Оценка эффективности процесса магнитно-импульсной формовки трубчатых заготовок малого диаметра

Технический прогресс в машиностроении требует постоянного совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов, обеспечивающих повышение качества и надежности продукции. Одним из направлений решения этой задачи является использование высокоскоростных методов деформирования металлов, которые позволяют повысить производительность труда, снизить себестоимость и улучшить качество продукции, что открывает путь новым решениям в области конструирования и технологий. Среди таких методов наиболее активно внедрены в промышленности процессы магнитноимпульсной обработки металлов (МИОМ) [1, 2, 3].

Это, прежде всего, связано с тем, что МИОМ характеризуется высокой точностью дозирования энергии, локальностью приложения нагрузки, отсутствием контакта инструмента с заготовкой, экологической безопасностью и легкостью встраивания оборудования в технологические линии, что выгодно ее отличается от других как высокоскоростных, так и традиционных методов обработки металлов давлением [1].

Принципиально возможны две схемы МИОМ. Они отличаются друг от друга природой протекающего по заготовке тока. Так, согласно первой схеме (рис. 1а) ток в заготовке индуцируется переменным магнитным полем индуктора, второй (рис. 1б) – разрядный ток пропускается непосредственно по заготовке [3]. На схемах, представленных на рисунке 1, сверху от оси симметрии показана исходная заготовка, снизу – форма заготовки после выполнения операции.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема магнитно-импульсной обработки с индукционным наведением тока в заготовке. Она не требует контакта инструмента с заготовкой, поэтому отличается высокой технологичностью. По форме используемых индукторов и заготовок можно выделить три технологические схемы МИОМ: [1]

• .    раздача трубчатой заготовки, расположенной снаружи индуктора;

• .    обжим трубчатой заготовки, расположенной внутри цилиндрического индуктора;

  
  
  
  

  б)

  
  

1 – заготовка; 2 – индуктор; 3 – матрица; 4 – изолятор;

C – батарея конденсаторов; P – коммутатор а – схема с индукционным наведением тока в заготовке;

б – схема с прямым пропусканием тока по заготовке

Рис. 1. Схемы магнитно-импульсной обработки металлов

. деформирование листовой заготовки плоским индуктором

При использовании схемы раздачи трубчатых заготовок во внутренней полости индуктора вследствие кольцевого эффекта [3] образуется магнитное поле, которое не совершает полезной работы по деформированию заготовки, а вызывает силовое воздействие на токопровод индуктора, что приводит к его деформации и выходу индуктора из строя. Соотношение между рабочим и паразитным полями определяется отношением площадей внутренней полости индуктора и зазора между индуктором и заготовкой. Это явление накладывает ограничение на возможности обработки труб малого диаметра по схеме раздачи. Если площадь внутренней полости индуктора будет меньше площади зазора между индуктором и заготовкой, то токопровод индуктора оказывается нагруженным раздающими усилиями, которые могут быть компенсированы только прочностными свойствами материала, из которого он изготовлен. Повышение прочности токопровода за счет увеличения высоты витков приводит к уменьшению площади внутренней полости, а, следовательно, к росту величины раздающих усилий, действующих на него, поэтому ресурс индуктора при этом не возрастает. Изготовить индуктор на раздачу, который работает по схеме индукционного наведения тока в заготовке, диаметром менее 30 мм с достаточно высоким ресурсом работы практически невозможно [3].

При использовании схемы с прямым пропусканием тока по заготовке, последняя включается в разрядную цепь магнитно-импульсной установки, то есть реализуется так называемая одноконтурная схема. В этом случае электропроводность материала заготовки в меньшей степени сказывается на эффективности процесса. Поэтому, эта схема позволяет обрабатывать детали, изготовленные из ма- териалов с низкой электропроводностью или имеющие толщину меньше глубины проникновения магнитного поля в материал заготовки, так называемого скин-слоя. Кроме того, в данном случае индуктор представляет собой стержень, по которому протекает ток, следовательно, все недостатки первой схемы, связанные с недостаточной прочностью токопровода индуктора ей не присущи. Однако существует вероятность повреждению поверхности заготовки в зоне ее контакта с индуктором в результате искрения при перетекании тока, величина которого может достигать десятки и даже сотни килоампер.

Цель работы: определение эффективности процесса магнитно-импульсной формовки труб малого диаметра по схеме с прямым пропусканием тока по заготовке.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для достижения поставленной цели была спроектирована и изготовлена упрощенная экспериментальная оснастка (рис. 2) для реализации процесса свободной формовки трубчатой заготовки из сплава АМг3, с наружным диаметром 18 мм и толщиной стенки 1 мм. На рисунке 2 пунктирной линией показана форма заготовки после выполнения операции.

Внутрь трубчатой заготовки устанавливается заизолированный цилиндрический алюминиевый стержень из сплава Д16 с утолщением на одном из его концов, для обеспечения контакта с заготовкой. Наличие изоляции исключает возможность электрического пробоя между ними на остальной части. С целью повышения надежности контакта в месте перетекания тока со стержня на заготовку используется зажимная колодка. На стержень одевается токоподающая колодка, а съем тока производится на заготовке через колодку с аналогичной конструкцией. Обе эти колодки подключаются к зажимному

1 – токоподводящая колодка; 2 – алюминиевый стержень; 3 – зажимная колодка;

4 – трубчатая заготовка; 5 – токосъемная колодка; 6 – изолирующий материал

Рис. 2. Схема экспериментальной оснастки с прямым протеканием тока по заготовке

устройству магнитно-импульсной установки (МИУ-50) [4].

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

Для оценки работоспособности предлагаемого технического решения было проведено компьютерное моделирование рассматриваемого процесса с применением многоцелевого конечно-элементного комплекса LS-DYNA [5-7]. Модели материалов и основные свойства приведены в табл. 1.

На рисунке 3 приведена токовая кривая, которая была использована при компьютерном моделировании рассматриваемого процесса.

Таблица 1. Характеристики материалов заготовки и стержня (индуктора), задаваемые в моделях материалов [8]

Модель материала	Плотность, кг/м 3	Модуль Юнга, МПа	Коэффициент Пуассона	Параметры кривой деформационного упрочнения		Электрическая проводимость, См/м
				B, МПа	m
Заготовка
*MAT_POWER_LAW_ PLASTICITY	2700	0,71-10 5	0,33	1016	0,214	-
*EM_MAT_001	-	-	-	-	-	20,2-10 6
Стержень (индуктор)
*MAT_ELASTIC	2770	0,72-10 5	0,33	-	-	-
*EM_MAT_001	-	-	-	-	-	23,0-10 6

Рис. 4. Скорость перемещения характерных конечных элементов заготовки

Fringe Levels

4.793e-0t

4,314e-01

3.8 Me-01

3.35M-01

2.876e-01

2.39744И

1.917e-01

1.43ве-01

9.586e-02

4.793e-02

0.000e*00

Рис. 5. Эквивалентная пластическая деформация заготовки

Некоторые результаты компьютерного моделирования рассматриваемого процесса приведены ниже. Так, на рисунке 4 показана скорость перемещения характерных конечных элементов заготовки, составляющая порядка 90 м/с.

На рисунке 5 приведено распределение эквивалентной пластической деформации по длине заготовки спустя 100 мкс после начала процесса.

Анализируя полученные результаты компьютерного моделирования рассматриваемого процесса можно сделать вывод о работоспособности данной схемы применительно к формовке трубчатых заготовок малого диаметра.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кинематика процесса, полученная в ходе проведения экспериментов с помощью высо- коскоростной камеры Cordin 505, показана на рисунке 6.

Сопоставление результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований кинематики процесса свободной формовки трубчатой заготовки по схеме с прямым пропусканием тока свидетельствует об их высокой сходимости.

Внешний вид полученных на различной энергии разряда МИУ-50 образцов показан на рисунке 7.

По внешнему виду образцов видно, что схема работоспособна, отсутствуют возможные дефекты (оплавление) вызванные возможным искрением в зоне контакта стержня с заготовкой вследствие перетекания тока.

Далее были проведены эксперименты по получению с помощью рассматриваемой схемы более сложной детали типа волновод

0 мкс

35 мкс

80 м кс

Рис. 6. Кинематика процесса свободной раздачи трубчатой заготовки

U = 11кВ, W = 15,7 кД ж

U = 12кВ, W=18,2кД ж

Рис. 7. Внешний вид образцов, полученных при различных параметрах магнитно-импульсного нагружения

а)                                                                  б)

а – оснастка в сборе подключенная к зажимному устройству МИУ-50; б – матрица в раскрытом положении

Рис. 8. Технологическая оснастка

из медного сплава М1. Наружный диаметр заготовок (рис. 8) составлял 11 мм, толщина – 0,5 мм, длина – 235 мм. Для этого была спроектирована и изготовлена специальная технологическая оснастка, показанная на рисунке 8. С целью повышения эффективности процесса стержень, а также токоподводящая, зажимная и токосъемная колодки выполнены медными.

Первые эксперименты проводились на заготовках в состоянии поставки с плавным увеличением энергии разряда МИУ-50 с 5 до 10 кДж. На рисунке 9 показан внешний вид образца, полученного при энергии разряда равной 10 кДж.

Из рисунка видно, что произошло разрушение заготовки в центральной ее части. Также были выявлены значительные неравномерно-

Рис. 9. Внешний вид образца, полученного при энергии разряда МИУ-50, равной 10 кДж

сти деформации по всей длине заготовки, что может свидетельствовать о перетекании тока с заготовки на металлическую матрицу. Для устранения выявленных дефектов все последующие эксперименты осуществлялись на отожжённых заготовках (Т=600°С, t=40 мин.). Кроме того, заготовки были заизолированы от металлической матрицы с помощью лавсановой ленты.

На рисунке 10 показан образец, полученный на той же энергии разряда (10 кДж) и с учетом выполненных вышеописанных мероприятий.

Из рисунка видно, что принятые мероприятия обеспечили равномерное протекание тока по заготовке и как следствие равномерную деформацию образца по всей его длине. Видны все

Рис. 10. Результаты эксперимента с заизолированной заготовкой в отожженном состоянии (W = 10 кДж)

a)

б)

в )

а – W=11,1 кДж; б – W=12,2 кДж; в – W=14,5 кДж

Рис. 11. Внешний вид образцов, полученных при различных уровнях энергии разряда МИУ-50

Таблица 2. Размеры гофр образцов, полученных при различных уровнях энергии разряда МИУ-50

№ опыта Напряжение заряда МИУ-50 U, кВ Энергия разряда МИУ-50 W, кДж Dнач, ММ Dгофр, ММ 1 10,0 10,0 11,0 13,55 2 11,1 11,1 13,75 3 12,2 12,2 13,95 4 14,5 14,5 разрушение ла, 1977 – 168 с.

четко оформленные гофры. Видимые разрушения образца не наблюдались.

На рисунке 11 показан внешний вид образцов, полученных на различных уровнях энергии разряда МИУ-50.

В табл. 2 приведены размеры гофр образцов, полученных при различных уровнях энергии разряда МИУ-50.

Анализ полученных результатов показал, что предельным уровнем энергии является 12,2 кДж, т.к. при следующем положении задатчика уровня напряжения МИУ-50 происходит разрушение образца по всей его длине.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

• 1.    Апробированная схема магнитно-импульсной формовки труб малого диаметра с прямым пропусканием тока по заготовке реальна и может применяться в промышленности.

• 2.    В отличие от схемы с индукционным наведением тока в заготовке, которая позволяет обрабатывать трубы диаметром менее 30 мм лишь разовыми (разрушающимися) индукторами, схема с прямым пропусканием тока по заготовке позволяет обрабатывать трубы диаметром 5-7 мм и выше.

• 3.    С увеличением длины обрабатываемой заготовки эффективность предлагаемой схемы формообразования возрастает, это связано с увеличением выделения энергии в системе «стержень-заготовка».

• 4.    Предлагаемые технические решения позволяют в значительной степени расширить области использования магнитно-импульсных технологий.