Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л. 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электротехнологические процессы и оборудование»

 

МАГНИТО-ИМПУЛЬСНАЯ ОПЕССОВКА

ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Ростов-на-Дону 2007

 

Методические указания содержат сведения о механизме возникновения механических сил в результате взаимодействия проводника (металлической заготовки) с быстронарастающим магнитным полем соленоида. Описана конструкция и электрическая схема установки для магнитно-импульсной обработки (МИО). Описаны технологические операции с использованием МИО, порядок выполнения лабораторной работы.

Предназначены для студентов специальностей 150202 всех форм обучения.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить технологию и оборудование магнитно-импульсной обработки  (МИО) металлов и получить практические навыки МИО.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Магнитно-импульсная обработка металлов основана на взаимодействии сильных импульсных электромагнитных полей с металлической заготовкой и используется в основном для импульсного пластического деформирования металлов и сплавов на основе непосредственного преобразования электрической энергии в механическую работу. Давления, необходимые для осуществления механической деформации, получаются в результате взаимодействия проводника (металлической заготовки) с быстронарастающим (или быстроуменьшающим) магнитным полем индуктора (соленоида).

 

2.1. Теоретические положения

 

Объемная плотность механических сил, действующих на проводник с током, внесенный в магнитное поле (такие силы получили название пондемоторных)

F = 0,1[j H]          (1)

где [j H] – векторное произведение плотности тока на вектор напряженности магнитного поля.

Компонентами пондемоторных сил являются силы F_Z – аксиальная сила, сжимающая соленоид с торцов, и F_r – радиальная сила, направленная по радиусу и стремящаяся разорвать соленоид в радиальном направлении

F_Z  = 0,1 j H_Z        (2)

F_r  =  0,1 j H_r        (3)

где H_Z и H_r – аксиальная и радиальная составляющие магнитного поля соответственно.

При некотором критическом значении напряженности магнитного поля давление пондемоторных сил на заготовку может превысить предел текучести или прочности материала, что приведет к деформированию заготовки. Такие магнитные поля получают, разряжая на соленоид предварительно заряженную конденсаторную батарею. Принципиальная схема установки для МИО материалов приведена на рис.1.

Конденсаторная батарея 3 заряжается постоянным током повышенного напряжения через выпрямитель 2 от высоковольтного источника переменного тока I.

По окончании зарядки конденсаторная батарея с помощью коммутирующего устройства – разрядника 4 разряжается на соленоид (индуктор) 5, внутри которого размещается заготовка 6. При прохождении импульса тока по соленоиду вокруг витков соленоида возникает мощный импульс магнитного поля. В результате самоиндукции в трубчатой заготовке индуцируются (наводятся) вихревые токи. Взаимодействие магнитного поля соленоида с магнитным полем наведенных токов вызывает появление пондемоторных сил, деформирующих заготовку.

 

 

Рис.1. Принципиальная схема электрической цепи установки для МИО металлов

 

Магнитное деформирование можно представить следующим образом. Магнитные силовые линии свободно проходят через внутреннюю полость соленоида в том случае, когда она пуста или когда в ней находится изолятор, например стержень из текстолита. При помещении внутрь соленоида трубы из электропроводящего материала, например, алюминия, силовые линии магнитного поля «выжимаются» в зазор между витками соленоида и поверхностью трубы. Действие магнитного поля в этом случае можно сравнить с действием сильного сжатого газа, помещенного в зазор между обмоткой индуктора и заготовкой. Магнитное поле стремится расшириться, что приводит к деформированию трубчатой заготовки. Естественно, жесткость соленоида должна быть достаточной, чтобы при этом он не деформировался.

Зависимость электромагнитных сил от электропроводности материала заготовки можно показать математически. Наведенный под действием ЭДС в заготовке ток подчиняется правилу Ленца, т.е. он выбирает такие пути и направления, чтобы как можно сильнее противодействовать причине, которая его вызывает.

В замкнутом контуре вектор плотности тока (J) определяется соотношением

J = σЕ,        (4)

где    σ  – электропроводность материала заготовки;

Е – вектор напряженности электрического поля наведенных токов.

С учетом (4) выражение для пондемоторных сил через магнитную индукцию можно представить в виде

F = σЕВ               (5)

или в скалярной форме

F = σ |Е| |В| sinα    (6)

где    В – вектор магнитной индукции;

α – угол между векторами напряженного электрического и магнитных полей.

ЭДС возникает не только в движущемся, но и в неподвижном контуре, если последний пронизывает резко изменяющийся магнитный поток (Ф):

ек = dФ/dt            (7)

для соленоида ЭДС составит

еL = –wdФ/dt = d ΨL/dt

где    Ψ = wФ – потокосцепление для соленоида с числом витков w. С увеличением скорости изменения магнитного потока растет значение индуцированного тока.

J_z = –1/RЗ (dФ/dt)

где    RЗ – резистивное сопротивление заготовки;

dФ/dt – скорость изменения магнитного потока во времени.

В импульсной технике используется термин «крутизна фронта», которая характеризуется временем нарастания тока от нуля до максимального значения. Крутым считается фронт, при котором изменение магнитного потока во времени происходит за несколько микросекунд. При МИО обычно используются магнитные поля длительностью порядка 20…100 мкс. Как правило, чем круче импульс, тем выше достигаемый эффект.

Таким образом, для осуществления МИО необходимо иметь:

·        высокую электропроводность материала заготовки;

·        малое расстояние от заготовки до индуктора;

·        значительную энергию магнитного поля;

·        высокую скорость изменения магнитного потока,

 

2.2. Классификация технологических операций при МИО

 

Все детали, изготавливаемые на МИО по типу применяемого инструмента (индуктора) и используемой технологической оснастки, разделены на три схемы, с помощью которых осуществляют формообразование:

2.2.1. Цилиндрический спиральный индуктор, внутри которого расположена трубчатая заготовка. Технологические операции, выполняемые по данной схеме, по характеру деформации обрабатываемой заготовки, принято называть «обжимом» (рис.2),

2.2.2. Цилиндрический спиральный индуктор, коаксиально расположенный внутри трубчатой заготовки («раздача») (рис.3).

2.2.3. Спиральный плоский индуктор, расположенный над плоской обрабатываемой заготовкой («листовая формовка»), рис.4. Плоский индуктор выполняется в виде спирали Архимеда.

 

 

 

 

Основные параметры режима МИО):

·        емкость накопительного блока – С, мФ;

·        частота разрядного тока – f₀, кГц;

·        напряжение на накопителе – U_раб, кВ;

·        энергия разряда – WP = С U_раб/2,  кДж.

Значения параметров режимов МИО выбираются в зависимости от материала и конструкции обрабатываемых деталей, типа обработки и конструкции индуктора.

 

2.3. Элементы оборудования МИО

 

Установки для МИО состоят из двух основных узлов: подготовительного (накопление энергии и формирование импульсного напряжения и тока) и узла исполнительного – технологического. К первому узлу относятся генераторы импульсных токов, ко второму – индукторы и связанная с ними технологическая оснастка. На рис.5 показана функциональная электрическая схема установки МИО.

 

 

Рис. 5. Функциональная схема установки МИО

 

Емкостный накопитель энергии (батарея высоковольтных конденсаторов) 1 заряжается от зарядного устройства 3 до требуемого напряжения. При накоплении энергии до заданного количества батарея разряжается в импульсном режиме на рабочий индуктор 9 через коммутирующее бесконтактное устройство 10 и ошиновку (токопровод) 11. В функции устройства 4 входит управление, контроль и сигнализация. Поджигающее устройство 8 подает команду на включение бесконтактного коммутирующего устройства 10. Командный датчик 5 и делитель напряжения 6 регулируют значение запасенной энергия в автоматическом режиме работы. По достижении установленного напряжения заряда батареи конденсаторов 1 блок автоматики 7 подает импульсы на включение поджигающего устройства, снятие остаточного напряжения с накопителя энергии и блокировку осуществляет контактное коммутирующее устройство 2.

 

2.3.1. Генераторы импульсов тока

 

Генераторы импульсов тока (ГИТ) преобразуют электрический ток промышленной частоты в импульсы токов большой амплитуды, которые образуются при разряде мощной конденсаторной батареи. Основными элементами генератора являются: зарядное устройство, батарея конденсаторов, коммутирующее и поджигающее устройство.

В состав зарядного устройства входят повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель и пускорегулирующая аппаратура.

Основные технические характеристики ГИТ, используемые в промышленности для МИО:

·        запасенная энергия – W = 5...10 кДж;

·        ток разряда (амплитудное значение) – i = 1...1000 кА;

·        напряжение на накопителе – U_раб = 6...I5 кВ;

·        частота разрядного тока – f₀, = 10...20 кГц.

 

2.3.2. Емкостный накопитель

 

Наиболее дорогой энергетический узел МИО емкостный накопитель.

В установках МИО применяются импульсные конденсаторы, что обусловлено их способностью отдавать накопленную энергию в виде коротких импульсов большой мощности.

К ним предъявляются следующие требования:

·        низкая собственная индуктивность и способность выдержать большое количество импульсных разрядов;

·        минимальная масса, габариты и стоимость.

 

2.3.3. Коммутирующие устройства

 

Для управления началом разряда емкостного накопителя МИУ используют игнитрон, тиратрон, вакуумные и воздушные трехэлектродные разрядники (тригатроны), а также различные механические двухэлектродные коммутаторы. Схема и конструкция коммутирующего устройства должна обеспечивать:

·        минимальную индуктивность и активное сопротивление главной  цепи;

·        высокую работоспособность;

·        легкую замену изнашиваемых деталей (электродов);

·        способность коммутировать токи 10…1000 кА при частоте разрядного контура 1…200 кГц.

Наиболее широко в МИУ используются трехэлектродные воздушные разрядники и игнитроны. Трехэлектродные воздушные разрядники не выпускаются промышленностью, а проектируются и изготавливаются индивидуально вместе с МИУ. в то время как игнитроны выпускаются промышленностью и используются при изготовлении МИУ как комплектующий узел.

Рассмотрим конструкцию игнитронного разрядника ИРТ-6 (рис.6).

 

 

Рис. 6. Конструкция игнитрона  ИРТ-6

 

Металлический корпус – катод игнитрона – состоит из наружной 8 и внутренней 9 цилиндрических оболочек. Полый объем между оболочками через штуцеры 7, 14 заполняется проточной водой для охлаждения. Расход воды в номинальном режиме 1 л/мин. Верхняя часть корпуса приварена к контактному фланцу 6, нижняя часть – ко дну 10 через фасонную шайбу 13. Молибденовый анод игнитрона 16 с помощью контактного стержня 3 и проходного стеклянного изолятора 4 выводится на наружную поверхность.

Внешняя токоподводящая шина присоединяется к аноду с помощью шайб 1, 2 и прижимной гайки 19. Корпус игнитрона – катод – присоединяется к токоподводящей шине шайбой 5 и болтами 18. Поджигающий электрод 11 через проходной изолятор 12 введен в полость, заполненный ртутью 15.

 

Технические данные игнитрона ИРТ-6

 

2.3.4. Поджигающее устройство

 

Трехэлектродние разрядники – тригатроны и игнитроны – требуют специальных поджигающих устройств, которые осуществляют запуск основного  разрядника. Они могут быть с механическим и электрическим запуском. При этом на электрод поджога подается импульс напряжения     вызывающий вспомогательный разряд.

Электрические параметры поджигающего импульса должны соответствовать техническим характеристикам силового коммутирующего устройства – тригатрона или игнитрона, например ИРТ-6.

Рассмотрим для примера работу простейшей схемы поджигающего устройства, представленной на рис.7.

 

    

 

Рис. 7. Электрическая схема поджигающего устройства

 

Поджигающая емкость С_п заряжается от повышающего трансформатора через выпрямитель В и ограничительное сопротивление R. Разряд емкости С_п на поджигающий электрод осуществляется путем замыкания коммутирующего устройства КУ.

 

2.3.5. Технологический узел – индуктор

 

Индуктор является одним из наиболее важных узлов установки МИО, поскольку от его конструкции и качества исполнения зависят возможность выполнения МИО и ее качество. К технологическому узлу предъявляют следующие требования:

·        высокая эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию деформации заготовки;

·        высокая механическая и электрическая прочность;

·        конструктивная и технологическая простота.

 В зависимости от назначения индукторы выполняются в виде одно- и многовитковых катушек, плоской спирали и др.

Долговечность индукторов во многом зависит от качества применяемой изоляции, ее электрических и механических свойств. При прохождении по спирали индуктора больших токов она подвергается значительным механическим и тепловым нагрузкам,

Необходимый тепловой режим индуктора обеспечивается охлаждением его спирали жидкостью, пропускаемой по специальным каналам в нем.

Для снижения паразитной индуктивности зазор паза между токопроводами выполняются минимально допустимыми, исходя из механической и электрической прочности изоляции.

 

2.3.6. Ошиновка

 

Из условий эффективности работы МИУ к ошиновке предъявляются следующие требования:

·        конструкция ошиновки должна быть механически прочной, способной выдержать большие электродинамические усилия;

·        индуктивность ошиновки и активное сопротивление должны быть минимальными;

·        упругая деформация токоподвода ошиновки в процессе разряда конденсатора недопустима;

·        рабочая температура изоляции ошиновки при максимальной производительности МИУ не должна превышать допустимого значения температуры для принятого класса изоляции.

Ошиновка основных элементов разрядного контура МИУ выполняется плоскими параллельными близко расположенными шинами, либо стандартным коаксиальным кабелем. Целесообразность использования той или иной ошиновки определяется стоимостью и условием эксплуатации.

 

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

3.1. Изучить принципы формообразования при МИО и параметры режимов МИО.

3.2. Изучить технологию МИО «обжатия», «раздачи» и «листовой формовки».

3.3. Изучить функциональное назначение основных узлов установки для МИО.

3.4. Изготовить реальное сборочное соединение МИО методом «обжатия»

3.5. Изучить реальную конструкцию установки для МИО типа «Импульс АМК», используя технический паспорт и описание.

 

4, ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Изучить технику безопасности при работе с установкой для МИО.

4.2. Изучив технологию и оборудование МИО, начертить функциональную блок-схему установки и дать краткое описание функциональных узлов.

4.3. Начертить эскиз сборочной единицы, предлагаемой преподавателем для МИО.

4.4. Выполнить МИО сборочной единицы по методу «обжатие» и указать параметры режимов обработки.

Все технологические операции - демонстрационные и выполняются сотрудниками или преподавателями университета.

4.5. Начертить эскиз соединения, полученного в результате МИО.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

5.1. Содержание рабочего задания.

5.2. Функциональная схема установки для МИО и краткое описание функциональных блоков.

5.3. Эскиз сборочной единицы, заданной преподавателем до и после MИO.

5.4. Параметры режимов МИО заданной сборочной единицы.

5.5. Дать краткое описание влияния отдельных параметров режимов МИО на степень обжатия обрабатываемой детали.

 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ НА УСТАНОВКЕ МИО

 

1. Технологический процесс МИО выполняется как демонстрационный только сотрудниками университета. В процессе работы установки студенты должны находиться вне рабочей зоны за специальным ограждением, на расстоянии не менее 1,5 м от рабочей зоны.

2. К работе на установке МИО допускаются лица, изучившие технический паспорт, прошедшие инструктаж по технике безопасности и имеющие квалификационную группу не менее II с правом работы на электроустановках выше 1000 В.

3. Перед эксплуатацией установки необходимо проверить наличие заземления. Заземление выполняется стальной шиной сечением не менее 24 мм² при толщине не менее 3 мм.

4. Техническое обслуживание установки МИО, смену инструмента производить только после выключения автомата «СЕТЬ» и снятия остаточного заряда с конденсаторов емкостью накопителя с помощью разрядной штанги.

5. Запрещается работать на установке МИО при открытых частях высоковольтных блоков, пользоваться диэлектрическими ковриками и разрядными штангами с просроченным сроком их аттестации.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов по спец. – «Электроснабжение пром. Предприятий». М.: Высш. шк., 1988. – 336 с.

2. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов /Белый И.В., Ферти СМ., Хименко Л.Г. – Харьков: Вища школа, 1977. – 168 с.

3. Миронов В.А. Магнитно-импульсное прессование порошков. – Рига: Зинатне, 1980. – 196 с.

 

Составители:

доктор техн. наук                  Вячеслав Андреевич Ленивкин

доктор техн. наук                  Борис Львович Стрижаков

кандидат техн. наук      Владимир Михайлович Евченко