 |
Физические основы магнитно-импульсной обработки металлов
|
|
|
|
Магнитно-импульсная обработка (МИО) металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком импульса. В отличие от других известных методов деформирования при магнитно-импульсной обработке электрическая энергия непосредственно преобразуется в механическую и импульс давления магнитного поля действует непосредственно на заготовку без участия какой-либо передающей среды. Это позволяет осуществлять деформирование, как в вакууме, так и в любой среде, не препятствующей распространению магнитного поля.
В установку для магнитно-импульсной обработки обычно входят зарядное устройство 1, состоящее из высоковольтного трансформатора и выпрямителя, коммутирующее устройство 3, включающееся при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывающее разряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4 (рис.6.6).
Рис. 6.6. Принципиальная схема процесса магнитно-импульсной обработки металлов
При прохождении разрядного тока через индуктор в окружающем его пространстве образуете; электромагнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит токи в заготовке 5. В результате взаимодействия тока, наведенного в заготовке, с электромагнитным полем индуктора возникает магнитное давление Fм на заготовку, вызывающее ее деформацию.
Электродинамические силы взаимодействия между индуктором и деформируемой металлической заготовкой зависят от электрических и магнитных характеристик, а также размеров и взаимного расположения индуктора и заготовки.
|
|
|
Для разгона метаемого элемента при магнитно-импульсной обработке необходимо сильное магнитное поле. Энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов, сравнительно невелика. Эффективность использования этой энергии на разгон метаемого элемента зависит от правильного расчета электродинамических сил, действующих на индуктор и деформируемую заготовку.
Поэтому важно знать основные параметры процесса магнитно-импульсной обработке металлов.
Одним из наиболее важных параметров является энергия, запасаемая в батарее конденсаторов;
W = 0,5·C·U2. (6.1.)
Параметры разрядного контура при магнитно-импульсной обработке подбираются такими, чтобы разряд был периодическим. Это выполняется, если
(6.2.)
причем активное сопротивление разрядного контура
rа = rу + rи-з, (6.3)
а индуктивность разрядного контура
L = Lу + Lи-з, (6.4)
где, rу – активное сопротивление магнитно-импульсной установки;
rи-з – активное сопротивление системы индуктор – заготовка;
Ly – собственная индуктивность магнитно-импульсной установки (в режиме короткого замыкания);
Lи-з – индуктивность системы индуктор – заготовка.
Если условие 6.2 выполняется, то ток в цепи индуктора при разряде конденсаторной батареи может быть определен выражением:
(6.5.)
где t – время.
Из (6.5) следует, что изменение тока имеет характер периодического затухающего разряда с круговой часто ω, определяемой в общем случае соотношением
. (6.6)
При выполнении условия (6.2) вторым членом в подкоренном выражении (6.6) можно пренебречь ввиду его малости. Тогда круговая частота разряда
(6.7)
Зная ω, можно определить период разряда:
(6.8)
Напряженность магнитного поля в любой точке окружающего пространства пропорциональна току разряда
Н = k1 ί, (6.9)
где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических параметров системы индуктор – заготовка и координат точки.
|
|
|
Давление магнитного поля можно характеризовать плотностью энергии:
P = 0,5 В·Н, (6.10)
где B = H·μ – индукция магнитного поля; μ – магнитная проницаемость среды.
При магнитно-импульсной обработке, когда величина B па порядок выше индукции насыщения ферромагнитных материалов, μ следует заменить на μ0 – магнитную постоянную. Тогда формулу (6.10) можно записать в виде:
P = 0,5 μ0 Н2. (6.11)
Согласно выражению (6.11), давление магнитного поля при хорошей индуктивной связи системы индуктор – заготовка прямо пропорционально квадрату разрядного тока:
P = k2 ί2 (6.12)
или
(6.13)
где k2 – коэффициент, учитывающий соотношение геометрических параметров системы индуктор – заготовка.
В большинстве процессов магнитно-импульсном обработки, в том числе и при магнитно-импульсной сварке, заготовка под действием магнитного поля деформируется, что ведёт к изменению ω и P вследствие изменения параметров системы индуктор – заготовка. Это значительно усложняет расчёт давлений при магнитно-импульсной обработке металлов.
Энергия, накопленная в конденсаторной батарее, при разряде превращается в полезную механическую работу деформации заготовки и теряется на нагрев цепи.
Полный баланс энергии системы – к концу процесса деформации
W = W1 + W2 + W3, (6.14)
где, 
и 
– тепловые потери энергии на нагрев цепи магнитно-импульсной установки и системы индуктор – заготовка;
– полезная энергия поля, затраченная на движение деформируемой части заготовки на активном участке деформирования;
∆L и-з – приращение индуктивности в системе индуктор – заготовка за счёт совершения полезной работы по разгону и деформированию заготовки.
Если предположить, что нагрев заготовки за счёт части энергии W2 не влияет на процесс деформирования, то к.п.д. процесса можно рассчитать по формуле
(6.15)
Для повышения η следует стремиться к уменьшению потерь энергии на нагрев установки, индуктора и заготовки.
Тепловые потерн пропорциональны активному сопротивлению, зависящему от глубины проникновения магнитного поля ∆, которая при деформации плоских заготовок должна быть меньше толщины материала заготовки
|
|
|
(6.16)
где σ0 – удельная электрическая проводимость.
При магнитно-импульсной сварке или штамповке в металлическую матрицу тонких заготовок проникновение магнитного поля через заготовку приводит к появлению так называемой «магнитной подушки». Сущность этою явления состоит в том, что объем поля, проникшего между свариваемыми поверхностями заготовок или между заготовкой и металлической матрицей, уменьшается с уменьшением зазора между ними.
Поскольку общин магнитный поток Ф1 = Н×Fп (где Fп – площадь, пронизываемая полем, Н – напряженность поля в зазоре между заготовкой и инструментом) должен сохраняться, напряженность поля Н в зазоре при деформации заготовки будет увеличиваться и может достичь значении, при которых будет наблюдаться резкое снижение скорости деформирования.
Существуют три основные схемы магнитно-импульсного деформирования с использованием индуктора:
1) обжим трубчатых заготовок индуктором, охватывающим заготовку;
2) раздача трубчатых заготовок индуктором, помещенным внутрь заготовки;
3) деформирование листовых заготовок плоским индуктором.
Эти схемы деформирования, широко применяемые в операциях штамповки, можно использовать при магнитно-импульсной сварке.
Области применения MИO весьма разнообразны и охватывают преимущественно операции обработки давлением тонкостенных металлических заготовок любых форм. Преимуществами установок МИО следует считать отсутствие движущихся и трущихся частей; легкость управления и регулирования мощности; компактность, простота обслуживания, ремонтоспособность и возможность встраивать в поточные линии; высокую производительность; несложность механизации и автоматизации операций обработки; лучшие условия труда по сравнению с другими методами обработки деталей давлением.
Недостатками являются относительно невысокий КПД процесса; сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими прохождению тока; низкая долговечность индуктора, сложность обработки деталей большой толщины. МИО используется при развальцовке тонкостенных металлических заготовок любой формы, опрессовка, выдавливание гофров, раздача труб, чеканка, штамповка и др.
|
|
|
Электромагнитные насосы
Транспортировка жидких металлов осуществляется насосами, работающими на магнитогидродинамическом принципе. Кондукционные насосы перекачивают проводящую жидкость в результате воздействия на нее силы, возникающей при взаимодействии магнитного поля, создаваемого магнитной системой насоса, с электрическим током, проходящим через находящуюся в насосе проводящую жидкость. Они могут быть постоянного и переменного тока.
Кондукционный насос постоянного тока (рис.6.7) подобен электродвигателю постоянного тока, в котором обмотка якоря заменена электропроводящей жидкостью.
Рис. 6.7. Схема кондукционного насоса постоянного тока: 1 – электромагнит; 2 – канал с токопроводящими шинами; 3, 4 – регуляторы тока через канал и катушку электромагнита
Сила, действующая на элементарный проводник dℓ с током I в магнитном поле В, F = I [dℓхB]. Эта сила, перпендикулярна dℓ и В, измеряется в ньютонах и ее направление определяют по правилу левой руки. Сила F максимальна в случае, когда dℓ и В взаимно перпендикулярны. Если же угол между dℓ и В не равен 90°, то
F = I·B dℓ sinα. (6.17)
Принцип действия кондукционных насосов переменного тока аналогичен принципу действия насосов постоянного тока. Однако в этом случае направление тока должно изменяться в соответствии с изменением направления магнитного поля, создаваемого электромагнитной системой насоса. Часто такие насосы и трансформаторы объединяют в одно целое (рис.6.8). В каждый из полупериодов взаимодействия тока I и магнитного потока Ф создают электромагнитную cилу F, действующую в одном и том же направлении.
Рис. 6.8. Схема насоса-трансформатора: l – магнитопровод; 2,3 – обмотки трансформатора; 4 – канал с жидкостью; 5 – токопроводящая шина.
Индукционные насосы. Это электромагнитные насосы для перекачки жидких металлов, являются одной из разновидностей магнитогидродинамических машин переменного тока. Подвижной частью в них является жидкий металл, для перемещения которого применяется бегущее или вращающееся магнитное поле, образованное трехфазной обмоткой переменного тока. Электромагнитные индукционные насосы в зависимости от формы канала с жидким металлом могут быть винтовые и линейные.
Винтовой индукционный насос по своему устройству аналогичен асинхронному электродвигателю с полым ротором. Он имеет два статора: внешний и внутренний. Трехфазная обмотка, питающаяся от сети трехфазного тока, размещена в пазах магнитопровода внешнего статора. Иногда трехфазная обмотка размещается и на внешнем и на внутреннем статоре. Между статорами в зазоре находится плоская труба из немагнитного материала, внутри которой протекает жидкий металл. При подключении к сети трехфазного тока в системе образуется вращающееся магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в жидкометаллическом проводнике. Возникающие при этом электромагнитные силы вынуждают жидкий металл двигаться с линейной скоростью v в сторону вращения поля.
|
|
|
Плоские линейные индукционные насосы по своему устройству схожи с асинхронными линейными двигателями. Они состоят из двух плоских статоров-индукторов, в пазах которых располагаются трехфазные многополюсные обмотки. В зазоре между индукторами расположен плоский канал прямоугольного сечения, внутреннюю полость которого заполняет жидкий металл.
Взаимодействие бегущего поля индукторов с индуцированными в жидком металле вихревыми токами приводит к появлению электромагнитных сил. В результате их действия на элементарные объемы металла в нем развивается давление, и он перемещается с некоторым скольжением в направлении движения поля.
Существуют также цилиндрические линейные индукционные насосы. В них действующие на жидкий металл электромагнитные силы также создаются бегущим полем. Канал с жидким металлом в таком насосе имеет кольцевое сечение. Внутри канала размещается сердечник без обмотки. Поверх его расположен индуктор, охватывающий канал. Трёхфазная обмотка расположена в кольцевых пазах индуктора.
|
|
|
