Магнитоимпульсное формообразование

Введение

Магнитоимпульсное формообразование относится к методам обработки давлением. По технологическим параметрам этот вид обработки близок к электровзрывному формообразованию. Сила, вызывающая деформацию, создается за счет электромагнитных эффектов непосредственно в самой заготовке, выполненной из электропроводного материала.

В данном случае никаких промежуточных рабочих сред для передачи механических усилий на заготовку не требуется. Схема метода показана на рисунке 9.1

Рисунок 9.1 — Схема магнитоимпульсного формообразования

1 – выпрямитель; 4 – обмотка возбудителя;

2 – батарея конденсаторов; 5 – заготовка;

3 – переключающее устройство; 6 – матрица.

От выпрямителя 1 заряжается батарея конденсаторов 2, в электрическом поле которых к началу обработки накапливается энергия:

(9.1)

где: С – емкость батареи конденсаторов, Ф;

U_c – напряжение на обкладках конденсаторной батареи, кВ.

Емкость батареи достигает 100 мкФ, U_c – десятков киловольт.

С помощью переключающего устройства 3 заряженная батарея конденсаторов подсоединяется к обмотке 4 возбудителя, предназначенного для создания магнитного поля определенной пространственной конфигурации.

Конденсаторы в течение очень короткого времени разряжаются на обмотку возбудителя, максимальная сила разрядного тока I достигает сотен и тысяч килоампер.

В окрестности возбудителя, где установлена заготовка 5, создается быстроизменяющееся магнитное поле, которое приводит к возникновению электромагнитной силы . Эта сила вызывает деформацию листовой заготовки, которая принимает форму матрицы 6.

Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля конденсаторов преобразуется в энергию магнитного поля возбудителя, а затем в работу деформации заготовки и частично в теплоту.

Формообразование протекает очень быстро. Время операции определяется в основном длительностью зарядки конденсаторов и вспомогательным временем на замену заготовок.

Установка для магнитоимпульсной обработки (МИО) во время деформации заготовки не взаимодействует с внешней средой, время обработки длится 100 мкс.

МИО применяется для изготовления деталей толщиной менее 3 мм из листовых заготовок из стали, латуни, алюминия, меди и даже из сплавов с малой пластичностью.

Первая установка была создана академиком П.Л. Капица в 20-х годах ХХ столетия. На этой установке удалось достичь напряженности магнитного поля Н=10⁷ А/м.

В конце 50-х – начале 60-х годов были построены исследователями установки, создающие магнитные поля с напряженностью Н=10⁹ А/м.

Одновременно в СССР и США разрабатывались устройства промышленного назначения МИО для технологических целей.

Достоинства магнитоимпульсного формообразования:

— простота оборудования;

— отсутствие инструмента;

— возможность получения деталей сложной конфигурации;

— отсутствие движущихся узлов;

— простота автоматизации процесса;

— отсутствие рабочей среды;

— нет необходимости герметизировать рабочее пространство;

— формообразование можно проводить через непроводящую оболочку.

Однако требуется тщательное обоснование применения данного метода, поскольку силы, вызывающие деформацию, существенно зависят от физико-химических и геометрических свойств заготовки. [7]

1. Физика процесса

1.1 Разновидности магнито-импульсного формообразования.

Оно осуществляется двумя способами:

— электродинамическим – при взаимодействии токов в возбудителе и заготовке, включенной в цепь разряда конденсаторов;

— индукционным – при взаимодействии импульсного магнитного поля, которое создается возбудителем, с токами, наведенными в заготовке самим же полем; при этом заготовку не включают в электрическую цепь.

1) Электродинамический способ основан на электромеханическом взаимодействии проводников, в которых протекают токи.

Рисунок 9.2 — Схема электромеханического взаимодействия проводников

Как известно из электротехники, параллельные провода с одинаково направленными токами и притягиваются, а с противоположно направленными – отталкиваются.

Сила притяжения (или отталкивания) прямо пропорциональна произведению сил токов , длине проводов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами а:

(9.2)

где К_F – коэффициент пропорциональности.

Рисунок 9.3 — Схема электродинамического способа формообразования

1 – заготовка; 3 – кольцевая перемычка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.

В данном случае цилиндрическая заготовка 1 и возбудитель 2 соединены последовательно с помощью электропроводной кольцевой перемычки 3 и подключены к конденсаторной батарее.

Током І разряда в возбудителе 2 создается магнитное поле с индукцией В, которое, взаимодействуя с током І той же силы в заготовке 1, создает в ней сжимающие силы F_э. Заготовка опрессовывает матрицу 4.

Поскольку токи в заготовке и возбудителе соответствующим образом распределены по их объемам, то общие соотношения для расчета электромагитных сил F_э оказываются довольно сложными.

Эти силы растут с увеличением силы токов и уменьшением расстояния между возбудителем и заготовкой.

Недостатком электродинамического способа является необходимость включения в разрядную цепь деформируемой заготовки, что не всегда возможно.

2) Индукционный способ более распространен. Заготовку не включают ни в какие электрические цепи.

Рисунок 9.4 — Схема индукционного способа формообразования

1 – батарея конденсаторов; 3 – заготовка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.

Например, внутри возбудителя 2 установлена трубчатая заготовка 3, которая под действием электромагнитных сил F_э опрессовывает форму (матрицу) 4.

Из физики известно, что плотность энергии магнитного поля равна .

Где: В – магнитная индукция, Вб;

Н – напряженность магнитного поля, А/м.

Для воздуха: (9.3)

где – магнитная постоянная, Гн/м.

В начале разряда конденсатора 1 (в течение десятков мкс) вблизи обмотки 2 на внешней стороне заготовки 3 напряженность магнитного поля велика, а на внутренней стороне напряженность мала.

Рисунок 9.5 — Фрагмент... индукционного способа

В единичном объеме пространства внешней части заготовки плотность магнитной энергии равна:

(9.4)

то же во внутренней части:

(9.5)

где – значения магнитной индукции соответственно на внешней и внутренней сторонах заготовки.

Размерность плотности энергии такая же, как и у давления. Поэтому плотностям энергии по обе стороны заготовки соответствуют различные магнитные давления и .

Плотностью f_э электромагнитных сил на участке заготовки 1 называется разность магнитных давлений с внешней и внутренней сторон.

Эти магнитные давления перпендикулярны вектору и численно равны местным плотностям магнитной энергии.

Поверхностная плотность электромагнитных сил будет равна:

(9.6)

Вектор f_э направлен в ту сторону, где магнитное поле слабее.

Чтобы произошло магнитоимпульсное формообразование, необходимо чтобы напряженности магнитного поля по обеим сторонам листовой заготовки существенно отличались друг от друга.

Напряженность магнитного поля внутри заготовки ослабляется за счет тока , наведенного изменяющимся магнитным полем тока I в электропроводной заготовке.

По правилу Ленца наведенный ток имеет такое направление, что его магнитное поле встречно тому, которое создается возбудителем 2 внутри контура, где возникает наведенный ток.

Заготовка, а точнее цепь наведенного тока, обладает определенной инерционностью, характеризуемой в простейшем случае постоянной времени .

(9.7)

Чем больше в сравнении с длительностью протекания разрядного тока, тем сильнее выражена электромагнитная инерционность электропроводной заготовки и тем слабее в начале разряда магнитное поле, характеризующееся величинами и на ее внутренней стороне.

Отсюда вывод: время разряда конденсаторной батареи – то есть время нарастания магнитного поля, должно быть как можно меньшим.

Иногда электромагнитные силы F_э создают быстро падающим магнитным полем, получаемым разрывом цепи (например, с помощью плавкого предохранителя).

На нагрев заготовки тратится до 20% энергии, накопленной конденсатором.

Так как магнитное давление действует перпендикулярно вектору магнитной индукции, то последний должен быть направлен параллельно исходной поверхности заготовки. Для этого подбирают соответствующую конфигурацию возбудителя. Например, для трубчатой заготовки индукция магнитного поля должна быть направлена вдоль боковой поверхности заготовки. Для листовой заготовки – магнитное поле должно быть параллельно плоскости листа.

Чтобы увеличить местную деформацию заготовки, магнитное поле в определенной области сосредотачивают насадками из электропроводных материалов.

Рисунок 9.6 — Схема сосредоточения магнитного поля насадком

1 – насадок; 3 – заготовка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.

Из электротехники известно, благодаря поверхностному эффекту быстро изменяющийся магнитный поток не проникает вглубь проводника. Поэтому линии магнитного поля как бы обтекают поверхность насадка, принимая в окрестности заготовки необходимую конфигурацию.

Известны и другие способы передачи механических сил заготовке:

— для заготовок из материалов с низкой удельной проводимостью между заготовкой и возбудителем устанавливают тонкие электропроводные (алюминиевые) прокладки (спутники);

— также применяют жидкость, которая сжимается деформируемой прокладкой.

2. Контрольные вопросы.

1. Объясните принцип действия установок для магнитоимпульсного формообразования индукционным и электродинамическим способами.

2. Кто создал первую установку для получения сильных магнитных полей и когда?

3. Можно ли непосредственно использовать магнитоимпульсное формообразование для изготовления деталей из неэлектропроводных материалов?

4. Почему невозможно магнитоимпульсное формирование очень тонких заготовок?

5. Почему нельзя беспредельно сокращать время зарядки конденсатора с целью повышения производительности установки?