CC BY
8ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.983.044.7
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
Н.В. КУРЛАЕВ, доктор техн. наук, профессор, Н.А. РЫНГАЧ, канд. техн. наук, доцент, К.Н. БОБИН, канд. техн. наук (НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 30 января 2012 года
Н.В. Курлаев - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: kurlayev@craft.nstu.ru
Рассматривается проектирование и применение новых конструкций индукторов для магнитно-импульсной обработки металлов давлением.
Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка металлов давлением, индуктор.
В настоящее время растет интерес к высокоскоростным методам штамповки, которые позволяют получать детали заданной формы за меньшее количество технологических переходов, либо получать детали такой формы, которая недостижима любыми другими методами штамповки [1]. Кроме того, магнитно-импульсная обработка металлов (МИОМ) положительно сказывается на долговечности металлических изделий [2]. При этом существуют ограничения для материалов заготовок и индуктора - они должны иметь малое электрическое сопротивление. Как правило, это медные и алюминиевые сплавы. Индукторы для МИОМ чаще всего изготавливаются из бериллиевой бронзы, имеющей хорошую электропроводность и удо -влетворительные механические характеристики; реже - из меди, так как медь обладает низкими механическими характеристиками. Попытки использовать высокопрочные алюминиевые сплавы не дали ожидаемого результата из-за их низкой долговечности в условиях импульсного нагруже-ния. Возможно изготовление токоведущих элементов из углеродистых и легированных сталей, однако такие индукторы имеют низкий КПД передачи энергии в заготовку, преобразуя электрическую энергию в тепло. В данной статье рассматриваются конструкции индуктора, которые позволяют повысить рабочее давление на обрабатываемую поверхность и долговечность самого индуктора.
Прочность индукторов обусловлена выбором материала токоведущей спирали. Например, наи-
более подходящим материалом индукторов для МИОМ сплава типа Д16АМ с динамическим пределом текучести У0 ~ 200 МПа, учитывая, что при МИОМ давление импульсного магнитного поля может численно превзойти в 1,5...2,0 раза значение У0, будет бериллиевая бронза БрБ2 с пределом текучести от =500 МПа. Однако высокочастотный ток по сечению индуктора при МИОМ распределяется неравномерно - падающая волна с индукцией В(0, ¿) проникает в металл заготовки и наводит в нем индукционный ток, плотность которого г и результирующее магнитное поле зависят от глубины х и времени
x
B( х, t) = Bm exp sin
где A - это глубина проникновения электромагнитного поля в материал, равная такому расстоянию х, на котором амплитуда магнитной индукции и плотности тока уменьшаются в е раз; ю - круговая частота электромагнитного поля. Величина A получила название «скин-слой» и приближенно можно считать, что все токи, проходящие через спираль индуктора и материал заготовки, концентрируются в нем. Величина A равна
2
^инд л ■>
У®
где ц0 - это магнитная постоянная, равная 1,26-Ю"6 Гн/м; у - проводимость, величина, обратная удельному сопротивлению См/м.
64 № 1 (54) 2012
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
См
Схема разъемного одновиткового индуктора:
1 - полукорпус (сталь 30ХГСА); 2 - полукорпус (сталь 30ХГСА); 3 - токовод рабочей зоны (бронза БрБ2); 4 - токовод рабочей зоны и МИУ (бронза БрБ2); 5 - токовывод к МИУ; 6 - изолирующая проставка (текстолит); 7 - бандаж (стеклоткань, пропитанная эпоксидным компаундом); 8 - токовыводы установки
МИУ 20/5
Частота тока при МИОМ находится в пределах 10...20 кГц, при этом толщина скин-слоя для медных сплавов не превышает 1 мм. Исходя из сказанного выше можно сделать вывод, что основная масса спирали индуктора предназначена для обеспечения жесткости индуктора и существенно не влияет на его электрические характеристики. Учитывая низкие механические характеристики медных сплавов, индуктор приходится изготавливать достаточно массивным и ограничивать максимальное давление на заготовку, что, в свою очередь, снижает технологические возможности индуктора. Кроме того, для повышения безопасности индуктора в случае его разрушения применяются специальные бандажи. Однако если разделить спираль индуктора на электрическую и силовую составляющие, то можно существенно повысить прочность и долговечность индуктора. В этом случае по проводящему контуру будет идти электрический ток, а силовое воздействие будет восприниматься прочным основанием.
Первой реализацией этой концепции [4] был одновитковый разъемный индуктор для обжима трубчатых заготовок (наконечников электро-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
жгутов), см. рисунок, схема которого была выбрана из-за простоты ее реализации. То-коведущая часть 3 и 4 представляет собой сменные медные полосы, всю силовую и тепловую нагрузку воспринимает массивный стальной корпус 1 и 2. Испытания такого индуктора не показали существенных различий по сравнению с режимами, полученными для индуктора, изготовленного полностью из бронзы [3].
Данный индуктор показал свою работоспособность и высокую ремонтопригодность, при этом он не требует дополнительного изменения технологических параметров процесса обжатия трубчатых наконечников.
Список литературы
1. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л. Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. - Харьков, 1977. - 168 с.
2. Гулидов А.И., Курлаев Н.В., Мержиевский Л.А., Рынгач Н.А. Влияние импульсной обработки на дефекты сплошности и долговечность материалов // Научный вестник НГТУ. - 2005. - № 1(18) - С. 97-110.
3. Гулидов А.И. Численное моделирование процесса сборки наконечников с электрожгутами давлением импульсного магнитного поля / А.И. Гулидов, Н.В. Курлаев, Ю.С. Покалюхин, Н.А. Рынгач, В.Б. Юдаев // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. - № 8. - С. 38-42.
4. Рынгач Н.А. Определение эффективных режимов магнито-импульсной обработки для уменьшения объема пор в металлах и сплавах // Материалы Российской научн.-техн. конф. «Наука. Промышленность. Оборона». 21-23 апреля 2004 г. - Новосибирск: НГТУ, 2004. - С. 67-68.
Advanced inductors construction for magnetic pulse forming
N.V. Kurlaev, N.A. Ryngatch, K.N. Bobin
Development and implementation of new designs for inductors for magnetic pulse magnetic forming is discussed.
Key words: pulse magnetic forming treatment, inductor.
№ 1 (54)2012
