Элементы оборудования установок

Физико-технические основы процесса

Магнитноимпульсная обработка материалов

Магнитно-импульсной называют разновидность электро-физико-химеской обработки, основанную на использовании импульсных магнитных полей большой силы для деформирования токопроводящих материалов. В проводя­щем обрабатываемом материале внешнее импульсное магнитное поле индуктирует соответствующий импульс тока, электромагнитное поле которого встречно взаимодействует с внешним магнитным полем. В результате этого создаются значительные механические усилия, используемые, в частности, для деформирования пластических ма­териалов.

Рис. 1 Схема распределения магнитно­го потока в рабочем витке при электро­магнитном формовании:

а, б — разрез цилиндрического токо­несущего витка, окружающего изоля­тор и проводник; е — применение пре­образователей поля для концентрации магнитной энергии и давления на двух поясах цилиндрической заготовки

На рис. I, а, б показано распределение магнитного потока в рабо­чем витке при электромагнитном формовании. При пропускании через виток (индуктор) 3 импульса тока большой силы в момент замыкания ключа /, разряжающего конденсатор 2 через виток, вокруг последнего возникает импульсное магнитное поле, силовые линии которого 5 взаимодействуют с любым объектом, помещаемым в это поле. Если объект (заготовка) изготовлен из диэлектрического материала 4, то силовые линии проходят через него без каких-либо явных взаимодей­ствий. Энергия поля возвращается в конденсатор, частично превра­щаясь в тепло.

Если объект изготовлен из токопроводящего материала, то на поверхности последнего наводятся (индуктируются) вихревые токи S, концентрирующие магнитное поле в пространстве между индуктором и поверхностью объекта. При отсутствии уравновешивающего давления изнутри объекта энергия этого поля уходит на механическое деформи­рование. Если необходимо осуществить местное деформирование, то поле перераспределяют, вводя в пространство между индуктором и за­готовкой металлические концентраторы 8 (преобразователи поля), создающие в "заготовке 7 участки (А) высокого давления (рис. 1,в). Давление (в МПа), развиваемое на поверхности деформируемой заготовки,

, (1)

где В — максимальное значение индукции, Гс.

Скорость деформации заготовки

, (2)

где ρ — плотность материала заготовки, г/см³. Энергия магнитного поля, зависящая от индуктивности катушки (витка) L и силы тока / в ней:

расходуется на механическую работу деформирования заготовки и ее нагрев.

Повышение температуры поверхности формуемой заготовки

, (3)

где c_v — удельная теплоемкость.

При магнитноимпульсной обработке длительность разрядного импульса выбирают такой, чтобы глубина проникновения магнитного поля в деформируемую заготовку была меньше толщины последней.

Если импульс будет чрезмерно длительным, то потребуются мощ­ные источники тока для создания необходимой напряженности магнит­ного поля, а между металлической матрицей (моделью) и заготовкой успевает образоваться магнитная подушка, которая создает обратное давление на заготовку и не дает ей принять точную форму матрицы. Глубина h проникновения магнитного поля в металл не должна превы­шать толщины стенки заготовки. Она определяется из выражения

^, (3)

где ρ_эл — удельное электрическое сопротивление металла; t_имп — длительность полуцикла импульса.

Пренебрегая потерями энергии магнитного поля на нагрев заго­товки, можно определить время, необходимое для развития деформации стенки трубы на величину ε:

, (4)

где – скорость, сообщаемая стенкам при деформации, равной толщине стенок δ.

, (5)

где ρ — плотность материала заготовки.

Максимально допустимое время τ_м. _д можно определить из формул: для металлических матриц —

, (5)

для матриц из непроводящего ток материала

, (6)

где R — радиус поперечного сечения трубы; ρ_эл — удельное электри­ческое сопротивление материала.

Рис.2. Принципиальная схе­ма конденсаторного генера­тора импульсов: С —емкост­ной накопитель; R_з – заряд­ное сопротивление;
R_н — сопротивление нагрузки;
ФП — формирующий про­межуток; АТр — автотран­сформатор;
Тр — трансфор­матор;
В — выпрямитель

Рис. 3. Принципиальные схемы генераторов импульс­ных токов:

а — с трансформатором в цепи питания; б — с авто­трансформатором в цепи питания; в — с емкостным сопротивлением (кон­денсатором) в сетевой цепи; АТр —автотрансформатор сетевого питания; Тр — повышающий трансформатор; В — выпрямитель; R_з — сопротивление в цепи заряда; С₀ — емкость в сетевой цепи; С_и — конденсатор рабочий импульсный высоковольтный; С_ф — конденсатор фильтра

Значение τ_деф должно быть меньше значения и. Это условие определяет минимальный размер детали, которая может де­формироваться в данном магнитном поле.

Для проводящих материалов с повышенным электрическим со­противлением, например для высоколегированной стали, деформация трубок диаметром менее 10 мм становится затруднительной, поэтому

. (7)

Затраты энергии на выполнение механической работы и создание магнитного потока, действующего в качестве рабочей среды, примерно равны между собой и определяются по формуле

, (8)

где S — площадь поверхности образца.

При τ_деф τ_м. _д затратами на джоулево тепло можно пренебречь. Энергия, идущая на нагрев,

. (9)

Общее количество энергии, необходимой для деформации заго­товки, складывается из количества энергии на механическую работу по деформации заготовки, энергии магнитного поля и энергии, расхо­дующейся на выделяемое джоулево тепло. Индукции магнитных полей, требуемых для электромагнитного формообразования, лежат практи­чески в пределах от 200 кГс до 1 МГс. Для конкретных индукторов при поле в 300 кГс можно получить импульсное давление 350 МПа, а при поле 1 МГс 3500—4000 МПа.

Длительность импульса в применяемых схемах выбирают в пре­делах 10—20 мкс.

Мощные кратковременные импульсы тока, необходимые для по­лучения мощных импульсных магнитных полей при магнитноимпульсной обработке, получают с помощью генераторов импульсных токов. Наиболее распро­страненными являются генераторы импульсных токов с емкостными накопителями энергии (конденсаторами).

Принципиальная схема конденсаторного генератора импульсных токов показана на рис. 2.

Батарея конденсаторов С заряжается постоянным током через зарядное сопротивление R_зар до определенного напряжения U_зар, а затем разряжается через разрядный (формирующий) промежуток на сопротивление нагрузки R_н. Энергия, выделяемая в нагрузке, используется для технологических целей. Формирующий промежуток необходим для обеспечения кратковременности разряда (ограниче­ния длительности импульса).

На рис. 3 показаны принципиальные схемы генераторов импульсных токов. Ниже приведены основные зависимости, определяющие их работу.

Частота следования импульсов

, (10)

где - зарядное сопротивление; С – ёмкость конденсатора; - напряжение начала разряда; - начальное напряжение.

Зарядное сопротивление при работе генератора импульсного тока в режиме единичных импульсов

, (11)

где - зарядное напряжение; - допустимый ток выпрямителя.

С учётом частоты импульсов мощность источника питания постоянным током

, (12)

где – мощность, накапливаемая в зарядном контуре (t – время между разрядами); η – КПД зарядного контура (обычно ~0,5).

Магнитно-импульсная обработка находит применение для выполнения разнообразных операции, связанных с деформированием материалов.

Установки для магнитоимпульсной обработки состоят из двух основных узлов: подготовительного (накопление энергии формирование импульсного напряжения и тока) и узла исполнительного — технологического. К первому узлу относятся генераторы импульсных токов, ко второму — индукторы и связанная ними технологическая оснастка.

На рис. 3 показана функциональная электрическая схема установки магнитно-импульсной обработки. Батарея-накопитель энергии 1 заряжается от зарядного устройства 3 до требуемого напряжения. По накоплении того количества энергии батарея разряжается в импульсном режиме на рабочий индуктор 9 через

Рис. 15.3. функциональная схема установки магнитоимпульсной обработки

ком­утатор 10 и токопровод 11. В функции устройства 4 входит управление, контроль и сигнализация.

Поджигающee устройство 8 подает команду на включение комутатора 10. Командный датчик 5 и делитель напряжения 6 регулируют значение запасаемой энергии в автоматическом режиме paботы. По достижении установленного напряжения зарядки блок автоматики 7 подает импуль­сы на включение поджигающего устройства. Снятие остаточного напряжения с накопителя энергии и блокировку осуществляет короткозамыкатель 2.

Генераторы импульсных токов преобразуют электрический ток промышленной частоты в импульсы токов большой амплитуды, которые образуются при разряде мощной батареи. Основными эле­ментами генератора являются зарядное устройство, батарея кон­денсаторов, коммутирующее и поджигающее устройства.

В состав зарядного устройства входят повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель и пускорегулирующая аппаратура. Батарея конденсаторов служит для накопления электри­ческой энергии с дальнейшей разрядкой на технологическую установку. В установках магнитноимпульсной обработки для этих целей применяются им­пульсные конденсаторы, что обусловлено их способностью отдавать накопленную энергию в виде коротких импульсов большой мощ­ности. Конденсаторы должны иметь минимальную индуктивность, их конструкция должна обеспечивать возможность длительной ра­боты в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Соедине­ние конденсаторов в батарею определяется требуемой рабочей характеристикой генератора импульсного тока. Для уменьшения времени разрядки батареи конденсаторов и обеспечения кратко­временности выделения энергии в индукторе необходимо умень­шать общую индуктивность установки за счет снижения индуктив­ности батареи конденсаторов, ошиновки и разрядника, что, в свою очередь, повышает эффективность магнитноимпульсной обработки.

Коммутирующее устройство (коммутатор) должно в заданный момент подавать импульс напряжения на рабочую катушку, пропускать возникающий импульсный ток за определенный промежуток времени и регулировать напряжение на конденсаторах. Конструкция коммутатора должна обеспечивать возможность регули­рования рабочего напряжения. Коммутатор должен пропускать значительные токи, иметь малую собственную индуктивность, минимальный разброс времени срабатывания и большой срок службы. В установках магнитного формообразования используются механические, ионные и дуговые коммутирующие устройства.

Дуговые разрядники выполняются трех основных конструкций: открытые, вакуумные и газонаполненные. Более перспективными являются вакуумные и газонаполненные. Основное их преимуще­ство— широкий предел регулирования рабочего напряжения, воз­можность изменения давления в разряднике и способность комму­тировать значительную энергию.

Электрическая схема двухэлектродного газонапол­ненного разрядника показана на рис. 15.4. В ней предусмотре­на емкость С_п, подключаемая к

Рис. 15.4. Схема двухэлектродного разрядника

Рис. 15.5. схема поджигающего устройства

основной цепи с помощью вспомогательного

разрядника Р_п. При его включении емкость С_п начина­ет разряжаться через цепь L_п—L_к—0,5L_ош — земля, при этом в контуре С_п—L_n—L_k—0,5L_oш возникают электромагнитные колебания. В момент включения Р_п напряжение в точке а скачкообразно растает от 0 до U_сп, а затем падает по косинусоиде. В началь­ный момент времени напряжение в точке b равно U_c=U_cп, в результате чего напряжение на основном коммутирующем устройстве равно сумме напряжений: U_со+U_сп. При пробивном напряжении разрядника U_np<U_сo + U_сп происходит разрядка и основная батарея включается на индуктор.

Поджигающее устройство предназначено для запуска основного разрядника. Они могут быть с механическим и электрическим запуском. Схема поджига с поджигающей емкостью С_п, заряжаемой от основного зарядного устройства, показана на рис. 15.5. Для запуска основного разрядника КУ надо разрядить ёмкость поджига С_п. При этом на электрод поджига подается импульс напряжения, вызывающий вспомогательный разряд. Разрядка конденсатора осуществляется с помощью дополнительной ёмкости С₃, заряжаемой вспомогательным выпрямителем Д. Схемы с электрическим запуском применяются в том случае, когда необходимо синхронизировать подачу поджигающего импульса с запуском измерительных или регистрирующих приборов.

Технологический узел—индуктор является одним из наиболее важных узлов установки магнитноимпульсной обработки, поскольку от его конструкции и качества исполнения зависят возможность выполнения магнитноимпульсно обработки и её качество. К технологическому узлу предъявляют следующие требования:

а) высокая эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию деформации заготовки;

б) высокие механическая и электрическая прочности;

в) конструктивная и технологическая простота.

В зависимости от назначения индукторы выполняют в виде одно- и многовитковых катушек, плоской спирали и др. Долговечность индукторов во многом зависит от качества применяемой изоляции, её электрических и механических свойств. Чрезмерный нагрев индуктора может вызвать электрический пробой или механи­ков разрушение изоляции спирали. При прохождении по спирали индуктора больших токов она подвергается значительным меха­ническим и тепловым нагрузкам. Это может вызвать пластическое деформирование спирали, приводящее к разрыву ее витков. Спи­раль и ее изоляция могут быть частично разгружены от механиче­ского воздействия магнитного поля специальными экранирующими вставками.

Необходимый тепловой режим индуктора обеспечивается ох­лаждением его спирали жидкостью, пропускаемой через специаль­ные каналы в нем. Это позволяет создавать индукторы, способные работать в условиях большой частоты следования разрядов в тече­ние длительного времени.

В одновитковом индукторе спираль изготовлена из высоко-электропроводного металла (медь, латунь) в виде массивной пли­ты, сильно увеличенной в радиальном направлении. Для снижения паразитной индуктивности зазор паза между токопроводами вы­полняют минимально допустимым, исходя из механической и элек­трической прочности изоляции.

Дата добавления: 2014-10-22