CC BY
32
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dahme, М. Forged Components [Текст] / М. Dahme.— Germany: Egger, Landsberg am Lech.— 2011.
2. Радкевич, M.M. Технология упрочняющей деформационно-термической обработки [Текст] / M.M. Радкевич,- СПб., 2003.
3. Kugler, Н. Umformtechnik.Umformen metallischer Konstruktionswerkstoffe [Текст] / Н. Kugler.— Germany: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2009.
4. Szebsdat, O. Presentation of the forging industry [Текст] / О. Szebsdat, Н. Apholt.— Germany: Infostel-
le, 2008.
5. Радкевич, М.М. Особенности формирования очага деформации в условиях деформационно-термической обработки [Текст] / М.М. Радкевич // Металлообработка,- 2005. № 6(30).- С. 24-27.
6. Радкевич, М.М. Формирование структуры сталей в условиях программной механико-термической обработки [Текст] / М.М. Радкевич, А.И. Новиков, Д.Ю. Фомин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование,- 2010. №4.- С. 192-196.
УДК 621.983.044
B.C. Мамутов
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ
Эле ктрогидрои м пул ьс пая штамповка (ЭГИШ) — эффективная технология изготовления сложных точных крупногабаритных деталей из тонколистовых металлов и труб в условиях мелкосерийного производства. Одна из главных проблем ЭГИШ — низкий коэффициент полезного действия, который при штамповке в закрытых камерах обычно не превышает 10—20 %. Минимизировать потери энергии может компьютерное моделирование процесса ЭГИШ, учитывающее комплекс электрических и физико-механических явлений, характеризующих процесс. Построение компьютерных моделей требует достоверных экспериментальных данных по параметрам процесса, в первую очередь — по характеристикам импульсного давления. Для этого требуется надежная конструкция датчика давления, методика его тарировки и опыт измерения в условиях ЭГИШ.
Наиболее важные характеристики импульсного давления с точки зрения обработки металлов давлением — это форма давления, амплитуда, фронт (время достижения максимума) и общая длительность. Перечисленные параметры являются исходными при выборе типа изме-
Исследования, связанные с измерениями, выполнялись по проекту МИ I Ц N° 1593
рительного преобразователя, при проектировании датчиков и согласующих устройств, тарировке и практическом применении [1].
В статье представлены методика и результаты измерения импульсного давления в процессах ЭГИШ. Исходными данными являются следующие параметры давления, характерные для процессов ЭГИШ: длительность импульса в пределах 20-1000 мкс, фронт в пределах 1-50 мкс, амплитуда до 500 МПа.
Конструкция датчика давления. Промышленность не выпускает датчики и аппаратуру для измерения параметров давления в указанных диапазонах, а тем более для тарировки подобных датчиков. При этом измерения осуществляются в условиях сильных электромагнитных наводок, защита измерительного тракта от которых достаточно сложна. Конструкция пьезодатчика с акустическим стержнем, применявшаяся для измерения параметров давления при электрическом разряде в жидкости, представлена на рис. 1.
Аналогом для разработки выбрана конструкция датчика с акустическим стержнем [2]. В качестве чувствительного элемента 1 применялись таблетки пьезокерамики из цирконата титаната свинца (ЦТС-19). В качестве материала акустического стержня 2 применялся металлический или порошковый кадмий, имеющий хорошее
акустическое согласование с материалом пьезо-керамики. Важным фактором с точки зрения влияния «дребезга» является качество крепления корпуса 3 в разрядной камере или контейнере. Такое качество обеспечивается уменьшенным шагом резьбы и применением контргайки 4.
К недостаткам пьезокерамики относится ее низкая стабильность во времени и зависимость пьезомодуля от величины и длительности предшествующих нагружений [3,4]. Чтобы это проявлялось в минимальной степени, перед пайкой пьезоэлемента 7 к акустическому стержню 2пье-зокерамику подвергали искусственному старению, выдерживая 50—100 часов под нагрузкой 150—200 МПа. После такой выдержки величина пьезомодуля уменьшается в 1,5—2 раза, но зато улучшается стабильность измерений. При пайке пьезокерамики к акустическому стержню используется специальный низкоплавкий припой со значительным содержанием серебра, чтобы за счет диффузионных процессов при эксплуатации не произошло охрупчивание металла в зоне пайки, преждевременное разрушение и выход из строя датчика.
К положительным качествам пьезокерамики относится сравнительно низкая механическая добротность, определяемая высоким внутренним трением, что способствует быстрому (по сравнению с природными материалами типа кварца) затуханию колебаний в чувствительном элементе. Это обстоятельство позволяет достаточно успешно применять пьезокерамику в датчиках с акустическим стержнем, когда таблетка чувствительного элемента крепится на конце стержня. Использование этой же особенности пьезокерамики предложено и реализовано при изготовлении акустического стержня спеканием из порошкового материала [5]. При этом с одного конца стержня подбором плотности материала можно приблизиться к условию согласования акустических импедансов стержня и чувствительного элемента. По мере удаления от пьезоэлемента плотность материала стержня снижается, уменьшая при этом скорость распространения проходящей волны сжатия и растягивая время прихода волн, отраженных от противоположного конца стержня, к пьезокерамике. Такая конструкция акустического стержня позволяет уменьшить габариты датчика, предназначенного для измерения импульса давления заданной длительности.
Рис. 1. Конструкция пьезоэлектрического датчика давления с акустическим стержнем:
1 — чувствительный элемент из пьезокерамики;
2 — акустический стержень; 3 — корпус датчика;
4 — контргайка; 5 — изоляционная прокладка;
6— эпоксидная смола; 7— втулка для крепления
высокочастотного разъема
С точки зрения возможной повреждаемости датчика и ухудшения его работоспособности важно обеспечить электрический контакт на поверхности пьезокерамики, обращенной к среде, в которой измеряется давление. Наиболее целесообразный вариант такого контакта — пайка медной фольги толщиной 0,05—0,07 мм, которая обеспечивает также герметичность датчика. Последнее обстоятельство актуально в случае возможного контакта с водой, так как через развивающиеся в процессе работы микротрещины в эпоксидной смоле проникает вода, которая шунтирует высокоомное входное сопротивление согласующего устройства.
При амплитуде давления порядка 100 МПа датчик данной конструкции может выдержать, не разрушаясь, от единиц до несколько десятков разрядов. Отладка конструкции датчика обычно осуществляется при давлениях, составляющих 10— 15 % от максимально допустимых, чтобы обеспечить достаточный ресурс работы, который может достигать несколько сотен разрядов.
Тарировка датчиков давления. Идентично изготавливаемые датчики из одинаковых материалов могут отличаться по чувствительности
на десятки процентов. Поэтому большое внимание было уделено разработке методики, оборудования и стендов для тарировки датчиков в условиях, которые максимально приближены к условиям измерения импульсных давлений. Широкий амплитудно-частотный диапазон работы датчиков потребовал разработки комплекса новых методов тарировки и их технического обеспечения.
Одним из наиболее легко реализуемых практически способов квазистатической тарировки пьезодатчиков давления является известный способ «скачка давления», когда к датчику резко прикладывается или сбрасывается давление. Для реализации данного способа предложено устройство [6]. Устройство включает контейнер с полиуретаном, в торец которого закрепляется тарируемый датчик, а подвижный плунжер выполнен в виде матрицы с разрушаемой мембраной. Под действием статического давления мембрана сначала пластически деформируется. Затем с момента достижения прогибом определенного уровня начинается процесс пластической неустойчивости, сопровождающийся резким увеличением скорости деформирования и заканчивающийся разрушением мембраны. Траверса гидравлического пресса, на котором осуществляется тарировка, из-за своей инерционности не успевает за этот короткий промежуток времени переместиться, и давление в контейнере резко падает, датчик скачком разгружается, что вызывает резкое изменение уровня сигнала на осциллографе и запуск его развертки. Величина перепада давления определяется по усилию гидравлического пресса до разрушения и после разрушения мембраны. Варьируя размер или толщину мембраны, можно получить тарировочную зависимость для требуемого диапазона давлений. Чтобы уменьшить погрешность тарировки за счет утечки заряда до момента достижения сигналом максимума, необходимо использовать в качестве материалов мембраны хрупкие нагар-тованные пружинные или инструментальные стали типа 65Г или У8А толщиной 0,05—0,5 мм. При этом, используя контейнер диаметром 50 мм, на прессе усилием 1 М Н можно обеспечить тарировку с давлением до 500 МПа. Данное устройство позволяет не только тарировать датчик, но и определять постоянную времени измерительной цепи.
Существенный недостаток данной тарировки в том, что не проявляются свойства акустической
системы, для которой тарировка — «квазистатическая». Поэтому для дублирования использовались способы и устройства, позволяющие проводить тарировку датчиков при параметрах давления, близки к параметрам измеряемого давления [7]. Сущность метода динамической тарировки заключается в следующем. Тарируемый датчик ввинчивается в диэлектрический корпус. На чувствительный элемент датчика оказывает давление фольга из хорошо проводящего материала, на которую действует импульсное магнитное поле индуктора, подключенного к магнитно-импульсной установке. В случае выбора достаточно тонкой фольги при разряде конденсаторной батареи магнитно-импульсной установки на индуктор давление магнитного поля практически без искажения передается на чувствительный элемент тарируемого датчика давления, сигнал от которого регистрируется на осциллографе. Одновременно регистрируются напряженности магнитного поля, которые определяют тарировочное давление.
Также использовалось другое тарировочное устройство, в основе которого лежит создание усилия в бифилярной петле при протекании по ней импульсного тока [8]. Принцип работы данного устройства заключается в следующем. При прохождении сильного импульсного тока при разряде электроимпульсной установки через бифилярную петлю за счет встречного протекания токов возникают силы отталкивания, которые прижимают фольгу к тарируемому датчику. Оценка максимальной амплитуды создаваемого в этом случае давления дает величину порядка 5°МПа.
Тарировка использованного в измерениях пьезоэлектрического датчика осуществлялась в диапазоне давлений 5-25 МПа. Коэффициенты чувствительности датчика давления при квазистатической тарировке составил Ка{ ^ ^ 1,38 МПа/В. Коэффициент чувствительности датчика давления при динамической тарировке составили: при помощи индуктора Ка2 ^ ^ 1,46 М Па/В; при тарировке при помощи бифилярной петли Каз ^ 1,41 МПа/В. Для обработки осциллограмм импульсного давления брался усредненный коэффициент чувствительности датчика Ка ^ 1,4 МПа/В.
Измерение импульсного давления при ЭГИШ. Большое внимание уделялось проблеме уменьшению влияния электромагнитных наводок на полезный сигнал давления. С этой целью осуществ-
Рис. 2. Схема измерений при ЭГИШ: 1 — электроимпульсная установка; 2 — разрядная камера с рабочей жидкостью и электродами; 3— тонколистовая заготовка; 4— матрица; 5— пьезоэлектрический датчик; 6— высокоомный делитель импульсного напряжения; 7— импульсный осциллограф; 8— пояс Роговского для запуска развертки осциллографа; 9— пояс Роговского для измерения импульсного тока; 10— интегрирующая ЛС-цепочка
лялась развязка электропитания осциллографа и электроимпульсной установки. В момент измерений осциллограф питался от источника бесперебойного питания через высокочастотный фильтр. Дополнительно введением высокоомно-го шунта, установленного параллельно выходным зажимам электроимпульсной установки, удалось практически убрать всплески перенапряжения, характерные для начала процесса.
Величина сигнала электромагнитной наводки пропорциональна производной разрядного тока по времени и дает «всплеск» при начале разрядного тока. Поэтому в процессах ЭГИШ целесообразно совместно с давлением измерять разрядный ток. Измерение разрядного тока осуществлялось индуктивным методом при помощи пояса Роговского.
Учитывая большое напряжение сигнала от пьезодатчика, в качестве согласующего устройства использовали высокоомный широкополосной делитель импульсного напряжения.
Измерения осуществляли на электроимпульсной установке, имеющей следующие параметры: максимальное напряжение заряда конденсаторной батареи — 5,8 кВ; максимальная запасаемая энергия конденсаторной батареи — 9,7 кДж; емкость конденсаторной батареи —
около 500 мкФ; собственная частота разрядного тока — 28 кгц; собственное сопротивление — менее 0,001 Ом.
Схема измерения импульсного давления при ЭГИШ показана на рис. 2. Измерения проводились при штамповке заготовки из латуни Л68 толщиной 0,24 мм с внешним диаметром 110 мм. Энергия заряда конденсаторной батареи составляла 2,8 кВ. Расстояние между электродами составляло 2,5 мм.
¡г?"" М • 2 /V ■ :
Рис. 3. Осциллограмма импульсного давления в разрядной камере (7, масштаб 1 В/дел.) и разрядного тока (2, масштаб 2 В/дел.), масштаб по времени — 50 мкс/дел
Пример осциллограммы импульсного давления в разрядной камере, полученной пьезоэлектрическим датчиком давления, представлен на рис. 3.
Характерная особенность осциллограммы давления — наличие биений на частоте, превышающей частоту тарирующего воздействия. Эти биения могут быть связаны с некоторым несовершенством акустической системы датчика или определяться физикой процесса электрогидро-импульсной листовой штамповки. Наводку от сильных электромагнитных полей можно увидеть в начале осциллограммы давления. Следует отметить низкий уровень сигнала наводки по сравнению с полезным сигналом.
Таким образом, получены характеристики импульсного давления в закрытой разрядной камере вблизи деформируемой заготовки при ЭГИШ, которые могутбыть использованы при разработке компьютерной модели процесса. Конструкция пьзоэлектрического датчика импульсного давления, измерительная цепь, комплексная тарировка, методика измерений обеспечивают достоверность результатов измерений. Хорошая помехозащищенность датчика обеспечивает низкий уровень электромагнитных наводок. Результаты могут быть использованы также при исследовании других процессов импульсной штамповки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вагин, В.А. Методы исследования высокоскоростного деформирования металлов [Текст] / В.А. Вагин, Г.Н. Здор, B.C. Мамутов,— Минск: Наука и техника, 1990,— 208 с.
2. Winkler, К. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Текст] / К. Winkler.- Berlin: VEB VERLAG TECHNIK, 1973,- 456 с.
3. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика [Текст] / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе,- М.: Мир, 1974,- 288 с.
4. Глозман, И.А. Пьезокерамика [Текст] / И.А. Глозман,— М.: Энергия, 1972,— 288 с.
5. А.С.1756784 СССР, МКИ G01L 27/00 Датчик для импульсного давления. / В.А. Вагин,
В.А. Кокорин B.C. Мамутов [и др.] / УлПИ.
6. А.С.7697851 СССР, МКИ G01L 27/00 Устройство для тарировки пьезоэлектрических датчиков давления. /К.Н. Богоявленский, В.А.Вагин, B.C. Мамутов, А.И. Орешенков / ЛПИ.
7. А.С.577417 СССР, МКИ G01L 27/00 Способ динамической тарировки датчиков давления и устройство для его реализации / К.Н. Богоявленский, В.А. Вагин, B.C. Мамутов, А.И. Орешенков / ЛПИ.
8. А.С.763709 СССР, МКИ G01L 27/00 Устройство для динамической тарировки датчиков давления. / К.Н. Богоявленский, В.А. Вагин, B.C. Мамутов, А.И. Орешенков / ЛПИ.
