Назад: 6.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний

6.3. Физические основы магнитно-импульсной обработки металлов

Магнитно-импульсная обработка (МИО) металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком импульса. В отличие от других известных методов деформирования при магнитно-импульсной обработке электрическая энергия непосредственно преобразуется в механическую энергию, и импульс давления магнитного поля действует непосредственно на заготовку без участия какой-либо передающей среды. Это позволяет осуществлять деформирование, как в вакууме, так и в любой среде, не препятствующей распространению магнитного поля.

В установку для магнитно-импульсной обработки обычно входят зарядное устройство 1, состоящее из высоковольтного трансформатора Т_р и выпрямителя V, коммутирующее устройство 3, включающееся при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывающее разряд батареи 2 высоковольтных конденсаторов С на индуктор 4 (рис.6.6).

При прохождении разрядного тока через индуктор 4 в окружающем его пространстве образуете; электромагнитное поле Ф, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит токи в заготовке 5. В результате взаимодействия тока, наведенного в заготовке 5, с электромагнитным полем индуктора 4 возникает магнитное давление F_м на заготовку 5, вызывающее ее деформацию.

Электродинамические силы взаимодействия между индуктором и деформируемой металлической заготовкой зависят от электрических и магнитных характеристик, а также размеров и взаимного расположения индуктора и заготовки.

Рис. 6.6. Принципиальная схема процесса магнитно-импульсной обработки металлов

Для разгона метаемого элемента 4 при магнитно-импульсной обработке необходимо сильное магнитное поле Ф. Энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов, сравнительно невелика. Эффективность использования этой энергии на разгон метаемого элемента зависит от правильного расчета электродинамических сил, действующих на индуктор и деформируемую заготовку.

Поэтому важно знать основные параметры процесса магнитно-импульсной обработке металлов.

Одним из наиболее важных параметров является энергия, запасаемая в батарее конденсаторов;

W = 0,5·C·U². (6.1.)

Параметры разрядного контура при магнитно-импульсной обработке подбираются такими, чтобы разряд был периодическим. Это выполняется, если активное сопротивление разрядного контура r_а

(6.2.)

где r_а

r_а = r_у + r_и-з, (6.3)

а индуктивность разрядного контура L

L = L_у + L_и-з, (6.4)

где, r_у – активное сопротивление магнитно-импульсной установки;

r_и-з – активное сопротивление системы индуктор – заготовка;

L_y – собственная индуктивность магнитно-импульсной установки (в режиме короткого замыкания);

L_и-з – индуктивность системы индуктор – заготовка.

Если условие 6.2 выполняется, то ток i в цепи индуктора при разряде конденсаторной батареи может быть определен из уравнения:

(6.5.)

где t – время, с.

Из (6.5) следует, что изменение тока имеет характер периодического затухающего разряда с круговой часто ω, определяемой в общем случае соотношением

. (6.6)

При выполнении условия (6.2) вторым членом в подкоренном выражении (6.6) можно пренебречь ввиду его малости. Тогда круговая частота разряда

(6.7)

Зная ω, можно определить период разряда:

(6.8)

Напряженность магнитного поля в любой точке окружающего пространства пропорциональна току разряда

Н = k₁ ί, (6.9)

где k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических параметров системы индуктор – заготовка и координат точки.

Давление магнитного поля можно характеризовать плотностью энергии:

P = 0,5 В·Н, (6.10)

где B = H·μ – индукция магнитного поля; μ – магнитная проницаемость среды.

При магнитно-импульсной обработке, когда величина B па порядок выше индукции насыщения ферромагнитных материалов, μ следует заменить на μ₀ – магнитную постоянную. Тогда формулу (6.10) можно записать в виде:

P = 0,5 μ₀ Н². (6.11)

Согласно выражению (6.11), давление магнитного поля при хорошей индуктивной связи системы индуктор – заготовка прямо пропорционально квадрату разрядного тока:

P = k₂ ί² (6.12)

или

(6.13)

где k₂ – коэффициент, учитывающий соотношение геометрических параметров системы индуктор – заготовка.

В большинстве процессов магнитно-импульсной обработки, в том числе и при магнитно-импульсной сварке, заготовка под действием магнитного поля деформируется, что ведёт к изменению ω и P вследствие изменения параметров системы индуктор – заготовка. Это значительно усложняет расчёт давлений при магнитно-импульсной обработке металлов.

Энергия, накопленная в конденсаторной батарее 2 (см. рис.6.6), при разряде превращается в полезную механическую работу деформации заготовки 4 и теряется на нагрев цепи.

Полный баланс энергии системы – к концу процесса деформации

W = W₁ + W₂ + W₃, (6.14)

где, и – тепловые потери энергии на нагрев цепи магнитно-импульсной установки и системы индуктор – заготовка;

– полезная энергия поля, затраченная на движение деформируемой части заготовки на активном участке деформирования;

∆L _и-з – приращение индуктивности в системе индуктор – заготовка за счёт совершения полезной работы по разгону и деформированию заготовки.

Если предположить, что нагрев заготовки за счёт части энергии W₂ не влияет на процесс деформирования, то к.п.д. процесса можно рассчитать по формуле

h = W₃ /W = W₃ /(W₁ +W₂+W₅) (6.15)

Для повышения η следует стремиться к уменьшению потерь энергии на нагрев установки, индуктора и заготовки.

Тепловые потерн пропорциональны активному сопротивлению, зависящему от глубины проникновения магнитного поля ∆, которая при деформации плоских заготовок должна быть меньше толщины материала заготовки

(6.16)

где σ₀ – удельная электрическая проводимость.

При магнитно-импульсной сварке или штамповке в металлическую матрицу тонких заготовок проникновение магнитного поля через заготовку приводит к появлению так называемой «магнитной подушки». Сущность этою явления состоит в том, что объем поля, проникшего между свариваемыми поверхностями заготовок или между заготовкой и металлической матрицей, уменьшается с уменьшением зазора между ними.

Поскольку общий магнитный поток Ф₁ = Н×F_п (где F_п – площадь, пронизываемая полем, Н – напряженность поля в зазоре между заготовкой и инструментом) должен сохраняться, напряженность поля Н в зазоре при деформации заготовки будет увеличиваться и может достичь значении, при которых будет наблюдаться резкое снижение скорости деформирования.

Существуют три основные схемы магнитно-импульсного деформирования с использованием индуктора:

1) обжим трубчатых заготовок индуктором, охватывающим заготовку;

2) раздача трубчатых заготовок индуктором, помещенным внутрь заготовки;

3) деформирование листовых заготовок плоским индуктором.

Эти схемы деформирования, широко применяемые в операциях штамповки, можно использовать при магнитно-импульсной сварке.

Области применения MИO весьма разнообразны и охватывают преимущественно операции обработки давлением тонкостенных металлических заготовок любых форм. Преимуществами установок МИО следует считать отсутствие движущихся и трущихся частей; легкость управления и регулирования мощности; компактность, простота обслуживания, ремонтоспособность и возможность встраивать в поточные линии; высокую производительность; несложность механизации и автоматизации операций обработки; лучшие условия труда по сравнению с другими методами обработки деталей давлением.

Недостатками являются относительно невысокий КПД процесса; сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими прохождению тока; низкая долговечность индуктора, сложность обработки деталей большой толщины. МИО используется при развальцовке тонкостенных металлических заготовок любой формы, опрессовке, выдавливание гофров, раздаче труб, чеканке, штамповке и др.

Далее: 6.4. Электромагнитные насосы