Электротехнологические методы обработки

При обработке заготовок  проволочку используют для создания цилиндрической ударной волны. Применение разряда через проволоку не приводит к заметному увеличению деформации при одинаковых параметрах (прежде всего запасенной энергии и емкости конденсаторов), однако при использовании проволочки можно увеличить зазор между электродами и, как следствие повысить равномерность обработки заготовки. Так применение взрывающейся проволочки позволяет увеличить расстояние между электродами до 300 мм и более, при этом влияние проводимости жидкости на возникновение разряда значительно уменьшается. Этот метод также имеет еще одно достоинство – в состояние плазмы переходит не только жидкая рабочая среда, которая находится в зоне разряда, но и сама проволочка. Как следствие установки с электродами, соединенными проволочной перемычкой, имеют большую энергию, чем установки, в которых разряд осуществляется только через жидкость.

Для получения стабильных и самое главное управляемых по форме волн давления либо используют систему проволочек, соединенных в виде плоских или объемных решеток различной формы, либо изгибают проволочки по форме рабочего тела матрицы, как бы повторяя контур будущей детали.

Так, например, для получения  плоской волны давления кольцевой электрод, расположенный вдоль стенки внутри резервуара с водой соединен шестью, восемью или десятью проволочками (с одинаковыми геометрическими размерами и индуктивностью) с центральным электродом. Возникающие при взрыве каждой проволочки цилиндрические волны, в сумме сливаются в одну почти плоскую волну.

На рисунке 10 показаны схемы электроимпульсной штамповки  с использованием  индуцирующей проволочки для изготовления трубчатой (рисунок 10,а) и плоской (рисунок 10,б) заготовок. На рисунке не представлены конфигурации проволочных решеток, чтобы не засорять чертеж и сделать его более удобным для чтения. Обозначены как: 1 – источник питания, повышающий трансформатор в паре с высоковольтным выпрямителем; 2 – конденсатор; 3 – высоковольтный разрядник; 4 – центральные проводники, которые и соединяются с проволочками; 5 – внешние проводники, обеспечивающие подвод тока к установке от источника питания; 6 – коаксиальный кабель; 7 – разрядные камеры; 8 – изоляторы электрода; 9 – сами электроды; 10 -  разрядные промежутки; 11 – матрица; 12 – отражатель; 13 – заготовки; А – направление фронта ударной волны.

Рисунок 10 – Схемы  электрогидравлической штамповки  трубчатой (а), и плоской заготовок  с применением инициирующей проволочки.

 

Процесс электрического взрыва проволочки проходит несколько стадий. На первой стадии при прохождении электрического тока проволочка нагревается до температуры плавления. Благодаря магнитным силам и силам инерции форма проволочки сохраняется, а в результате дальнейшего поступления энергии ее температура повышается и становится больше температуры испарения металла. Непосредственно в момент испарения проволочки ее объем взрывообразно увеличивается в 10 … 100 тысяч раз, за какие то 7 … 12 мкс и металл разрушается, распадаясь на очень маленькие капельки расплава.

Вторая стадия – это  пауза тока, которая возникает  после разрушения проволочки и длится до тех пор, пока плотность газа в  расширяющемся после взрыва проволочки канале разряда не упадет настолько, что окажется возможным пробой газа под действием оставшегося на конденсаторах напряжения.

Длительность второй стадии зависит от материала проволочки. При применении вольфрамовых проволочек пауза тока мала или даже вообще отсутствует. С помощью вольфрамовых проволочек можно инициировать разряды с рабочим напряжением в несколько киловольт при газовом канале большой длины и малой задержке его образования относительно момента подачи напряжения.

Третья стадия – это  разряд по газовому каналу, он уже был  разобран нами и еще раз говорить о нем не имеет смысла.

3 Состав оборудования  для электроимпульсной обработки

Для осуществления электроимпульсной  штамповки широко применяются серийные установки и прессы, разработанные  отраслевыми институтами. Оборудование для электроимпульсной штамповки состоит из двух основных частей – энергетического и технологического блоков, связанных между собой системой управления.

- Энергетическим блоком  установки является генератор  импульсных токов, который служит  для преобразования электрического  тока промышленной частоты в импульсы электрического тока большой амплитуды, применяемые при разряде конденсаторов на рабочие искровые промежутки в воде.

- Технологический блок  – это пресс, в котором штампуются  детали за счет энергии, выделяемой  в жидкости, заполняющей разрядную камеру. Этот блок предназначен для преобразования энергии, которую выделяет генератор импульсных токов, в работу по деформации заготовки и выполнения ряда вспомогательных операций технологического процесса. К технологическому блоку помимо пресса относятся также рабочая емкость, оснастка, прижимные устройства, устройства для подачи заготовок и удаления готовых деталей и прочее вплоть до последних в этом списке, но отнюдь не последних в работе устройств, для защиты операторов станков электроимпульсной обработки.

- Системы управления  обеспечивают работу генератора  импульсов тока, технологического  блока и его систем, а также  взаимосвязь работы генератора  и технологического блока.

Генераторы с конденсаторными  накопителями энергии, являющиеся источниками высоковольтных импульсных токов, нашли свое наибольшее применение как раз в установках электродинамической обработки материалов, а именно электроимпульсной и электромагнитной штамповки. Генератор импульсных токов должен вырабатывать большие импульсные токи в короткие промежутки времени при достаточно точном дозировании энергии.

Принципиальные схемы  оборудования различаются способом ограничения зарядного тока, числом синхронно включенных разрядных  контуров, конструкцией коммутирующих  устройств, схемой автоматизации выполнения серии разрядов при напряжении заряда, заданном батареей конденсаторов. Батарея конденсаторов же заряжается от блока питания, размеры и производительность которого определяют время заряда и, следовательно, темп работы установки. При этом индуктивность цепи должна быть минимальной, чтобы обеспечить быстрый разряд.

Электрическая энергия  во внутренних и внешних частях электрической  цепи распределяется пропорционально  их индуктивности (с уменьшением  индуктивности растет сила тока). Для получения большей энергии в разрядной (внешней) части цепи следует уменьшить внутреннюю индуктивность. Скорость нарастания силы тока увеличивается с уменьшением индуктивности, а чем выше скорость нарастания тока, тем больше давление фронта волны. Однако чрезмерное уменьшение индуктивности приводит к местному возрастанию плотности тока в проводниках, увеличивает опасность короткого замыкания.

Устройство для зарядки  конденсатора обычно состоит из повышающего  трансформатора и выпрямителя (при  зарядке от сети), на рисунке 7 отображена простейшая схема генератора импульсных токов.

Устройство преобразования энергии, служащие для формирования импульса разрядного тока и преобразования (при нагрузке) запасенной (накопительной  емкостью) электрической энергии  в механическую, тепловую и другие виды, состоит из накопителя энергии, высоковольтного коммутатора, электродной системы и линии передачи энергии. При этом нагрузкой генератора импульсных токов является искровой разряд в жидкости.

В качестве накопителя энергии  генератора применяются импульсные конденсаторы, рассчитанные на импульсные токи большой мощности. Для подключении батареи конденсаторов к нагрузке (межэлектродному промежутку) служат коммутирующие устройства – разрядники (на рисунке 11 обозначены как ВК).

Рисунок 11 – Электрические  схемы разрядного контура генератора: а – последовательная; б, в –  параллельные.

Высоковольтные коммутаторы  импульсных токов, являются одним из важнейших элементов разрядного контура генератора, разъединяет  разрядную цепь в период заряда конденсатора и подключает конденсатор к нагрузке по достижении на нем заданного напряжения.

Разрядники должны удовлетворять  следующим основным требованиям:

- выдерживать длительное  время (без пробоя и перекрытия  по поверхности изоляции) рабочее  напряжение генератора;

- иметь относительно  малую индуктивность в сравнении  с индуктивностью соединительных  шин;

- обладать относительно малым  собственным сопротивлением нагрузки;

- выдерживать коммутацию необходимой  энергии при заданных технологическим  заданием максимальной силе разрядного тока и периоде его колебаний;

- обеспечивать заданную частоту  импульсов тока;

- обладать необходимой временной  точностью срабатывания;

- удовлетворять санитарно-гигиеническим  требованиям, предъявляемым к  электрогидравлическим установкам;

- иметь срок службы, обеспечивающий  длительную и надежную эксплуатацию  установки;

- быть удобными для монтажа  и эксплуатации;

- и конечно иметь приемлемую  стоимость.

На сегодняшний момент наиболее полно всем этим требованиям  удовлетворяют воздушные искровые разрядники, получившие широкое применение в электрических установках (механические разрядники сегодня уже почти не применяются из-за быстрого их износа и большого времени включения, составлявщего от 0,1 до 0,001 секунды). Включение воздушного разрядника происходит в результате ионизации межэлектродного промежутка, и время включения составляет от до секунды. К недостаткам воздушных разрядников стоит отнести быстрый износ электродов, изменение условий включения, большое сопротивление и большое время разряда. Кроме того воздушные разрядники требуют постоянного ухода и создают высокочастотные шумы, наносящие вред обслуживающему персоналу. Стабильность срабатывания их напрямую зависит от состояния поверхности коммутирующих элементов, атмосферного давления, влажности и запыленности воздуха. В воздушном искровом промежутке образуются вредные для человека оксиды азота и озон. Однако воздушные разрядники удобны в обслуживании, могут коммутировать довольно высокие энергии и при хорошем уходе обеспечивать высокую надежность в работе и длительный срок службы. Скорее всего именно длительным сроком службы и невысокой ценой и объясняется их распространенность в установках для электродинамической обработки материалов. На различных электрогидравлических установках работают закрытые искровые разрядники, рассчитанные на рабочее напряжение от 5 до 100 кВ, максимальную силу разрядного тока от 5 до 500 кА и коммутацию энергии от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч джоулей при длительности тока от десятков до сотен микросекунд.

Высоковольтные импульсные конденсаторы (отображены на рисунке 11), работающие в составе генератора импульсных токов, должны обладать большим запасом энергии в единице  объема, малой внутренней индуктивностью, высокой прочностью всех контактных соединений и иметь небольшие габаритные размеры. конструкция конденсаторов должна обеспечивать удобное соединение конденсаторов в батарею для увеличения суммарной емкости. Конденсаторы должны быть долговечны при режимах многократных разрядов, иметь малые активные и индуктивные сопротивления. Кроме того, они должны допускать пяти – десяти процентную часть, от общего числа разрядов, в режиме короткого замыкания. При этом резко возрастают потери энергии в самом конденсаторе и динамические усилия, испытываемые его секциями и выводами. С этими требованиями успешно справляются импульсные конденсаторы типов КЭМ, ИК, ИКВГ, и ИКГ, изготовленные на основе бумажно-маслянных диэлектриков.

Электроимпульсное оборудование выпускается в основном в вертикальном исполнении (электроды расположены  и осуществляют свое перемещение  по вертикали).

Технологическая часть  установок для электроимпульсной  обработки в основном представлена станиной, универсальной разрядной  камерой с электродами и механизм силового замыкания оснастки. Также  в состав технологического блока  входят: гидроагрегат с системой маслоснабжения (он обеспечивает движение положительного электрода относительно разрядной камеры), матрица которая может быть одноразового исполнения или многоразового, система водоснабжения с указателем уровня воды в разрядной камере, механизм перемещения заготовки, а потом и готового изделия.

Рабочая емкость –  основная часть технологического блока, образуемая разрядной камерой, оснасткой  и установленной в ней заготовкой.

В разрядной камере, заполненной  водой, происходит электрический высоковольтный разряд, совершающий работу по деформации заготовки. Разрядные камеры подразделяют на закрытые и открытые. Открытые камеры наиболее просты по конструкции и обычно применяются для штамповки плоских и пространственных заготовок в условиях единичного производства, а также изготовления крупногабаритных деталей (размером свыше 1500 мм). При штамповке в открытой камере на заготовку воздействует ударная волна, отраженная от стенок камеры или специального отражателя. В условиях серийного производства более эффективно применение закрытых камер, которые имеют следующие преимущества по сравнению с открытыми: только одна сторона заготовки контактирует с водой; жидкость имеет небольшой объем; уменьшаются потери энергии.

Стенки разрядной камеры в процессе эксплуатации испытывают значительные динамические нагрузки, вызываемые интенсивными ударами рабочей жидкости. Поэтому их изготавливают из сталей марки 45, Ст 3, 35Л, при твердости рабочей поверхности -  HRC 32…45. А затем для повышения стойкости стенки камеры упрочняют поверхностным пластическим деформированием, а также термической и термохимической обработкой.

В нижней части камеры имеется отверстие, через которое  поступает вода, а в верхней  отверстие для выхода воздуха.

 

Рисунок 12 – Технологическая  оснастка разрядной камеры до разряда (а) и после разряда (б).

 

На рисунке 12 представлена часть технологического блока установки  электроимпульсной штамповки деталей  сложной формы, отвечающая непосредственно  за сам процесс штамповки. Матрица 7 неподвижно крепится к подштамповой плите 8. При штамповке давление жидкостью передается непосредственно на стенки заготовки и одновременно действует на подвижной контейнер 3, установленный в полости матрицы между разрядной камерой 1 и деформирующей заготовкой 6. Под действием жидкости 4 подвижной контейнер 3 перемещается вниз на величину h и формирует заготовку в осевом направлении (на рисунке 12,а начало формоизменения показано штриховой линией). Матрица 7 выполняется разъемной. Плоскость разъема чаще всего совпадает диаметральной плоскостью детали, что позволяет достаточно легко извлекать детали при помощи выталкивателя 9. Совмещение внутреннего радиального давления и осевого сжатия позволяет формировать детали из высокопрочных сталей и титановых сплавов, при этом толщина стенки заготовки почти не меняется.