Магнитно-импульсные установки

Особенностью магнитно-импульсного оборудования является отсутствие инструмента. Его роль выполняет магнитное поле. Силы, действующие на заготовку, являются объемными, а не поверхностными, как при других способах обработки.

Магнитно-импульсные силы могут действовать через диэлектрические материалы, например, внутри стеклянного сосуда в вакууме или в газовой среде заданного состава.

Объемная плотность силы , действующей на обрабатываемую заготовку

. (1)

Плотность тока J, а следовательно, сила и давление P, оказываемое на заготовку, при прочих равных условиях тем больше, чем выше электропроводность материала заготовки.

Поэтому магнитно-импульсной обработке легче всего поддаются заготовки из меди, алюминия, серебра, магния их сплавов. Максимальное давление магнитного поля на металлическую стенку

(2)

– магнитная постоянная, – напряженность магнитного поля.

Для получения достаточного давления необходимы импульсы тока с амплитудой, измеряемой сотнями тысяч ампер.

Ток разряда установки магнитно-импульсной обработки металлов можно приближенно выразить уравнением типа затухающего гармонического колебания:

, (3)

где – частота колебаний тока; r – активное сопротивление контура разряда; L – индуктивность контура разряда; C – емкость конденсаторной батареи.

Частота определяется из выражения

, (4)

где – собственная частота контура.

Величины r и L представляют собой суммарные значения соответственно сопротивлений и индуктивностей коммутатора тригатрона, кондесаторной батареи, подводящих шин и параметров индуктора и заготовки:

(5)

. (6)

Первые три сопротивления и индуктивности практически постоянны и являются собственными сопротивлениями и индуктивности установки. Сопротивление и индуктивность
с учетом процессов, протекающих в обрабатываемой заготовке, являются переменными.

Таким образом, контур разряда конденсатора является нелинейным, и уравнение (1) следует рассматривать как приближенное. Из этого уравнения получаем значение первого максимума тока, которое определяет большую напряженность поля:

. (7)

При значении ток разряда имеет колебательный характер. Так как для повышения эффективности магнитно-импульсной установки необходимо снижать внутреннее сопротивление (повышать к.п.д.), то это соотношение на практике выполняется с большим запасом. Еще более важно, чтобы возможно меньшей была внутренняя индуктивность установки:

. (8)

Она определяет энергию, бесполезно расходуемую на создание «паразитных» магнитных полей в коммутаторе, шинах и конденсаторах установки.

Следует отметить, что токи, индуктированные магнитным полем в заготовке, вызывают нагрев заготовки. При магнитно–импульсной обработке металлов температура нагрева заготовки значительно меньше. Тепло выделяется в тонком поверхностном слое заготовки.

Действие импульсного магнитного поля аналогично давлению сжатого газа на пористую стенку, сквозь которую этот газ протекает. Возникающая пондеромоторная сила пропорциональна изменению плотности магнитной энергии по направлению силы.

В зависимости от характеристики импульсного магнитного поля (распределения его в пространстве и во времени), от физических свойств материала, геометрических размеров заготовки изменяется силовое и теплое поле в заготовке и, следовательно, протекание рабочего процесса магнитно-импульсного формообразования. В частности, первостепенное значение имеет выбор надлежащей формы кривой пропускаемого через индуктор импульсного тока. Скорость нарастания (частота колебаний) этого тока должна быть достаточно большой, чтобы глубина проникновения поля в заготовку была меньше толщины заготовки s.

Глубину проникновения электромагнитной волны приближенно можно подсчитать по формуле

, (9) где, – относительная магнитная проницаемость; – удельное сопротивление металла, Ом·м; – частота переменного тока, Гц.

Если глубина проникновения > S, то сила, действующая на заготовку, ослабевает, особенно когда под заготовкой находится металлическая матрица.

Для создания высокой плотности тока и давления на заготовку З потребуется индуктор И (рис. 1, в, г, д, е).

На (рис. 1, а, б) магнитно-импульсная обработка производится за счет пропускания тока непосредственно по заготовке. Заготовка или ее часть движутся в направлении действия электродинамических сил, показанных стрелками. В зависимости от цели обработки за заготовкой размещается матрица той или иной формы. На (рис. 1, б) обратный токопровод выполнен в виде трубки. Он вместе с заготовкой З образует коаксиальную малоиндуктивную систему. Недостаток такой схемы – ограничения в получении больших разрядов тока.

Рис. 1. Магнитно-импульсная установка: а-е – типовые схемы магнитно-импульсного оборудования

В схемах с индуктором (рис. 1, в, г, е) эта проблема решается. Схемы (рис. 1, в, е) для обработки плоских заготовок.

Индуктор во время работы испытывает импульсные механические давления, соответствующие создаваемому им полю и имеющие тот же порядок, что и давления, обрабатывающие заготовку. Поэтому его надо выполнять с очень высокой механической прочностью к ударным нагрузкам. Обмотки индуктора нагреваются протекающими по ним импульсными токами, и при большой частоте повторения операций его необходимо принудительно охлаждать.

Нередко между индуктором и обрабатываемой заготовкой помещают концентратор (рис. 1, д) магнитного поля, представляющий собой массивный разрядный вторичный виток, индуктивно связанный с обмоткой индуктора.

Электрические схемы замещения разрядных контуров различного магнитно-импульсного электрооборудования, используемые для расчетов переходных процессов, представлены на рис. 2. Они включают в себя внутренние индуктивности и активные сопротивления установок , индуктивности и активные сопротивления заготовок

Рис. 2. Схемы замещения разрядных цепей установок
с пропусканием тока через заготовку (а), с индуктором (б) и концентратором (в)

При использовании индукторов необходимо учитывать их индуктивности и активные сопротивления , а также взаимную индуктивность (рис. 2, б). Наиболее сложной является схема замещения разрядной цепи с концентратом (рис. 2, в). В нее кроме упомянутых элементов входят взаимные индуктивности «индуктор-концентратор » и «концентратор-заготовка », а также активное сопротивление концентратора , индуктивности участков концентратора, граничащих с обмоткой , с заготовкой , и в щели . Все эти схемы приводятся к одной, состоящей из последовательно соединенных конденсатора , заряженного до напряжения , суммарных индуктивности и активного сопротивления .

Концентратор позволяет снизить давления, действующие на индуктор, распределяя их на большую поверхность и надлежащим образом преобразовать магнитное поле у заготовки, чтобы получить требуемое распределение давлений на заготовке.

Работа формообразования при магнитно-импульсной обработке металлов производится энергией, накопленной в заряженной конденсаторной батарее установки:

.

Поэтому магнитно–импульсную установку характеризует прежде всего максимальная энергия, которая может быть получена в накопителях. Эта энергия выражается в килоджоулях.

Однако сама по себе энергия в накопителях еще не определяет полностью работоспособность установки. Из этой энергии часть расходуется на образование «паразитных» магнитных полей:

, (10)

часть расходуется на активные потери в элементах установки:

. (11)

Значительны потери также в системе индуктор-заготовка. Как показывают расчеты и эксперименты, основное формообразующее действие магнитного поля на заготовку осуществляется на протяжении первого полупериода тока и при прочих равных условиях примерно пропорционально квадрату амплитуды тока . Из (5) при находят

, (12)

где, – полная индуктивность контура разряда по (4).

Индуктивность индуктора (с учетом влияния заготовки) определяется условиями, связанными преимущественно с характером технологической операции, для выполнения которой он предназначен и может принимать различные значения в зависимости от типа индуктора, подключенного к установке.

Поэтому для подключения высокой эффективности магнитно-импульсной установки необходимо, чтобы

. (13)

Иначе энергия накопителя бесполезно расходуется на создание паразитных магнитных полей, тригатрона и конденсаторов.

Отношение (9) должно соблюдаться и потому, что частота f колебаний тока разряда должна быть достаточно велика, чтобы глубина проникновения была не больше толщины заготовки. Чем меньше толщина s обрабатываемой заготовки, тем больше должно быть f.

Но, если в формуле (2) пренебречь сопротивлением r, то

. (14)

Из последнего соотношения видно, что всемерное уменьшение индуктивности L установки необходимо не только для повышения энергии магнитного поля индуктора, но и для получения достаточно высокой частоты колебаний f .

Блок-схема для обработки металлов импульсным магнитным полем на рис. 3. Установка состоит из емкостного накопителя энергии, подключаемого к сети через пускорегулирующее устройство ПРУ, и высоковольтный выпрямитель ВВ. Коммутатор Р управляется блоком автоматики через поджигающее устройство ПУ. Блок автоматики соединен с задатчиком З и делителем напряжения ДН. Когда величина заряда конденсатора (от специального зарядного источника) достигает заданного значения. На поджигающий электрод коммутатора-тригатрона подается поджигающий импульс, под влиянием которого пробивается искровой промежуток между основными электродами, вследствие чего предварительно заряженный емкостной накопитель разряжается через индуктор . Мощный импульс тока протекает через обмотку индуктора и создает импульсное магнитное поле, которое индуктирует в обрабатываемом материале вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного поля и индуктированного им тока возникают импульсные механические (пондеромоторные) силы, вызывающие деформацию заготовки.

Рис. 3. Блок-схема установки магнитно-импульсной
обработки металлов

Следовательно, эффективность магнитно-импульсной установки оказывается тем выше, чем больше снижена индуктивность ошиновки, тригатрона и конденсаторов. Для этого цепь тока разряда разбивают на большое число параллельных взаимосвязанных ветвей, собираемых вместе только непосредственно у индуктора. По той же причине для емкостного накопителя необходимо применять специальные высоковольтные малоиндуктивные конденсаторы с достаточно малой собственно индуктивностью.

Магнитно-импульсная обработка металлов имеет следующие достоинства:

– отсутствие механического соприкосновения между обрабатываемой деталью и индуктором, что позволяет точно, чисто электрическим путем, дозировать усилия, прикладываемые к заготовке усилий в данной магнитно-импульсной установке однозначно определяется напряжением, до которого заряжены конденсаторы. Поэтому легко обеспечивается полная идентичность изготовляемых изделий;

– отпадает необходимость в сложных штампах; простота рабочих индукторов и удобство замены их, простые формы матриц делают применение магнитно-импульсных установок при малых партиях деталей так же выгодными, как и при больших;

– производительность магнитно-импульсных установок очень высока и может достигать 300-600 и более операций в час: затруднение возникает лишь в связи с необходимостью охлаждать индуктор;

– легко можно осуществить полную или частичную автоматизацию установки и включение ее в состав автоматических линий.

Контрольные вопросы

1. Особенности обработки металлов магнитно–импульсным полем.

2. Достоинства магнитно–импульсной обработки металла

3. Условия для создания давления и импульса для обработки металла.

4. Блок-схема установки магнитно-импульсной обработки металлов.

5. Отчего зависит ток разряда магнитно-импульсной установки обработки металлов?

6. Какова роль индуктора в электрических схемах по обработке металлов магнитно импульсным током?

7. Какие функции выполняет концентратор в электрических схемах по обработке металлов магнитно-импульсным способом?

8. Потери в системе индуктор-заготовка.

9. Схемы замещения цепей установок для магнитно-импульсной обработки металлов.

10. Типовые схемы магнитно-импульсного оборудования.