Explosief vervormen van onderdelen van gelegeerd aluminium
Explosief vervormen is een vervormingproces dat gepaard gaat met hoge energie-uitwisseling dat onder andere wordt gebruikt voor het vervaardigen van onderdelen van gelegeerd aluminium. Het proces wordt vaak gebruikt om objecten te maken waarvan de afmetingen de grenzen van conventionele apparatuur te boven gaan of waarvoor de wanddikte persdrukken vereist die niet kan worden gehaald met conventionele apparatuur. Het proces wordt ook wel gebruikt om kleine series complex gevormde onderdelen te produceren die anders te duur zouden zijn indien vervaardigd met conventionele technieken.
A.J. Schornagel
Afbeelding 1. Schematische weergave van een opstelling voor explosief vervormen in een open matrijs.
Explosief vervormen kan worden verdeeld in twee groepen, afhankelijk van de positie van het explosief met betrekking tot het werkstuk.
Methode met explosief op afstand
Bij deze methode wordt de explosieve lading op enige van te voren bepaalde afstand van het werkstuk geplaatst en de energie wordt overgedragen via een tussenliggend medium zoals lucht, olie of water. Piekdrukken aan het werkstuk kunnen variëren van enige honderden tot enige tienduizenden MPa afhankelijk van de instelparameters voor de bewerking in kwestie. De opstelling voor deze vormmethode bestaat uit: - een explosieve lading; - een energie overdragend medium; - een matrijs; - het werkstuk. Afbeelding 1 toont een schematische opstelling van de explosief op afstand methode. De matrijs wordt op de bodem van een tank opgesteld. Het werkstuk wordt op de matrijs geplaatst met de blankhouder er boven. In de matrijsholte wordt een vacuüm getrokken. De explosieve lading wordt boven het centrum van het werkstuk geplaatst. De explosieve lading bevindt zich op enige afstand van de blank op een van te voren bepaalde afstand. Het geheel wordt ondergedompeld in water. De explosie produceert een drukpuls van hoge intensiteit. Er ontstaat tegelijkertijd een gasbel die zich bolvormig uitbreidt en dan implodeert als het bovendeel ervan het wateroppervlak bereikt. Als de drukpuls tegen het werkstuk botst, wordt het metaal in de matrijs gedrukt.
Contactmethode
Bij deze methode wordt de explosieve lading in direct contact gehouden met het werkstuk terwijl de ontploffing wordt gestart. De ontploffing levert een druk aan het werkstukoppervlak die kan oplopen tot enige tienduizenden MPa. Vervormingsnelheden bedragen verscheidene tientallen meters per seconde vergeleken met 0,15 tot ongeveer 6 m/s voor conventionele vervormingsprocessen. De tijd die nodig is om het werkstuk te vervormen tot zijn eindafmetingen bedraagt enkele milliseconden.
Explosieven
Explosieven zijn stoffen die een snelle chemische reactie ondergaan waarbij warmte wordt ontwikkeld en grote hoeveelheden gasvormige producten ontstaan. Explosieven kunnen vast zijn (TNT: trinitro tolueen), of gasvormig (zuurstof en acetyleen mengsels). Explosieven kunnen worden ingedeeld in twee klassen, (tabel 1):- lage explosieven, waarbij de explosieve stof niet zo zeer ontploft maar eerder snel verbrandt, zodat de drukopbouw niet erg hoog is; - hoge explosieven, die een hoge reactiesnelheid hebben die gepaard gaat met een sterke drukopbouw. Tabel 2 geeft een overzicht van eigenschappen van enige explosieven.
| Eigenschappen | Hoge explosieven | Lage explosieven | |||
|---|---|---|---|---|---|
| secundaire onsteking of combinatie van onsteking en booster | |||||
| Druk | Tot ongeveer 30.000 Mpa | Tot ongeveer 300 MPa | |||
| Explosief | TNT Equivalent (%) | Vorm van de ading | Explosie snelheid (M/s) | Energie (KJ/Kg) | Maximale (GPa) |
| RDX (Cyclotrimethyleentrinitramine, C3H6N6O6) | 170 | Geperste korrels | 8380 | 1270 | 23,4 |
| TNT (Trinitrotolueen, C7H5N3O6) | 100 | Gegoten | 7010 | 780 | 16,5 |
| PETN (Pentaerythritol tetranitraat, C5H8N4O12) | 170 | Geperste korrels | 8290 | 1300 | 22,1 |
| Tetryl (Tetranitromethylaniline, C7H5O8N5) | 129 | Geperste korrels | 7570 | - | - |
| Explosieve gelatine | 99 | patroon | 7985 | 1220 | 17,9 |
Overdragend medium
De energie die vrijkomt bij de explosie wordt overgedragen via een medium zoals lucht, water, olie, gelatine, vloeibare zouten. Water is een van de beste media voor explosief vervormen omdat het makkelijk te krijgen is, goedkoop is en uitstekende resultaten geeft. Het overdragend medium is van belang met betrekking tot de grootte van de druk aan het werkstuk. Water is een geschikter medium dan lucht voor de ontwikkeling van hoge piekdrukken aan het werkstukoppervlak.
Mogelijkheden
De soorten bewerkingen die mogelijk zijn, omvatten het vervormen van panelen (buigen), ponzen, omkragen, doordiepen, dieptrekken en cilindrisch opbollen. Afmetingen van de werkstukken lopen van 25 mm tot enige tientallen meters. De wanddikte van het metaal varieert van honderdsten van een millimeter tot ongeveer 150 mm.
Legeringen
Het explosief vervormingsproces kan worden gebruikt voor elke aluminiumlegering. Vervormbaarheid is recht evenredig met de normale trek-rekwaarden, maar is wel voor elke legering verschillend, wegens verschillend trek-rekgedrag. Legering 1100-O wordt beschouwd als het best explosief vervormbaar van alle gewone metalen.
Invloed van mechanische eigenschappen
Veranderingen in mechanische eigenschappen als gevolg van explosief vervormen zijn in essentie hetzelfde als die welke worden waargenomen bij conventionele vervormingstechnieken die worden gebruikt om hetzelfde werkstuk te maken. Explosief vervormen in een matrijs maakt echter dat het metaal de matrijs met een extreem hoge snelheid raakt. De resulterende drukken aan het grensvlak kunnen de rekgrens en treksterkte aanzienlijk doen toenemen. Het vermogen om te vervormen neemt toe als kritische vervormingssnelheden worden overschreden. Afbeelding 2 geeft een vergelijking van de vervormbaarheid van een aantal materiaaltypen.
Matrijzen
Alleen een matrijs of holte is nodig voor explosief vervormen, omdat de schokgolf als plunjer fungeert. Met behulp van geschikt gevormde en geplaatste reflectoren kan er aan de schokgolf enige richting en concentratie worden gegeven. De meest gebruikte matrijsmaterialen zijn gietijzer en gietstaal. Er bestaan nog tal van andere combinaties van materialen, afhankelijk van de inslag van de schokgolf waarmee het werkstuk tegen de matrijs wordt gedrukt, de afmetingen van de matrijs, de gevraagde maatnauwkeurigheid van het werkstuk en de hoeveelheid werkstukken. Deze materialen omvatten laagsmeltende gietlegeringen en kunststoffen, gewapend beton, beton dat is overtrokken met kunststof-glascomposieten en staal met hoge slagvastheid. De lucht tussen werkstuk en matrijs moet voor het vervormen worden verwijderd, omdat de vervormingssnelheid zo hoog is, dat de lucht in plaats van te worden verplaatst zoals het geval is bij conventionele persvervorming, wordt ingevangen tussen het werkstuk en de matrijs. Ingevangen lucht en buitensporige smering kunnen afwijkingen in de vorm van het werkstuk veroorzaken. De ventilatiegaten die de lucht afvoeren moeten op niet-kritische plaatsen worden aangebracht, omdat er anders markeringen op het gevormde werkstuk verschijnen. Bij dunwandiger onderdelen worden er gaten in de wand geperst, waarbij de ventilatiegaten fungeren als ponsmatrijs. De oppervlakteafwerking van de matrijsholte is ook belangrijk omdat deze in spiegelvorm op het werkstuk terugkomt.
Smeermiddelen
Eventueel te gebruiken smeermiddelen zijn van een type dat extreem hoge drukken kan weerstaan. Wegens de hoge snelheid en de buitengewoon hoge druk die tijdens vervorming optreden, moet excessieve smering worden vermeden. Matrijzen, gemaakt van laagsmeltende legeringen of waarvan het oppervlak glad is afgewerkt behoeven weinig of geen smering.
Terugvering
Terugvering vormt een belangrijk aspect bij het ontwerpen van de matrijs. Verhoging van de explosieve lading of verlaging van de afstand lading-werkstuk reduceren de mate van terugvering. Matrijsslijtage neemt hierdoor wel toe en de wat brossere matrijsmaterialen kunnen scheuren. Vaak moet er een compromis worden gevonden. Er wordt soms gecompenseerd voor matrijsslijtage door de grootte van de explosieve lading te verkleinen of door de afstand lading-werkstuk wat groter te nemen om te komen tot een beheersbare mate van terugvering en voor het behouden van de maattoleranties. Onderzoek aan legering 2219 heeft uitgewezen dat de terugvering toeneemt als de plaatdikte afneemt tussen 6,35 mm en 0,81 mm en ook aanzienlijk toeneemt als er gebruik wordt gemaakt van een smeermiddel. Stapsgewijze vervorming daarentegen, blijkt de mate van terugvering te verlagen. Matrijsafrondingen en matrijsmateriaal vertoonden geen significante invloed op het terugveergedrag.
Toepassingen
Een van de bruikbaarste toepassingen van explosief vervormen is de vervaardiging van vlakke en lichtgebogen geometrieën. Deze omvatten onderdelen variërend van kleine, gedetailleerde voorwerpen en een oppervlak van slechts enkele vierkante centimeters tot grote panelen met oppervlakken van meer dan 3m2
Afbeelding 3. Gebogen gegolfd explosief gevormd 2014-paneel met wanddikte 0,50 mm. (Afmetingen op afbeelding in inch).
Het gegolfde en gebogen paneel op afbeelding 3 is explosief gevormd van legering 2014 in de O-, T4- en T6-tempers in een matrijs die is gemaakt van epoxyfiberglas. Het paneel is een enkele slag gevormd, waarbij gebruik is gemaakt van een exploderende patroon als energiebron. Deze golfplaten bezitten de unieke eigenschap dat ze aan alle vier de kanten vlak zijn. Ze worden vaak op plaatsen gebruikt waar een temperatuursverloop optreedt. Een dergelijk temperatuurverloop kan ervoor zorgen dat vlakke platen gaan bobbelen en na een klein aantal wisselingen scheuren. De golfplaten bezitten de nodige flexibiliteit in het plaatvlak en de nodige stijfheid buiten het plaatvlak. Afbeelding 4 toont een instrumentenkast die explosief is gevormd van legering 6061. Er werd gebruik gemaakt van een gesloten matrijs die met een hydraulisch klemsysteem dicht werd gehouden. De maattoleranties bedroegen ±0,0076 mm.
Afbeelding 4. Explosief gevormdeinstrumentenkast van 6061 plaat.
Met explosief vervormen zijn ook heel makkelijk buisvormige voorwerpen te maken, waarbij het explosief de vorm heeft van een over de langsas van de buis opgehangen exploderend koord. Explosief vervormen wordt ook gebruikt voor de vervaardiging van gelaste voorvormen. Zulke voorvormen zijn noodzakelijk als de aanvankelijke buisafmeting groter is dan wat er commercieel leverbaar is of wanneer er een speciale uitgangsvorm nodig is. Omdat er opeenvolgende vervormingsbewerkingen worden gegeven, is het noodzakelijk dat de lassen in deze voorvormen hoge ductiliteit hebben. De lassen worden in het algemeen vlak gemaakt en de voorvormen ondergaan een zachtgloeibehandeling. Indien mogelijk moeten de lassen daar gelegd waar minimale strekking wordt verwacht teneinde de mogelijkheid van scheuren van de las tijdens het explosief vervormen tot een minimum te beperken. Afbeelding 5 toont een typisch vliegtuigonderdeel waarbij gebruik is gemaakt van een gelaste voorgevormde dunne plaat. In Australië is een aantal jaren geleden een romp van een 35 voet (10,7 m) zeiljacht gemaakt met behulp van explosief vervormen. De romp bestaat uit een 5 mm dikke plaat aluminium, die met een enkele explosie in een van ventilatie openingen voorziene open matrijs is gevormd. Om te compenseren voor de enorme rek, was de plaat voorgevormd door middel van walsen en vervolgens gelast tot een vorm die die van de uiteindelijke romp benaderde. De explosieve lading werd gebruikt om deze voorvorm de exacte curven van de matrijs te doen volgen. De matrijs was vervaardigd van 20 x 20 mm gelegeerd stalen staven die dicht naast elkaar waren opgesteld en aldus de gewenste uitwendige rompvorm aangaven. De openingen tussen de staven verschaften de nodige ventilatie openingen waardoor schade als gevolg van adiabatische compressie aan de aluminium romp kon worden voorkomen.
Afbeelding 5. Explosief gevormde koelring van een vliegtuig, afmetingen gereed onderdeel 152 x 457 x 457 mm. Uitgangsmateriaal gelaste voorvorm van 1,57 mm dik aluminium plaat.