CC BY
30
УДК 778.1:624.016:539.3
В.М. Леонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 47-63-69, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОПЕРАЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СРЕД С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЧ
Рассмотрены аспекты электромагнитной обработки многокомпонентных сред с предварительным нагревом, а также связанные с этим процессом особенности изменения характеристик материала.
Ключевые слова: обработка многокомпонентных сред, повышение характеристик материала, магнитное поле, формоизменение металла в жидкой фазе.
Обработка многокомпонентных материалов нередко предполагает формоизменение с заданными геометрическими и прочностными характеристиками, а также контактными свойствами при взаимодействии с другими деталями в соединении. Одним из вариантов является формоизменение композитов методами магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ).
Формоизменение материала на операциях МИОМ связано с необходимостью учета конфигурации и формы заготовки, а также электропроводности материала. Ввиду того, что формоизменение производится через взаимодействие индуцированного тока в обрабатываемой заготовке и электромагнитного поля индуктора, необходимо выполнение условия непрерывности пути наведенного тока в объеме заготовки. В многокомпонентной среде в ходе обработки особое значение приобретают микропла-стические деформации, которые приводят к деформационной анизотропии с появлением анизотропного тензора эффективных упругопластических жесткостей [1]. Одновременно с этим наличие ориентированных микро-пластических зон увеличивает предел текучести. Отсюда условие контроля силы электромагнитного воздействия на заданной глубине (рис. 1) материала приобретает практическое значение.
Контроль напряженности магнитного поля в различных схемах обработки магнитно-импульсной штамповки (МИШ) возможно осуществлять при помощи устройств с датчиком Холла по принципиальной схеме [2], изображенной на рис. 1.
Контроль напряженности на операциях МИОМ особенно важен при формоизменении заготовок, содержащих композитные включения. Принципиальная схема обработки может быть реализована также за счет дополнительного применения индукционного нагревателя ТВЧ.
100
Рис. 1. Принципиальная схема измерения напряженности магнитного поля с помощью датчиков Холла [2]
Формирование свойств металла на этапе нахождения его в жидкой фазе либо при сильном предварительном нагреве без перехода в жидкую фазу под действием магнитных полей высокой напряженности позволит вести формоизменение под воздействием меньших сил, приходящихся на единицу объема материала, - силового и термического полей. Одновременно с этим проникновение поля на глубину до 4...6 мм позволит сформироваться в металле более однородной структуре. По ранее полученным данным электрическое сопротивление расплавленного металла увеличивается многократно (для алюминия более чем в 10 раз по сравнению с холодным металлом). Одновременно с этим разогрев металла приводит к снижению механического сопротивления. Регулирование электродинамических сил по величине и направлению позволяет создавать управляемые металлопотоки за счет сжимающих волновых давлений. Одним из необходимых условий проведения операции МИОМ является наличие термоустойчивой изоляции на индукторе, которая должна выдерживать высокие термодинамические нагрузки при погружении в жидкий металл и последующем разряде. Исчерпывающее описание данной операции предполагает построение индукторной системы, описание воздействия электромагнитного импульса на жидкий металл и собственно сам процесс кристаллизации жидкого металла в требуемой форме с заданными свойствами.
Формоизменение металла в жидкой фазе с целью получения тонкопленочной и упорядоченной структуры требуемой формы (по расположению кристаллитов) будет иметь преимущество в виде более однородной структуры и более равномерного распределения остаточных напряжений по объему. Направленные металлопотоки, образующиеся под воздействием внешнего магнитного поля, будут являться пульсирующими, что определяется не только формой импульса электромагнитного поля, но и формой тигля, а также расположением и конфигурацией индукторной системы.
Ввиду того, что обработка металла в жидкой фазе сопряжена с целым рядом сложностей и вышеотмеченных особенностей, в настоящее
время возможно применять предварительный индукционный нагрев металла до температуры рекристаллизации для достижения его более высоких хар астер итик, но без перех ода в жидкую фазу. Данный подход, в свою очередь, имеет ряд технологических особенностей, но при этом удаётся снизить энергию разряда и остаточные напряжения.
Исследование вопросов формоизменения материала наиболее целесообразно производить методом конечных элементов при условии реализации трехмерной задачи в динамической постановке (рис. 2).
В качестве конечного элемента в объемной модели выбирается тетраэдрический элемент первого порядка с 12 степенями свободы (4 узла), что обеспечивает максимальную устойчивость вычислительной схемы [3]. Каждый параллелепипед разбивается на 24 тетраэдра, как показано на рис. 2,а. Результирующее значение числа элементов находится в пределах 2...6*104 элементов. При генерации формировалась регулярная неравномерная сетка конечных элементов для достижения требуемой степени дискретизации в местах с наибольшей интенсивностью деформаций.
а б
Рис. 2. Принципиальная схема формоизменения в конечно-элементной модели, построенной с использованием программного комплекса Е1та/вгт 4.2: а - схема генерации сетки конечных элементов в трехмерной модели; б - расчетная осесимметричная модель
цилиндрической заготовки
Заготовка (рис. 2,б) деформируется однократным разрядом емкостного накопителя на индуктор после достижения заготовкой заданной температуры.
Принималось, что перемещения распределены в объеме элемента по линейному закону [3]:
4
щ (у, *) = Е Щ]1] (у *) >
7=1
88
где ¿=1.. .3; Пі -перемещение по оси і-й точки элемента с координатами х, у, 2; Ь] (х, у, 2) - 1-функции;
вые координаты; Ц (х, у, г) = а^х + Ь^у + е^г + di.
Деформирование магнитным полем материала, содержащего армирующие включения, в общем случае приводит к образованию очагов микропластичности в окрестности включений. Основное предположение, которое позволяет спроектировать модель упругопластического деформирования, состоит в рассмотрении эффективного зерна неоднородности в качестве эллипсоида с полуосями а,Ь,е. Полуоси в это м случае представляют собой отрезки пространственного масштабирования корреляций для поля интенсивностей напряжений. Включение, как правило, окружено микропластической зоной, напряженно-деформированное состояние которой напрямую предопределено временным и пространственным распределением внешней нагрузки, а также глубиной проникновения магнитного поля.
Исследование операций обработки многокомпонентных материалов с конечной целью изучения их прочностных характеристик возможно расширить методами магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом.
Ввиду очевидной нелинейности в распределениях полей деформаций и напряжений по объему заготовки, особенно с учетом временного фактора, имеет смысл реализовать многослойную схему дискретизации заготовки по толщине стенки и вдоль продольной оси (рис. 3). Данный подход позволит с достаточной точностью исследовать аспекты влияния внешнего электромагнитного поля на напряженно-деформированное состояние с учетом скин-эффекта и характера его изменения при повышении температуры.
Рис. 3. Расчетная схема материала в многослойном представлении
Для исследования разницы в характеристиках компонентов армированных сред возможно применить метод условных моментов, разработан-
89
фрагмент материала, содержащий / армирующее включение
ный Л.П. Хорошуном, для случая, когда композит состоит из трех фаз: упругих включений, упругой матрицы и микропластических зон с известным распределением и концентрацией.
Таким образом, средняя деформация по всему композиту будет связана со средними деформациями по компонентам формулой [1]
(в) = C1 + C2 -^е+ C3 -(г3^.
Делая предположение о малости дисперсий условных деформаций
еsv по сравнению с их средними значениями, можно записать приближенное равенство [1]
еsv -(x(i) -x(k)) = (гs ^ = const.
Данное равенство будет указывать на однородность поля деформаций внутри каждого компонента.
Практические аспекты воздействия импульсного магнитного поля на нагретый, а также расплавленный металл заключаются в следующем:
- распространение ударной волны в материале способствует уплотнению металла при температуре рекристаллизации, его дегазации, а также формированию мелкозернистой структуры. Данное обстоятельство применительно к многокомпонентным средам приведет к более низким значениям напряжений и более равномерному их распределению в окрестности армирующих включений, что позволит снизить вероятность зарождения магистральных трещин при последующей эксплуатации изделия;
- наличие вихревых токов в объеме металла будет способствовать ориентированной кристаллизации металла и движению дислокаций [4], изменению размеров и формы микродефектов;
- силовое воздействие ИМП обеспечит изменение дендритной структуры, а интенсивный теплообмен ускорит образование центров кристаллизации.
Все вышеперечисленные факторы подтверждены практическими исследованиями и отмечены в работах ряда авторов [2, 4].
Характеристики НДС многокомпонентной среды в результате обработки будут во многом предопределены способом нагружения опытного образца, формой импульса внешнего давления, соотношением упругопластических жесткостей компонентов и их пространственным размещением, что в сочетании с температурным фактором требует дополнительного исследования.
Список литературы
1. Архипов И.К., Толоконников Л.А. Эффективные соотношения между напряжениями и деформациями в корреляционной теории упруго-пластических деформаций // Механика твердого тела. Тула. 1984. 140 с.
2. Талалаев А.К. Индукторы и установки для магнитно-импульсной обработки металлов. М. : НТЦ «Информтехника», 1992. 143 с.
3. Леонов В.М. Получение поперечных пазов и отбортовка боковых отверстий в полых цилиндрических заготовках электромагнитной штамповкой: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2005. 174 с.
4. Исследование возможности воздействия импульсного магнитного
поля на жидкий и кристаллизующийся металл / В.А. Глущенков [и
др.] // Магнитно-импульсная обработка материалов. Самара, 2007. 276 с.
V. Leonov
Ехратюп of opportunities of electromagnetic treatment operations of polyphase mediums using diathermic heating
There is an aspects review of electromagnetic treatment of polyphase mediums with preheating. Particularities of material characteristics modifications which is connected with the entire process are also discussed.
Key words: polyphase mediums treatment, material characteristics increase, magnetic field, liquid phase materialforming.
Получено 07.04.10
УДК 621.251
Д.Ю. Сазонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, ё1шоПу07@шаП.щ (Россия, Тула, ТулГУ)
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНЫХ ГИДРОТЕХНОЛОГИЙ РАССНАРЯЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ
Предложен подход, позволяющий повысить производительность гидрометодов расснаряжения боеприпасов при условии обеспечения безопасности проведения работ и соблюдения экологических норм.
Ключевые слова: боеприпас, расснаряжение, гидротехнология, абразив, режимы обработки.
Со времен Второй мировой войны на территории России и бывших стран СНГ скопились миллионы тонн боеприпасов (БП), дальнейшее хранение которых требует значительных материальных затрат и связано с всевозрастающей опасностью самопроизвольных взрывов, экологических катастроф, несчастных случаев. С другой стороны, использование в промышленности черных и цветных металлов, взрывчатых веществ (ВВ) и порохов, являющихся результатом процесса расснаряжения БП при условии соблюдения условий безопасности проведения работ и экологических норм может давать существенную экономическую прибыль. Однако недофинансирование федеральных программ утилизации вооружения и военной техники, утвержденных Правительством РФ, а также отсутствие в на-
