CC BY
41
Инновационная установка
для магнито-импульсной обработки
Г. В. Боровский,
к. т. н., доцент, с. н. с., генеральный директор ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»
Borovskiy@vniiinstrument.ru
А. Р. Маслов,
д. т. н., профессор, кафедра высокоэффективных технологий обработки, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
vestnik@stankin.ru
В статье приводятся технические характеристики инновационной агрегатно-модульной установки для магнито-импульсной сборки деталей из алюминиевых сплавов диаметром 40мм и толщиной стенки 1,0мм путем обжима с производительностью 300 операций в час. Изложены принципы конструирования, даны расчетные зависимости.
Ключевые слова: блок импульсного напряжения, батарея конденсаторов, разрядник, индуктор, система позиционного программного управления.
Установки для магнито-импульсной обработки (МИО) предназначены для различных технологических операций: пробивка отверстий диаметром до 500 мм в листах толщиной 0,2...1,5 мм из углеродистых сталей, алюминиевых и медных сплавов, обжим и раздача трубчатых заготовок диаметром до 1200 мм при длине 1000 мм и толщине стенки до 6 мм.
Для штамповки объемных изделий из трубчатых и листовых заготовок из цветных металлов и сплавов и низкоуглеродистой стали применяются автоматические установки для МИО, которые имеет запасаемую энергию 20 кДж, напряжение 20 кВ, собственную частоту разрядного тока 50 кГц и обеспечивают производительность до 360 шт./ч.
Процесс МИО основан на взаимодействии импульсных полей инструмента (индуктора) и заготовки, в результате чего происходит ее деформирование. Схема установки для МИО приведена на рис. 1.
Установка состоит из повышающего трансформатора с выпрямителем 1, батареи конденсаторов 2, разрядника 3 и рабочего инструмента — индуктора 4. Через повышающий высоковольтный трансформатор и выпрямитель заряжается конденсаторная батарея, состоящая из группы параллельно включенных между собой импульсных конденсаторов. По окончании зарядки она с помощью специального коммутирующего устройства разряжается на индуктор. Система позиционного программного управления (СППУ) 5 обеспечивает информационный обмен в электрооборудовании и его работу в соответствии с заданным техпроцессом и режимом работы.
Если заготовка имеет трубчатую форму, то она помещается в индуктор. При плоских заготовках ин-
дуктор имеет плоскую форму и располагается над или под заготовкой. При мгновенном разряде энергии, накопленной батареей конденсаторов, в цепи индуктора возникает импульс тока, который создает импульсное магнитное поле высокой напряженности. В заготовке, находящейся вблизи индуктора, наводятся вихревые токи, создающие свое импульсное магнитное поле. Взаимодействие поля индуктора с индуцированным в заготовке током и его магнитным полем приводит к возникновению деформирующих усилий. Таким образом, накопленная конденсаторами электрическая энергия преобразуется в механическую энергию деформирования заготовки с определенным КПД. Время разряда составляет 20...50 мкс, поэтому выделяемая энергия имеет большую мощность.
Так как длительность магнитного импульса значительно меньше времени деформирования заготовки, то
Рис. 1. Принципиальная схема установки для МИО: 1 — трансформатор с выпрямителем; 2 — батарея конденсаторов; 3 — разрядник; 4 — индуктор; 5 — система позиционного программного управления
ю
о с^
сч о N
00
£
£ <
СО О X X £
Ю О
с^
N О N
00
<
00 О X X
Рис. 2. Основные схемы магнито-импульсной штамповки: а — раздача; б — обжим; в — листовая штамповка (1 — индуктор; 2 — заготовка; 3 — матрица)
он воздействует только в начальный момент, дальнейшая деформация идет за счет запасенной кинетической энергии.
Частота разрядного тока составляет несколько десятков килогерц, поэтому скорость деформирования заготовки достигает 300 м/с. Импульсный характер нагружения дает возможность напрессовывать металлические трубчатые заготовки на детали из керамики, стекла, углепластика и других неметаллических материалов, обеспечивая при этом равномерное давление, заданный натяг и герметичность.
Технологические операции штамповки на установках МИО выполняют по трем основным схемам: обжим, раздача, листовая штамповка (рис. 2).
По первым двум схемам обрабатывают трубчатые заготовки, по третьей — штампуют листовые заготовки, возможна обработка трубчатых деталей большого диаметра (правка, прошивка отверстий и др.). Для обработки трубчатых заготовок индуктор помещают внутрь заготовки, а саму заготовку — внутрь матрицы.
По схеме «раздача» индуктор помещают внутри заготовки и производят, помимо локального расширения диаметра, отбортовку, кольцевые или продольные зиги, вырубку, чеканку рисунка и др. При обжиме труб, сборке, прошивке отверстий любой конфигурации и получения соответствующей формы деталей с помощью оправок заготовку помещают внутри индуктора (рис. 3).
Способом магнито-импульсной штамповки можно соединять металлические трубы с деталями из керамики, стекла и других хрупких материалов при условии, что масса этих деталей была намного меньше массы трубы.
Глубина проникновения магнитного поля в заготовку А зависит от удельного электрического сопротивления р материала заготовки, частоты тока / и может быть определена из выражения:
А = (р/(п г ^ / ))1/2,
(1)
где /г — магнитная проницаемость материала заготовки; го — магнитная проницаемость воздушного зазора между заготовкой и индуктором.
Величина А должна быть меньше толщины заготовки Б . Если это не соблюдается и А>Б, что может иметь место при низкой частоте тока /, то магнитное поле проникает через заготовку в матрицу (или оправку) и создает там вихревые токи, которые наводят в инструменте свое магнитное поле, препятствующее деформированию заготовки. Возникает явление «магнитной подушки». Чтобы избежать этого, должна быть достаточно большая частота тока и длительность
Рис. 3. Конфигурация изделий при операциях МИО на оправках
импульса магнитного поля должна быть не более длительности деформирования.
Импульсное магнитное поле создает рабочее давление р , которое может быть определено по эмпирической формуле:
р=г (Но/(5 • 104)),
(2)
где Но — напряженность магнитного поля. Давление р обычно находится в пределах составляет 20...200 МПа.
На рис. 4 представлена схема сборки импульсным магнитным полем трубы и кожуха. Труба из стали 20 наружным диаметром 46 мм имеет две кольцевые проточки шириной 5 мм и глубиной 2 мм, расстояние между ними 10 мм. Кожух изготовлен из стали 10, толщина стенки 1,5 мм и внутренний диаметр 46,4 мм.
Ранее такие детали собирали путем вдавливания материала кожуха роликом отдельно в каждую проточку. В результате происходил неравномерный обжим, возникали надрывы и нарушения сплошности материала кожуха, не выполнялось требование к соосности сопрягаемых деталей относительно друг друга.
Применение установки МИО с энергией разряда 18,5 кДж и рабочей частотой разряда 22,5 кГц исключило эти недостатки. В установке использован индуктор 3 из стали 65Г с внутренним диаметром 50 мм и 5 витками толщиной 10 мм каждый и зазором между витками — 1 мм. Наружный диаметр индуктора равен 110 мм, что обеспечивает высокую механическую прочность. Для обеспечения интенсивного охлаждения через специальную проточку глубиной 15 мм, выполненную на наружной стороне витка подается вода. Для придания жесткости индуктор по внешней поверх-
Рис. 4. Схема сборки трубы с кожухом (слева — до сборки): 1 — труба; 2 — кожух; 3 — индуктор
ности обтянут бандажом из электроизоляционного материала.
Высоковольтное зарядное устройство предназначено для заряда блока накопителей энергии от сети переменного тока напряжением 220/380 В. Основные узлы устройства — повышающий высоковольтный трансформатор с напряжением, превышающим рабочее в 1,3 раза и выпрямительное устройство из последовательно соединенных кремниевых диодов.
Одним из основных узлов установки МИО является батарея конденсаторов для получения краткого мощного энергетического импульса использованы импульсные конденсаторы с рабочим напряжением 20 кВ, обладающие малой собственной индуктивностью и способные выдерживать значительное количество импульсных разрядов при высокой удельной энергоемкости.
Для соединения конденсаторов между собой и подсоединения их к разряднику используют плоские или коаксиальные шины. Плоская медная шина обладают минимальной индуктивностью, что повышает частоту установки. Однако из-за малой гибкости такой шины ее необходимо жестко закреплять, поэтому в установке в качестве шины применены пучки стандартного коаксиального кабеля.
Собственная индуктивность разрядного контура определяется как сумма:
^ = ^ш + ^ +
(3)
^.к = К М
(4)
Рис. 5. Изготовление неразъемного соединения на установке МИО с индуктором со сменным концентратором: 1 — шина; 2 — корпус индуктора; 3 — концентратор; 4 — труба; 5 — оправка
легкой замены главных электродов и электрода запуска, малоиндуктивное и надежное соединение с шиной, возможность регулирования рабочего напряжения, надежную изоляцию и удобство эксплуатации.
В инновационных установках МИО применены игнитронные вакуумные разрядники с малой индуктивностью, так как у них меньше индуктивность, относительно малые габариты и больше срок службы. Для их работы необходимо обеспечивать вакуум до остаточного давления 0,13 Па.
Для повышения эффективности обжима применен спиральный индуктор с концентратором магнитного поля с целью уменьшения его распространения за пределы зоны обработки. Концентратор изготовлен из электропроводящего высокопрочного материала в виде полого цилиндра с продольным разрезом, заполненного изолирующим материалом. Он расположен между обмоткой индуктора и заготовкой и имеет с индуктором индуктивную связь. Его применение позволяет обжимать трубчатые заготовки различного диаметра, меняя концентраторы, что делает индуктор универсальным. Обеспечивается распределение давления в определенных зонах, создается равномерное магнитное поле, не зависящее от шага навивки индуктора. Удается получить более высокие давления без увеличения разрядного тока с восприятием усилия на концентратор при деформировании заготовки и разгрузкой спирали индуктора.
где Lош — индуктивность шины; Lp — индуктивность разрядника; Lбк — индуктивность блока конденсаторов.
При параллельном подключении общая индуктивность установки уменьшается:
где Lк — индуктивность одного конденсатора; п — число конденсаторов.
Конструкция разрядника должна обеспечивать: минимально возможные индуктивность и сопротивление канала разряда и цепи главных электродов разрядника, высокую работоспособность, возможность
Рис. 6. Схема конвейера для автоматической смены индукторов: 1 — блок импульсного напряжения; 2 — контактный прижим; 3 — конвейер; 4 — индуктор; 5 — подвижный контакт; 6 — неподвижный контакт; 7 — токоведущий вывод индуктора; 8 — исполнительный механизм
ю
о сч
сч о сч
со
< СО
о
ю о
CN
cJ о сч
оо
J <
со
о
Для получения неразъемного соединения тонкостенной трубы диаметром 40 мм с оправкой с кольцевыми углублениями (обе детали — из алюминиевого сплава) применен концентратор, показанный на рис. 5.
В действующих установках МИО разряд происходит через один стационарный индуктор, что не позволяет автоматизировать загрузку заготовку и выгрузку изделий, а также не позволяет использовать режим естественного охлаждения индуктора.
В инновационной установке МИО установлен магазин индукторов с автоматической подачей их вместе с наладками и деталями в зону контактных прижимов для подключения к блоку импульсного напряжения, включающего разрядник (рис. 6). Индукторы с наладками установлены на конвейере, что обеспечивает замену одного индуктора другим после каждого импульса. Загрузка деталей, выгрузка и естественное охлаждение спиралей происходят в процессе движения индукторов по замкнутому циклу.
Конвейер подает индукторы в зону обработки с определенным шагом в соответствии с заданной производительностью и циклом охлаждения. Обрабатываемую деталь устанавливают в индуктор 4 на позиции загрузки и включают транспортное устройство 3, которое перемещает индукторы с деталями в зону контактного прижима 2, подключенного к емкостному накопителю электрического блока 1. При входе индуктора в контактный прижим 2 включается исполнительный механизм 8, который, воздействуя на подвижный контакт 5, прижимает токоведущие выводы 7 индуктора к неподвижному контакту 6. Усилие прижима обеспечивает надежный электрический контакт индуктора с выводами емкостного накопителя.
После подсоединения индуктора 4 к энергетическому блоку 1 происходят разряд с частотой 28 кГц на индуктор, в результате чего осуществляется сборка. После разряда подвижный контакт 5 отводится исполнительным механизмом 8, освобождаются то-коведущие выводы индуктора. Далее транспортное устройство 3 перемещает индуктор 4 с готовой деталью на следующую позицию, а в рабочую позицию подходит следующий индуктор с заготовкой. В процессе движения по замкнутому циклу индуктор, бывший в работе, охлаждается до исходной температуры.
Инновационная установка МИО обеспечивает сборку деталей из алюминиевых сплавов диаметром 40 мм и толщиной стенки 1,0 мм. При производительности установки 300 операций в час каждый индуктор участвует в работе с интервалом 1 мин, что позволяет при энергии 5,04 кДж и импульсном нагреве до 92°С через 45 с снизить температуру на кромках индуктора до 20°С.
В инновационной установке МИО применен агрегатно-модульный принцип проектирования и изготовления установок с энергоемкостью до 90 кДж. Основным модулем является энергетический блок энергоемкостью 15 кДж, в который входят два конденсатора и один разрядник. Этот модуль можно использовать как самостоятельный, так и в комплектах до 6 модулей на один индуктор.
Заключение
Для получения неразъемных герметичных соединений и соединений с заданным усилием запрессовки, калибровки, формообразования, сварки из различных материалов и прессования изделий из порошковых материалов широкое распространение получила магнито-импульсная обработка. В ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» разработаны принципы создания агрегатно-модульных автоматизированных установок для магнито-импульсной сборки изделий из алюминиевых сплавов с производительностью 300 штук в час. На основании полученного опыта конструирования и изготовления сформулированы следующие направления повышения эффективности магнито-импульсной обработки:
• разработка конструкций индукторов повышенной прочности;
• механизация изготовления витых индукторов;
• создание систем управления формой импульса разрядного тока за счет изменения последовательности включения блоков конденсаторов;
• увеличение коэффициента модульности конструкций и создание универсальных агрегатов нового поколения.
* * *
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания в сфере научной деятельности № 9.1557.2014/К.
Список использованнъ1х источников
1. Григорьев С. Н. Тенденции и проблемы модернизации машиностроительного производства на базе отечественного станкостроения//Вестник МГТУ «Станкин». - 2010. - №3 (11). - С. 7-13.
2. Григорьев С. Н., Завгородний В. И., Маслов А. Р. Обеспечение заданного качества деталей при высокоскоростной обработке//Вестник МГТУ «Станкин», 2014, № 1 (28), с. 38-40.
3. Грибков А. А., Григорьев С. Н., Захарченко Д. В. Развитие зарубежного и российского станкостроения//Вестник МГТУ «Станкин», 2012, № 1 (18), с. 8-11.
4. Бушуев В. В., Сабиров Ф. С. Направления развития мирового станко-строения//Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 1 (9). С. 24-30.
5. Исаев А. В., Козочкин М. П., Купцов В. Р. Особенности встречного и попутного фрезерования при обработке тонкостенных деталей//«Вестник МГТУ «Станкин», 2013, № 1 (24), с. 11-17.
6. Маслов А. Р. Инструментальная система для высокоскоростного фре-зерования//Вестник МГТУ «Станкин», 2014, № 1 (28), с. 20-23.
7. Волосова М. А. Исследование влияния комбинированной обработки на физико-механические характеристики оксидной и нитридной режущей керамики//Вестник МГТУ «Станкин». - 2013. - № 2 (25). - С. 39-43.
8. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки/В. Ф. Гречников, А. М. Дмитриев, В. Д. Кухарь и др.; под общ. ред. Овчинникова А. Г. - М.: Машиностроение, 1985. - 184 с.
9. Лысенко Д. Н., Витевский И. В. Штамповка импульсным магнитным полем высокой энергии//Вестник машиностроения. 1963. № 7. С. 52-55.
10. Патент на полезную модель № 134832 «Магнитно-импульсная установка с системой позиционного программного управления». Заявитель ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»/Г. В. Боровский, Е. А. Негинский и др.
11. Заявка на изобретение № 2013106166 «Индуктор для магнитно-импульсной раздачи трубчатых заготовок». Заявитель ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»/Г. В. Боровский, Е. А. Негинский и др.
The innovative system for magneto-pulse treatment G. V. Borovskiy, PhD in technics, general director of Joint Stock Company «VNIIINSTRUMENT».
A. R. Maslov, Doctor of technical sciences, Professor of sub-department «Higheffective technology of machining» of MSTU «Stankin».
The article describes the technical characteristics of innovation aggregate-modular systems for magnetic pulse assembly of aluminum alloy with a diameter of 40 mm and a wall thickness of 1.0 mm by crimping with a capacity of 300 operations per hour. The principles of design, are calculated depending.
Keywords: Pulse voltage block, capacitor, spark gap, coil, system of positional control.
