التشكيل ب-المتفجرات
تشكيل بمتفجرات
Explosive forming -
التشكيل بالمتفجرات
غسان موسى
التجهيزات المستخدمة في التشكيل بالتفجير
التشكيل بالمتفجرات explosive forming هو استخدام المتفجرات explosives التي تعد مصدراً رخيصاً للطاقة لإجراء عمليات التشكيل forming processes على الصفائح للحصول على منتجات كبيرة الحجم؛ مثل تشكيل عناصر الخزانات الكبيرة التي قد يصل قطرها إلى خمسة أمتار أو أكثر. تستخدم المتفجرات أيضاً في عمليات القطع والتقسية وتشكيل ذرور المعادن. ومن استخداماتها الحديثة عمليات اللحام، حيث تلحم أو تدمج مجموعة من الصفائح بعضها مع بعض لحاماً سطحياً لتشكل صفيحة جديدة متكاملة ذات مواصفات ميكانيكية عالية جداً تفوق مواصفات معدن أي من الصفائح المستخدمة فيها. تنفذ عمليات اللحام والقطع والتقسية بالتماس المباشر.
تقسم المتفجرات عموماً إلى قسمين: المتفجرات الشديدة الانفجار high explosives والمتفجرات الضعيفة low explosives. فالمتفجرات الشديدة الانفجار تحرر طاقة كبيرة تزيد على 4000 جول للغرام الواحد، وسرعة موجة الصدم بين 2000-8000 م/ثا؛ أي إن تحول المتفجر من الحالة الصلبة إلى غاز عالي الضغط يحدث خلال زمن قصير جداً لا يتجاوز بضعة مكروثوانٍ، وقد يبلغ الضغط الناتج أكثر من 700 ميغاباسكال، وبالإمكان توليد سرعات بين 3000-7000م/ثا في الطريقة التماسية.
تستخدم في التشكيل متفجرات على شكل ذرور ثلاثي نتروتولوين (ت.ن.ت) Trinitrotoluene (TNT)، أو على شكل لدائني مثل الهلام المتفجر، أو على شكل صلب من ت.ن.ت، أو على شكل فتيل متفجر أو صاعق.
يتم التفجير غالباً كهربائياً، ويراوح مردود العملية بين 5 و40% (للمجموعات المحصورة تماماً).
يمكن تقسيم المجموعات المتفجرة المستخدمة للتشكيل بالتفجير إلى مجموعات تماس مباشر؛ حيث توضع الشحنة على القطعة المراد تشكيلها مباشرة؛ ومجموعات غير مباشرة؛ حيث توضع الشحنة بعيداً عن المشغولة، ويقوم وسط -غالباً مايكون الماء- بنقل موجة الصدم الناتجة. كذلك تقسم المجموعات المتفجرة أيضاً إلى مجموعات محصورة وغير محصورة، وأكثر المجموعات انتشاراً هي المجموعات غير المحصورة والتي يمكن عدّها مجموعات غير مباشرة أيضاً.
1- المجموعات المحصورة (في حيز مغلق) confined systems:
يبين الشكل (1) مخططاً لمجموعة محصورة لتشكيل جسم محدب الجدران بدءاً من أنبوب، حيث يتكون القالب من قطعتين أو أكثر تحيط بالمشغولة إحاطة تامة، وعند انفجار الشحنة يتمدد الأنبوب ليأخذ شكل القالب. بهذه الطريقة يمكن الحصول على أنابيب رقيقة الجدران بتسـامحات عالية. لا تسـتخدم المجموعة المحصورة إلا لتشكيل المشغولات الصغيرة؛ لأن الزيادة في حجم المشغولات يجعل العملية غير اقتصادية.
 |
|
الشكل (1) مجموعة تشكيل محصورة بالمتفجرات (في حيز مغلق). |
2- المجموعات غير المحصورة unconfined systems:
في المجموعة غير المحصورة تحلّ موجات الصدم الناتجة من الشحنة المتفجرة محلّ السنبك أو المطرقة في عمليات التشكيل العادية. يستخدم قالب من جزء واحد (الشكل 2) وتوضع الصفيحة المراد تشكيلها عليه وتقمط (تثبت)، وتعلق شحنة المتفجرات فوق الصفيحة على مسافة محددة منها. ويمكن غمر المجموعة كلها في الماء، أو وضع كيس لدائني مملوء بالماء فوق الصفيحة. إن مردود العملية في المتفجرات غير المحصورة منخفض؛ لأن جزءاً صغيراً من الطاقة الكلية المحررة من الانفجار هو الفعال في التشكيل، حيث تنتشر موجة الانفجار في كل الاتجاهات ولا يصيب الصفيحة إلا جزء منها فقط. يؤدي الوسط الذي يقع فيه الانفجار دوراً كبيراً في تحديد مردود العملية، وكلما ازدادت كثافة هذا الوسط يزداد المردود، لذلك فإن جميع عمليات التشكيل بالتفجير تجري في وسط كثافته أعلى من كثافة الهواء، ويعدّ الماء وسطاً مناسباً في عمليات التفجير، كما يستخدم الألمنيوم المصهور أحياناً وسطاً لانتقال موجة الانفجار.
 |
|
الشكل (2) مجموعة تشكيل غير المحصورة بالمتفجرات. |
من الأفضل في ظروف التشغيل الطبيعية تفجير الشحنة بعيداً عن سطح السائل قدر الإمكان، مما يقلل من كمية السائل التي تتطاير خارجاً بفعل الانفجار، ويقلل من الطاقة المفقودة بإخراج الفقاعات الغازية الناتجة من الانفجار إلى الجو الخارجي. يمكن أن تكون الشحنة نقطية أو أسطوانية وتوضع قريباً من الخط المركزي للقطعة المراد تشكيلها؛ وعلى مسافة تتعلق بأبعاد الصفيحة وشكل تجويف القالب. ولتشكيل الأجسام نصف الكروية الكبيرة تستخدم فتائل صاعقة (بريماكورد) على شكل حلقة كبيرة توضع بقرب المحيط الخارجي للصفيحة (هي فتائل على شكل حبل من المتفجرات الصاعقة محاطة بغلاف واقٍ ضد الماء). إن تبدل مستوى الطاقة المحصلة من أشكال الشحنات المختلفة صغير عندما يجري التفجير تحت الماء ويكون بعد الشحنة عن الصفيحة أكثر من 30 سم.
التجهيزات المستخدمة في التشكيل بالتفجير
التجهيزات الرئيسية المستخدمة للتشكيل بالتفجير في حيز غير محصور هي: وعاء الماء، رافعة، مضخة، جهاز تفجير (صاعق).
يجب أن يتحمل وعاء الماء الصدمات المتكررة الناتجة من التفجير فلا يتشقق، وتكون أغلب الأوعية المستخدمة كبيرة الحجم بحيث يكون ضغط موجات الانفجار ضعيفاً جداً عند اصطدامها بجدار الوعاء.
يبين الشكل (3) العلاقة بين الإجهادات في جدار الوعاء؛ كتابع لنصف قطر الوعاء في حالة انفجار شحنة T.N.T وزنها ليبرة واحدة (453غ) وسماكة جدار الوعاء إنشاً واحداً (2.54 سم). يوضح هذا المخطط أن زيادة قطر الوعاء من 4 إلى 40 قدماً خفض قيمة الإجهادات في الجدار بمقدار 26% فقط من 1650إلى1225 ليبرة/إنش2، وفي الوقت ذاته فإن وزن مادة جدران الوعاء تضاعف عشر مرات.
 |
|
الشكل (3) العلاقة بين الإجهادات بين جدران الخزان وقطره. |
من أفضل الطرائق المتبعة لإنقاص سمك الوعاء تخفيض قيمة الضغط الناتج من موجة الصدمة قبل أن تصطدم بجدار الوعاء. يبين الشكل (4-أ) استخدام أنابيب مطاطية منفوخة لتخفيض الإجهادات على جدار الوعاء. تعمل هذه الأنابيب المطاطية عمل وسادة، وقد تخفض قيمة الإجهادات على الجدار أحياناً بنسبة 83%. من مساوئ هذه الطريقة الحاجة -في حالة الأوعية الكبيرة- إلى كمية كبيرة من الأنابيب المطاطية؛ وترتيبها صعب، وقد تُتلَف بفعل الانفجار؛ بيد أن استخدام ستائر الفقاعات الهوائية وسادةً بين موجات الانفجار والجدار أبسط نسبياً، كما هو مبين في الشكل (4- ب). ولكي تكون هذه الطريقة فعالة تجب المحافظة على ستارة منتظمة من الفقاعات بحيث تغطي مساحة الجدار بالكامل. يتم التحكم في ستارة الفقاعات الهوائية بضبط أبعاد الثقوب في خط الهواء عند قاعدة الوعاء؛ والمسافة بين هذه الثقوب؛ وتدفق الهواء وضغطه. وقد أجريت تجربة باستخدام 70 غراماً من ت.ن.ت في وعاء قطره 8 أقدام (240 سم) مزود بستارة هوائية فلم تلاحظ أي آثار للانفجار على جدران الوعاء.
 |
|
الشكل (4): أــــ حماية الخزان باستخدام أنبوب مطاط منفوخ. ب ــ حماية الخزان باستخدام جدار من فقاعات الهواء. |
يجب أن تتحمل قاعدة الوعاء الصدمات التي يتحملها الجدار نفسها، ويفضل وضع الوعاء على قاعدة صلبة قدر الإمكان، ويمكن استخدام قاعدة من الإسمنت المسلح مغطاة بصفيحة فولاذية ثقيلة؛ بهدف توزيع الإجهادات على الإسمنت المسلح توزيعاً منتظماً. ويمكن كذلك وضع مادة ماصّة للصدمات بين الوعاء والقاعدة مثل طبقة من المطاط أو اللدائن، كذلك يمكن استخدام أنابيب مطاطية منفوخة الهواء لامتصاص الصدمات بين القاعدة والوعاء، بحيث ترفع الوعاء فقط ولا يجوز نفخها كثيراً منعاً لزيادة انتقال أمواج الإجهادات. وبذلك يمكن تخفيض الإجهادات على القاعدة بنسبة 80%.
يلحم جدار الوعاء إلى قاعدته في بعض الحالات. لاتعد هذه الطريقة كبيرة الفاعلية، لذا غالباً ما تستخدم موانع من اللدائن لمنع تسرب الماء، وهي سهلة الإصلاح في حالة حدوث عطل.
ثمة حاجة ماسة لاستخدام رافعة تعمل بالهواء المضغوط كيلا تكون هناك أي تمديدات كهربائية في منطقة التفجير، تعتمد قدرة الرافعة على أوزان القوالب المراد استخدامها، وقد استخدمت قوالب متنقلة وزنها 9 أطنان.
تتطلب أغلب عمليات التشكيل بالتفجير مضخة سحب، وغالباً ما تستخدم مضخة من نوع فنتوري Venturi pump تعمل على ضغط الماء. وفي حالة الاضطرار إلى استخدام مضخة ميكانيكية تعمل بمحرك كهربائي فإن أنبوب السحب للمضخة يمدد إلى منطقة العمل، في حين تكون المضخة ومحركها وتوصيلاتها بعيدة عن منطقة التفجير لتجنب حدوث شرارة كهربائية.
في حالات التشغيل المثالية تكون الدارة الكهربائية الوحيدة التي يسمح بوجودها في منطقة التفجير هي دارة تفجير الصاعق الموضوع في الشحنة المتفجرة، ويجب أن تصمم الدارة بحيث لا تعمل الدارة في حالة وقوع أي خطأ فيها. أما التيار المستخدم في هذه الدارة فيكون من بطارية 6 فولت.
ثمة تجهيزات إضافية لازمة لعملية التشكيل بالتفجير منها: تجهيزات إزالة المواد التي تطفو على السطح، ومصافٍ لتصفية الماء لإعادة استخدامه. وقد تتبقى هنالك أجزاء لم تنفجر من المواد المتفجرة تتجمع في المصافي أو في المضخة أو في المجاري أحياناً؛ مما قد يسبب حوادث مؤسفة، لذا تعد المواد المستخرجة من المصافي عند تنظيفها مواد متفجرة.
من الضروري لإتمام عملية التشكيل بالتفجير بنجاح أن تدرس العملية نظرياً دراسة معمقة تحدد خلالها كمية المادة المتفجرة المطلوبة ونقطة توضُّعها ونوع الوسيط المستخدم لنقل موجة الصدم ومواصفات التجهيزات اللازمة؛ إلى جانب إجراءات السلامة الصناعية.
ولتحديد متغيرات عملية التشكيل بالتفجير تحت الماء المبينة في الشكل (2) تجب معرفة أبعاد الصفيحة المراد تشكيلها ومواصفاتها الميكانيكية، واختيار البعد الفاصل بين الصفيحة والمادة المتفجرة، وتحديد نوع المادة المتفجرة وكميتها. ويجب أولاً تحديد قيمة العمل اللدن اللازم لتشكيل الصفيحة بحيث تتحول إلى قبة كروية بالعمق المطلوب. تتوزع الطاقة الناتجة من الانفجار في جميع الاتجاهات ويتجه جزء بسيط منها إلى الصفيحة، وهو محدد بزاوية المخروط المحدد بين دائرة الصفيحة ومركز الشحنة المتفجرة. ويمكن لدى مساواة العمل اللدن اللازم لإتمام العملية بالطاقة المتجهة إلى الصفيحة الحصول على قيمة البعد عن سطح الصفيحة، وتحديد البعد مسبَّقاً بحيث يمكن تحديد قيمة كتلة المادة المتفجرة المطلوبة ونوعها.
|
مراجع للاستزادة: - غسان موسى، نظرية التشكيل وآلات التشكيل، مطبوعات جامعة حلب،1992 . - Metals Handbook, Forming and Forging, ASM International, 2006. - T.Z. Blazynski, Explosive Welding, Forming and Compaction, Springer, 2012.
|
- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
