CC BY
12
УДК 621.98.044
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ФОРМОВКИ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК МАЛОГО ДИАМЕТРА
© 2020 Д.Г. Черников1, В.А. Глущенков12, Д.В. Гусев1, И.А. Пфетцер13, В.К. Алехина1
1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва 2 Самарский федеральный исследовательский центр Российской академии наук 3 Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 18.08.2020
В данной работе представлены результаты оценки эффективности процесса магнитно-импульсной формовки трубчатых заготовок малого диаметра по схеме с прямым пропусканием тока, которые включали компьютерное моделирование процесса с помощью программного комплекса ЬБ-Б"ША и его экспериментальную отработку. Цель работы - определение эффективности процесса магнитно-импульсной формовки труб малого диаметра по схеме с прямым пропусканием тока по заготовке. В результате исследований установлено, что рассматриваемая схема и предложенные технологические решения по ее реализации могут быть использованы при изготовлении довольно широкой номенклатуры трубчатых деталей различных диаметров. Это снимает существующие ограничения при магнитно-импульсной формовке труб малого диаметра по традиционной схеме и способствует значительному расширению области применения магнитно--импульсных технологий. Ключевые слова: магнитно-импульсная формовка, индуктор, кольцевой эффект, прямое протекание тока по заготовке
БОТ: 10.37313/1990-5378-2020-22-4-21-28
ВВЕДЕНИЕ
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 магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ) [1, 2, 3].
Черников Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования. E-mail: chernikov.dg@ssau.ru Глущенков Владимир Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением Самарского университета. Начальник отдела СамНЦРАН. E-mail: imp@ssau.ru
Гусев Дмитрий Вячеславович, магистрант Самарского университета. E-mail: gushidding97@mail.ru Пфетцер Илья Александрович, магистрант СамГТУ, инженер лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования Самарского университета. E-mail: pfettser.2-mmt-4@yandex.ru Алехина Валентина Константиновна, младший научный сотрудник лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования. E-mail: vgl@ssau.ru
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;
а)
1 - заготовка; 2 - индуктор; 3 - матрица; 4 - изолятор; С - батарея конденсаторов; Р - 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 компьютерное моделирование рассматривае-
(МИУ-50) [4].
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
Для оценки работоспособности предлага-
мого процесса с применением многоцелевого конечно-элементного комплекса ЬБ-БУМА [5-7]. Модели материалов и основные свойства приведены в табл. 1.
На рисунке 3 приведена токовая кривая, которая была использована при компьютерном
емого технического решения было проведено моделировании рассматриваемого процесса.
Таблица 1. Характеристики материалов заготовки и стержня (индуктора), задаваемые в моделях материалов [8]
Модель материала Плотность, кг/м3 Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона Параметры кривой деформационного упрочнения Электрическая проводимость, См/м
B, МПа m
Заготовка
*MAT_POWER_LAW_ PLASTICITY 2700 0,71105 0,33 1016 0,214 -
*EM MAT 001 - - - - - 20,2106
Стержень (индуктор)
*MAT ELASTIC 2770 0,72105 0,33 - - -
*EM_MAT_001 - - - - - 23,0106
60
-40-1-I-1-1-1--'--1--'--'--
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
Время, мс (Е-031
Рис. 3. Токовая кривая
120
freeexpantion
100
80
60
о о
ш >
с
га
о 40
20
Ä
ь \
/ \\
/
Element по.
Д 39910 В 39814 ^39718 D 39622 _Е_39526 _Е_39430 G 39334 Н 39238 I 39142 J 39046 К. 38950
Рис. 4. Скорость перемещения характерных конечных элементов заготовки
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 мкс
Рис. 6. Кинематика процесса свободной раздачи трубчатой заготовки
и= 10 кВ, XV = 12,7 кДж
и= 11 кВ, W = 15,7 кДж
и= 12кВ, W=18,2кДж
Рис. 7. Внешний вид образцов, полученных при различных параметрах магнитно-импульсного нагружения
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 токопод-водящая, 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, 1=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
»11 |) ' М I 11 ♦ I (М И 1 (1 * I * • * •»' И и И Ы * * 11 Ц 1» И I
Рис. 10. Результаты эксперимента с заизолированной заготовкой в отожженном состоянии = 10 кДж)
а)
б)
г.
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 Dнaч, ММ Dгoфp, мм
1 10,0 10,0 13,55
2 11,1 11,1 11,0 13,75
3 12,2 12,2 13,95
4 14,5 14,5 разрушение
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белый, И.В. Справочник по МИОМ / И.В. Белый,
С.М. Фертик, Л.Т. Хименко. - Харьков: Вища шко-
ла, 1977 - 168 с.
2. Psyka, V., Rischa, D., Kinseyb, B., Tekkayaa, A., Kleinera, M., 2011. Electromagnetic forming -A review, Journal of Materials Processing Technology 211, 787-829.
3. ГГлущенков В.А., Карпухин В.Ф. Технология магнитно-импульсной обработки материалов: монография - Самара: Издательский дом «Федоров», 2014. - 208 с.
4. Юсупов Р.Ю., Глущенков В.А. Энергетические установки для магнитно-импульсной обработки материалов: монография. - Самара: Издательский дом «Федоров», 2013. - 128 с.
5. Hallquist J.O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation: Livermore, СА, 2006, 498 p.
6. L'EplattenierP., Cook G., Ashcraft C. Introduction of an Electromagnetism Module in LS-DYNA for Coupled Mechanical Thermal Electromagnetic Simulations // Proceedings of the 3 International Conference "High Speed Forming 2008", Dortmund, 2008, p. 85-96.
7. LS-DYNA keyword user's manual volume I, II, III.
8. Мамутов В.С. Теория обработки металлов давлением. Компьютерное моделирование процессов листовой штамповки: учеб. пособие / В.С. Мамутов, А.В. Мамутов. - Санкт-Петербург: изд-во По-литехн. ун-та, 2006. - 188 с.
EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF THE PROCESS OF ELECTROMAGNETIC FORMING OF SMALL-DIAMETER TUBES
© 2020 D.G. Chernikov1, V.A. Glushchenkov12, D.V. Gusev1, I.A. Pfetzer13, , V.K. Alyokhina1
!Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov 2 Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences 3 Samara State Technical University
This work presents results of evaluation of the efficiency of the process of pulse-magnetic forming of small-diameter tubular billets according to the scheme with direct passing the current, including the results of computer simulation of the process using the LS-DYNA software package and its experimental perfecting. The purpose of this work is to determine the efficiency of the process of pulse-magnetic forming of small-diameter tubular billets according to the scheme with direct passing the current through the billet. As a result of the research, it is established that the scheme under consideration and the proposal technological solutions for its implementation can be used in the manufacture of a rather wide range of tubular parts of various diameters. This removes the existing restrictions when pulse-magnetic forming of small-diameter pipes according to the traditional scheme and LS-DYNA contributes to a significant expansion of the fields of application of the pulse-magnetic technologies. Keywords: Electromagnetic forming, coil, circular effect, scheme with direct passing the current through the billet. DOI: 10.37313/1990-5378-2020-22-4-21-28
Dmitrii Chernikov, Candidate Degree in Engineering, Associate Professor of Department of Metal Forming, Senior researcher Scientific Research Laboratory of Advanced Technological Processes of Plastic Deformation (SRL-41) of Samara University. E-mail: chernikov.dg@ssau.ru Vladimir Glushchenkov, Candidate of Technical Sciences, Professor of the Department of Processing of Metals Pressure, Samara University, Head of the Department of SamSC of RAS. E-mail: vgl@ssau.ru
Dmitrii Gusev, Student. E-mail: floraalshoppe777@yandex.ru Ilya Pfetzer, Student. E-mail: pfettser.2-mmt-4@yandex.ru Valentina Alyokhina, Associate Research Fellow at the Scientific Research Laboratory of Advanced Technological Processes of Plastic Deformation (SRL-41) of Samara University. E-mail: vgl@ssau.ru
