câteva valori recomandate în cazulutilizării trotilului.

TABELUL 2.7.

Grosimearelativă g/D

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Distanţa R 2D 1,3D 1,1D 0,9D 0,8DD-diametrul semifabricatului

Pentru a împiedica apariţiajeturilor de apă la suprafaţa apei, se pot monta plase la câţiva centimetri sub această suprafaţă. Acestea sparg bula de gaz care apare în timpul exploziei, uşurând ieşirea gazului în atmosferă fără ca acesta să mai antreneze şi particule de apă. Când nu se utilizează asemenea plase, pentru ca la suprafaţa apei sănu apară urmări majore ale exploziei, încărcătura se va amplasa la o adâncime suficient de mare:

h≥9 ∙G13 (2.14)

unde: h - distanţa de la suprafaţa apei la centrul încărcăturii, în m; G - masaîncărcăturii, în kg. În general însă, această valoare h depinde şi de putereaexplozivului.

La varianta cu aruncarea agentului de transmitere, impulsul depresiunep în frontul undei de şoc care se formează prin impactul coloaneide agent cu semifabricatul se detemină din legea conservării masei şi impulsului:

❑1 ∙ c1=∙ (c1−v ) (2.15)−¿1 ∙ c1 ∙ v=p1−p (2.16)¿

unde: , ❑1- densităţile agentului de transmitere în stare iniţială şi încoloană;c1- viteza de propagare a undei de şoc iniţiale în agentul detransmitere;v - viteza particulelor de lichid în momentul impactului;

p1=p1+c ; p=cundec este o constantă cu valoarea c =286,45 MPa în cazul apei. Rezolvarea relaţiilor (2.15) şi (2.16) împreună cu ecuaţia stării agentului de transmitere duce la determinarea raportului dintre presiunea undei de şoc creată la impact şi viteza de impact. Dificultatea rezolvării exacte a acestei probleme constă în faptul că ecuaţia de stare a agentului (acut neomogen, tricomponent şi cu o compoziţie instabilă a elementelor) este necunoscută. O rezolvare aproximativă poate fi obţinută prin utilizarea, în toate cazurile, a ecuaţiei de stare a componentei de bază a agentului de transmitere, apa:

❑1

❑ =( pp1 )

1n=( c1−v

c1)

2n−1 (2.17)

unden este o constantă care pentru apă are valoarea n = 7,31. Rezolvarea sistemului format de ecuaţiile (2.15), (2.16) şi (2.17) duce la următoarea relaţie de legătură dintre viteza de impact v a agentului de transmitere şi presiunea p1formată în acest caz:

v=√ p1

❑ ∙[1−( cp1+c )

1n ](2.18)

Viteza medie de deplasare a apei poate fi determinată din relaţiaenergiei cinetice totale a acesteia şi energia chimică a încărcăturii explozive. Consideraţiile de mai sus au fost făcute pentru momentul iniţial al impactului, când încă materialul nu a intrat în locaşul matriţei, deci pentru o placă rigidă, nedeformabilă. În realitate însă, semifabricatul tinde să ia forma matriţei, ceea ce duce la o lungire a coloanei de agent de transmitere. Aceasta implică de fapt o scădere progresivă a vitezei, ca şi cum particulelede apă ar fi frânate şi nu oprite instantaneu. În acest caz, presiunea la impact va fi mai mică decât presiunea p1din dependenţa (2.18). În concluzie, dependenţa (2.18) va reflecta posibilităţile potenţiale care există la anumiţi parametri daţi ai încărcăturii detonante şi agentului de transmitere.Revenind la cazul general al deformării prin explozie, în ceea ce priveşte eficienţa utilizării energiei de deformare rezultate prin detonare estede remarcat faptul că din energia înmagazinată chimic în substanţele detonante, numai 50% se transmite ca energie a undei de şoc. Dar deoarece aceasta se răspândeşte sferic în toate direcţiile, atâta vreme cât nu se reuşeşte o dirijare a undei de şoc, asupra semifabricatului de deformat va acţiona numai o fracţiune a energiei acesteia. Dar şi din această parte a energiei care ajunge la semifabricat, numai un anumit procent va fi transformat în energie de mişcare. Pentru un caz analizat, această parte a fost stabilită la 34%, în timp ce pierderile prin reflexie şi în apă au fost stabilite la 9% şi respectiv 57%.

Conform acestor valori, randamentul apare ca nefavorabil. Pe de altăparte, energia este eliberată prin detonare în imediata apropiere a suprafeţeisemifabricatului, astfel încât drumul de scurgere al energiei este mult mai scurt decât la metodele convenţionale, la care puterea energiei electrice trebuie să se scurgă prin utilaj spre piesă. În afară de aceasta, substanţa detonantă este într-atât de ieftină (1 kg de HEXOGEN costă circa 7,50DM), încât randamentul nu are aproape nici o importanţă la deformarea cu explozivi.

Construcţia matriţelor serealizează în conformitate cu forma piesei şi cu durabilitateanecesară, durabilitate dictată denumărul de piese ce trebuierealizat. La ambutisare estenecesară fixarea materialului cuinel de reţinere (cu

ajutorulşuruburilor sau penelor), pentrua preveni apariţia cutelor.Construcţia matriţei este arătatăîn figura 2.18, în care pot fi puseîn evidenţă matriţa (1), inelul dereţinere (2), locaşurile pentruşuruburile de prindere (3), canalul de evacuare (4),semifabricatul (5) şi garnitura de etanşare (6).La construcţia matriţelor de ambutisare - fasonare se poate adoptasoluţia unei matriţe cu fund modular, interschimbabil, pentru piese diferiteca formă dar din aceeaşi grupă dimensională. O astfel de construcţie esteprezentată în figura 2.19.

Pentru a micşorafrecările dintre semifabricatşi placa de reţinere,respectiv dintresemifabricat şi matriţă,suprafeţele în

contact aleacestora se ung cu ounsoare consistentă,rezistentă la viteze şipresiuni mari.