Электротехнологические методы обработки

 

 

4.3 Область применения электроимпульсной обработки.

Электрогидравлическую штамповку, с помощью которой  изготавливают детали средних размеров, наиболее рационально применять  в мелкосерийном производстве (для  которого характерна частая сменяемость изготовляемых деталей и большая номенклатура), что объясняется универсальностью, простотой и низкой стоимостью используемой оснастки, а также малогабаритностью технологического оборудования. Благодаря указанным преимуществам электроимпульсные методы часто используются вместо традиционных уже методов листовой штамповки.

Электроимпульсная штамповка  не только успешно справляется с  изготовлением деталей из неметаллических  или металлов, обладающих не высокой  жесткостью и прочностью (например медь, алюминий и простая сталь), а также материалы которые совсем не подлежат механической обработке или же их обработка не выгодна экономически.

Низкоуглеродистые стали  марок 10Г2А и 12Г2А; высокопрочные  легированные стали 25ХМА, 30ХМА, 25ХГСА, 30ХГСА, 30ХГСНА; жаропрочные хромоникелевые стали 1Х16Н9Т, 1Х18Н10Т, Х18Н9Т; сплавы Д16, АМц, АМг6, В95, ВА-2, ВАЛ-5, АБМ-1, САП-1и САП-3; магниевые сплавы МА6; детали из титана и титановых сплавов ВТ1, ВТ3, ВТ6-С, ВТ8, ВТ9, ВТ10, ВТ14, ВТ15, ВТ16, ОТ4 – все эти металлы можно обрабатывать на электроимпульсных станках без предварительного нагрева или какой-либо дополнительной обработки, что намного уменьшает потери энергии, трудовых часов; уменьшает массовые и габаритные показатели, увеличивает производительность и качество готовых изделий.

Также применение деформаций на высоких скоростях позволяет  сохранять толщину стенок у изделия  при пробивке отверстий, развальцовке труб и формировании готовых изделий  сложной криволинейной формы.

Основное преимущество электроимпульсной штамповки перед другими высокопроизводительными методами – это большая универсальность установки и локальная направленность энергии штамповки. Это преимущество используется при изготовлении сложных по форме деталей с различными конструктивными элементами – местными выштамповками, рифтами, ребрами, отверстиями отбортовками. При этом деталь формируется полностью, и нет необходимости в отдельном приводе подачи или вращения, что, несомненно, также сказывается на качестве детали и производительности оборудования.

Высокое скорости формообразования (как уже говорилось они могут достигать ста метров в секунду) позволяют с неменьшим успехом формировать детали как из особо прочных так и из хрупких или очень тонких материалов, сохраняя при этом высокую точность изготовления заданных технологией параметров (будь то отверстие, канавка или некая криволинейная поверхность на будущей детали).

Все вышеперечисленное  делает электроимпульсную штамповку  актуальной и часто применяемой  для промышленной обработки материалов. А ее достоинства говорят о том, что электроимпульсная штамповка еще на очень долгое время останется одним из распространенных методов обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

5.1 Принцип действия оборудования использующего электромагнитную обработку.

Основной особенностью электромагнитной (магнитно-импульсной) обработки является создание непосредственно импульсным магнитным полем механических усилий, деформирующих заготовку без  помощи промежуточных твердых, жидких или газообразных тел. Магнитно-импульсная обработка – это способ бесконтактного деформирования, при котором электрическая энергия без дополнительных преобразований расходуется на совершение работы по пластической деформации токопроводящих материалов.

Импульсные магнитные  поля создаются с помощью магнитно-импульсных установок путем разряда батареи конденсаторов через рабочий инструмент – индуктор, вокруг которого или около которого расположена заготовка. Между магнитным полем индуцированного в заготовке тока и магнитным полем тока в индукторе возникает электромеханические силы взаимодействия. Эти силы носящие импульсный характер (длительность взаимодействия менее одной тысячной секунды), сообщает обрабатываемой заготовке запас кинетической энергии. Скорость деформирования заготовки при этом достигает сотен метров в секунду. При соударении с матрицей, оправкой или другой деталью происходит формоизменение заготовки, либо ее калибровка, сварка или сборка без сварочных швов – все зависит от технологического задания и средств решения этого задания.

Сущность процесса деформирования заготовки из высокопроводимого  металла заключается в следующем: конденсаторные батареи заряжаются до требуемого уровня запаса энергии, а затем мгновенно (примерно за 40 мкс) разряжаются на спиральную обмотку индуктора. Во время этого разряда по виткам индуктора проходит импульс тока большой силы, который создает вокруг индуктора магнитное поле. Если в зоне действия магнитного поля (например внутри индуктора, где воздействие наиболее сильное) поместить металлическую заготовку так, чтобы она пересекала силовые линии этого самого поля, то заготовка станет короткозамкнутым вторичным одинарным витком, а разрядный индуктор - первичным витком.

Принципиальная схема электромагнитной обработки токопроводящих материалов представлена на рисунке 13.

 

Конденсаторная батарея емкостью С заряжается от зарядного устройства 1 (высоковольтного выпрямителя) до заданного напряжения U, при этом в нем запасается электрическая энергия W.

              

где      С - емкость  конденсаторной батареи;

      U - значение напряжения на конденсаторе.

При включении коммутирующего устройства 2 батарея замыкается на индуктор 3. В результате прохождения тока через  индуктор 3 в пространстве, окружающем индуктор, возникает магнитное поле, напряженность которого зависит от взаимного расположения индуктора 3 и заготовки 4, а также от силы и частоты тока. Это магнитное поле индуцирует вихревые токи в обрабатываемой заготовке, удерживающие это поле на поверхности. При взаимодействии магнитного поля и вихревых токов возникают силы, направленные перпендикулярно поверхности и вглубь заготовки. Заключенное между индуктором и заготовкой магнитное поле оказывает давление, как на заготовку, так и на индуктор. При достаточном значении этого давления заготовка, перемещаясь от индуктора, деформируется. А требуемую форму заготовке придает размещенный на ее пути инструмент - матрица или пуансон (на рисунке 13 не показаны).

В реальной жизни, материал заготовки, не являясь совершенным проводником, обладает активным сопротивлением, что приводит к проникновению магнитного поля в заготовку и как следствие, к потерям энергии на нагрев заготовки и рассеивание. Глубина проникновения магнитного поля в металл зависит от электропроводности, а также от скорости нарастания напряженности и длительности магнитного импульса поля. При невысокой скорости нарастания напряженности и большой длительности импульса магнитное поле может проникнуть за заготовку и вызвать обратное давление, которое принято называть магнитной подушкой и тогда, если деформирование заготовки происходит в металлической матрице, эта магнитная подушка не позволит заготовке принять точную форму матрицы и мы получим брак. Такое взаимодействие индуктора и заготовки. возникает при обработке магнитным полем невысокой частоты (менее 20 кГц).

Во избежание этого эффекта при электромагнитной обработке частота импульсного разряда выбирается такой, чтобы глубина проникновения магнитного поля в заготовку была меньше глубины последней.

При больших скоростях нарастания напряженности поля в течении короткого промежутка времени (частоте разрядов свыше 50кГц) и при высокой электропроводности заготовки глубина проникновения магнитного поля в металл ограничивается небольшим наружным поверхностным слоем. При отсутствии поля (магнитной подушки) на внутренней поверхности заготовки усилие, действующее на заготовку, напрямую зависит от плотности энергии в магнитном поле у этой поверхности. Это усилие выражается давлением действующим на поверхность заготовки и измеряется в МПа (мегапаскалях):

           
 
                                                                             

где Н - максимальная напряженность магнитного поля в зазоре между индуктором и      заготовкой;

При достаточно больших значениях напряженности давление становится достаточным для деформирования заготовки. Скорость же этой деформации  определяется следующей формулой: 
 
                                                  

где - плотность материала заготовки.

Коэффициент полезного действия электромагнитной обработки зависит от многих параметров (емкости конденсаторной батареи, напряжения и частоты тока) и в общем виде определяется по формуле:

                
 
                             

где W_K - максимальная кинетическая энергия, движущейся заготовки;

      Wд - энергия деформирования;

W_H - полная энергия емкостного накопителя.

Часть накопленной в конденсаторах энергии при разряде превращается в полезную механическую работу по деформированию заготовки, а часть теряется на нагрев цепи, индуктора, заготовки и прочих токопроводящих частей оборудования.

5.2. Оборудование, применяемое для электромагнитной обработки.

Установки использующие энергию импульсного магнитного поля можно разделить по области применения на:

Установки для получения готовых деталей и узлов непосредственно одноразовым или многократным воздействием на заготовку импульсным магнитным полем. К этой группе относятся используемые в промышленности установки для резки труб и полых деталей, пробивки отверстий, обрезки припуска, формирования конусов, фланцев, рифтов, гибки, калибровки и правки, сборки, сварки.

Установки, в которых энергия импульсного магнитного поля воздействует на заготовку через промежуточную твердую, эластичную или жидкую среду. Устройства с магнитно-имульсным приводом используются при пробивке отверстий, клепке, клеймении, прессовании порошков. Эти устройства обладают высокой мощностью, строгой дозировкой энергии и компактностью (возможно создание ручного инструмента).

Установки многопереходовой штамповки, один из циклов которой осуществляется с помощью энергии магнитного поля. В данном случае магнитная штамповка выступает в качестве одной из операций по обработке заготовки и превращения ее в готовое изделие (например, обрезка припуска сложной формы энергией магнитного поля).

- Установки, совмещающие в одной технологической операции механическое воздействие на заготовку и одновременное воздействие силами магнитного поля. Эти станки осуществляют сложную гибку, вытяжку изделия при одновременном воздействии магнитного поля на боковую поверхность изделия. Также магнитную энергию можно использовать в качестве противодавления, прижимов, съемников.

На рисунке 14 отображены наиболее часто встречающиеся методы электромагнитной обработки токопроводящих материалов.

Электромагнитный обжим представлен на рисунке 14,а. Цилиндрический спиральный индуктор 2 охватывает обрабатываемый участок трубчатой заготовки 1. Давление магнитного поля стремится раздать контур и сжать заготовку, что успешно и выполняется.

Схема раздачи трубчатой заготовки приведена на рисунке 14,6. Цилиндрический индуктор 2 расположен внутри заготовки 1. Давление магнитного поля теперь наоборот стремится сжать индуктор и раздает заготовку.

Схема плоской листовой формовки показана на рисунке 14,в. Спиральный плоский индуктор 2 располагается над (или под) обрабатываемой плоской заготовкой 1, с противоположной стороны которой устанавливается технологический инструмент.

Рисунок 14 - Схемы технологических операций электромагнитной обработки.

5.3 Состав оборудования для электромагнитной обработки.

Выполнение технологических операций электромагнитной обработки материалов выполняется на магнитно-импульсных установках, с помощью которых энергия импульсного поля преобразуется непосредственно в работу по деформации заготовки. Магнитно-имульсная установка представляет собой комплекс, состоящий из технологического и энергетического оборудования, причем энергетическая часть организована занимает большую часть в процентном соотношении с технологической, как по стоимости так и по габаритно-массовым показателям.

Технологическая часть установки состоит из станины, механизмов подачи заготовок и снятия готовых изделий, индуктора, матрицы и оправки.

Индуктор - наиболее важный и сложный рабочий инструмент станка, ведь именно с его помощью энергия магнитного импульсного поля преобразуется в работу по деформированию заготовки. От надежности действия индуктора зависит работа магнитно-импульсной установки. В процессе работы индуктор подвержен значительным динамическим нагрузкам, соответствующим создаваемыми им магнитным полям и давлению, действующему кроме заготовки также на сам индуктор. Вследствие этого индукторы должны обладать высокой механической прочностью. К изоляции индуктора приложено наиболее высокое напряжение и при интенсивной работе именно на нем выделяется значительное количество теплоты.

Для накопления энергии и выделения ее в индукторе используется генератор импульсных токов (рисунок 15), который включает в себя следующие элементы: емкостной накопитель С; зарядное устройство, состоящее из повышающего (ПУ) и выпрямительного (ВУ) устройств; коммутирующее устройство (разрядник) Р; индуктор И; пускорегулирующего устройства ПРУ; аппаратуры и автоматики, состоящей из блока поджигающего устройства БПУ, блока автоматики БА и задатчика 3; защитное устройство, состоящее из короткозамыкателя КЗ; измерительная аппаратура, содержащая высоковольтный делитель напряжения ДН.