CC BY
144
УДК 618.321
РЕАЛИЗАЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ МАГНИТНОИМПУЛЬСНЫХ МЕТОДОВ В РАЗВИТИИ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННОСТИ
Ю.В. Батыгин, профессор, д.т.н., Г.С. Сериков, преподаватель, Е.А. Чаплыгин, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Приведены варианты применения методов магнитно-импульсной обработки материалов (МИОМ) в передовых технологиях современности. Перечислены наиболее яркие внедрения МИОМ. Даны оценки параметров индукторных систем, позволяющих производить успешную обработку листовых металлических заготовок.
Ключевые слова: гиперпластичность, импульсные магнитные поля, индукторная система, энергосберегающая технология, ресурсосберегающая технология, экологичность, сварка, обжим, раздача, листовая штамповка.
Введение
Среди основных проблем современности наиболее остро выделяются экология, ресурсосбережение и энергетика. Нет смысла определять, что есть первое, что - второе и что - третье. Различные, безусловно, весомые точки зрения могут расставить значимость этих проблем как угодно. Главное же состоит в ответах на вопросы, где взять энергию, материальные ресурсы и как сохранить окружающую среду для грядущих поколений. Решение этих проблем определит будущее всего человечества.
Практическое использование энергии импульсных электромагнитных полей открывает исключительные перспективы для создания, так называемых, прогрессивных технологий по обработке материалов любой физической природы. Их основные и несомненные достоинства устанавливаются комплексным сочетанием определяющих атрибутов, среди которых наиболее значимы экологическая чистота, низкое энергопотребление, экономный расход сырьевых материальных ресурсов и, наконец, высокая производительность.
Отличительной особенностью полевых методов воздействия является отсутствие непосредственного контакта с обрабатываемым объектом. Практический смысл этой особенности проявляется, например, в сравнении механической и электромагнитной штамповки. Электромагнитная штамповка осуществляется без пуансона (ударного элемента). Силы давления возбуждаются при взаимодействии поля с металлом заготовки.
Однако, так же, как и в механике, для осуществления технологической операции с помощью импульсных магнитных полей необходимы две основные составляющие: источник энергии и
инструмент.
Источник энергии - это высоковольтная система, которая в специальной технической литературе получила название магнитно-импульсной установки.
Инструмент - это комплекс, состоящий из генератора собственно магнитного поля (так называемого индуктора) и обрабатываемой заготовки. В целом данный комплекс и есть индукторная система.
Если источник энергии (магнитно-импульсная установка) является универсальным элементом, то инструмент метода, как правило, разрабатывается для выполнения строго определённой производственной операции.
Таким образом, магнитно-импульсная установка плюс индукторная система есть техническое оборудование для обработки металлов с помощью энергии импульсных магнитных полей (пример на рис. 1).
Анализ публикаций
Научно-техническая информация о магнитноимпульсной обработке металлов стала появляться, начиная с конца пятидесятых годов прошлого столетия. Первое магнитно-импульсное оборудование для работы с трубчатыми объектами было продемонстрировано фирмой «General Dynamics
Согр.» в 1958 г. на выставке по мирному использованию атомной энергии в Женеве.
а
Рис. 1. Комплекс технического оборудования для обработки трубчатых заготовок, созданный в НТУ «ХПИ»: а - одновитковый индуктор; б - магнитно-импульсная установка МИУ-24 с техническими характеристиками: максимальная запасаемая энергия, кДж 24 номинальное напряжение, кВ 20 масса, кг 1700 габаритные размеры, мм: в плане 1520 х 800, высота - 1800
Бурное развитие магнитно-импульсных технологий продолжалось приблизительно до начала восьмидесятых. Следующие пятнадцать-двадцать лет можно охарактеризовать снижением интереса к полевым методам. Причин здесь множество, как технических, так и социальных. Не останавливаясь на них, укажем, что с 1995 - 2000 гг. магнитноимпульсные способы воздействия опять интересуют промышленность. Отмечается существенный рост научно-практических публикаций, посвящённых разработкам и внедрению полевых технологий в металлообрабатывающих отраслях производства США, Германии, Швеции и др.
Среди технических причин возрастающего интереса к магнитно-импульсной обработке металлов особо выделяется создание новых сплавов, обладающих уникальными свойствами, наивысшее проявление которых имеет место только при импульсном воздействии. Наиболее ярким среди таковых является, например, гиперпластичность,
когда относительные деформации могут достигать ~200%.
Повышенный интерес к магнитно-импульсным технологиям в настоящее обусловлен также ухудшением естественных условий существования человечества. Мировая общественность обеспокоена истощением природных ресурсов, загрязнением и даже отравлением планеты Земля. Люди уже обладают высокопроизводительными технологиями в различных сферах деятельности. Рост производительности труда перестаёт быть основной задачей научно-технического прогресса. На первые места выходят экология, ресурсо- и энергосбережение.
Цель и постановка задачи
Целью данной статьи является классификация и анализ наиболее перспективных решений по МИОМ.
В магнитно-импульсной обработке металлов существует общепринятая классификация выполняемых технологических операций, предполагающая принадлежность к трём из возможных схем их практической реализации.
Первый вариант объединяет производственные процессы, осуществляемые по схеме «обжим». В этом случае обрабатываемая трубчатая заготовка помещается во внутренней полости индуктора-инструмента. Силы магнитного давления направлены к оси системы и работают на сжатие.
Вторая группа включает в себя операции, которые по характеру деформации обрабатываемой заготовки могут быть причислены к «раздаче». Здесь индуктор-инструмент располагается во внутренней полости заготовки. Силы магнитного давления направлены от оси системы и работают на расширение.
Третья, последняя группа операций, реализует производство по схеме «плоская листовая штамповка». В данном случае индуктор и заготовка, подлежащая обработке, представляют собой параллельные плоские фигуры, разделённые изолирующей прокладкой. Силы магнитного давления направлены от индуктора к заготовке и работают на отталкивание. Последнее замечание требует уточнения. Как показали последние эксперименты, при понижении рабочей частоты действующего поля, силы магнитного давления изменяют свою направленность и работают на притяжение листовой заготовки к индуктору. Этот эффект, обнаруженный впервые в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт» для плоского варианта индукторной системы, при соответствующих условиях, вероятно, может проявиться и в случае цилиндрических конструкций инструментов. Подчерк-
нём, что это лишь гипотеза. Окончательный вывод требует своего экспериментального подтверждения.
Анализ вариантов внедрения МИОМ
Приведенная классификация является общей. В свою очередь каждая из выделенных схем может быть разделена на подгруппы по каким-то более частным признакам. По всем указанным схемам магнитно-импульсного воздействия можно выполнять сборочные, разделительные, сварочные и комбинированные операции. Примером эффективной сборки служит опрессовка кабельных наконечников.
В корпус наконечника вставляют провод, а затем корпус подвергают обжиму. Аналогичным образом можно опрессовывать наконечники не только на элементах электропроводки, но и на тросах, канатах, гибких шлангах и т. д. Качество такого соединения очень высокое. Его прочность на разрыв, как правило, не ниже аналогичного показателя для материала кабеля, каната, троса, провода.
По схемам «обжим» или «раздача» можно реализовать прочные соединения металлических деталей с деталями из стекла, керамики и других неметаллических материалов. При соединении металлов с неметаллами процесс магнитноимпульсного воздействия обеспечивает высокую плотность и надёжность соединения, повышая во многих случаях эксплуатационные характеристики соответствующих узлов.
Магнитно-импульсное воздействие (по всем трём вышеперечисленным схемам) позволяет осуществить так называемую холодную сварку не только однородных, но и разнородных металлов (алюминий-медь, алюминий-сталь, медь-сталь и др.). Для получения сварного соединения необходимо, чтобы скорости встречного движения заготовок были максимальными. В этом случае при их соударении за счёт инерционных эффектов образуется пограничный слой, обусловленный переносом металла из одной заготовки в другую и наоборот.
Особо выделяются операции для больших площадей на плоских металлических листах, выполняемые по схеме «плоская листовая штамповка». Наиболее успешными среди них отмечаются формовка мембран, деталей для автомобильных кузовов, элементов самолётных корпусов, чеканка рисунков и надписей. Именно эти операции характеризуют возможности магнитно-импульсного воздействия для получения достаточно крупногабаритных изделий заданной формы. В зависимости от энергоёмкости оборудования площадь обрабатываемых поверхностей может доходить до ~ 0,2 м2.
Заканчивая описание успешно апробированных практикой типичных магнитно-импульсных технологий, следует указать, что все приведенные примеры были реализованы в заводских и опытных производствах для заготовок из металлов с высоким значением удельной электропроводности. Обработка хороших проводников осуществляется в так называемом режиме резкого поверхностного эффекта, когда процессы проникновения поля сквозь заготовку несущественны и не снижают возбуждаемых сил магнитного давления.
Для деформирования плохо проводящих или достаточно тонких металлических объектов по схеме традиционной магнитно-импульсной формовки необходимо введение разного рода дополнений в конструкции инструментов.
Наиболее эффективным оказалось использование так называемых «спутников» в совокупности с передающими эластичными прокладками. В этом решении имеет место условное расположение по слоям (в любой схеме магнитно-импульсного воздействия): индуктор - хороший проводник (это и есть «спутник») - передающая усилие эластичная прокладка - деформируемая деталь. Магнитное давление испытывает «спутник». Через эластичную прокладку это давление передаётся на обрабатываемый объект. В качестве «спутников», как правило, используется медь. В качестве материала для передающих прокладок применяют специальные сорта резины и полиуретан. Известно также использование жидкостей.
Применение «спутников» в радиопромышленности позволило успешно осуществлять операции по штамповке плоских деталей достаточно малых размеров и довольно сложного рисунка для компоновки различных радиоустройств.
Несмотря на успешность применения «спутников», это техническое решение резко снижает эффективность процесса деформирования и значительно сокращает перечень преимуществ магнитно-импульсных методов, предполагающих бесконтактное воздействие на обрабатываемую деталь.
Качественно новое направление в магнитноимпульсной обработке металлов, обеспечивающее интенсивное бесконтактное силовое воздействие (идентично обработке хороших массивных проводников в режиме резкого поверхностного эффекта) на тонкостенные объекты, сформировалось в работах учёных Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» в начале девяностых годов прошлого века. Его физическая сущность состоит в создании определённого пространственновременного распределения напряжённости действующего магнитного поля в металле обрабатываемой заготовки.
Исследования процессов силового взаимодействия импульсного магнитного поля с тонкостенными («прозрачными» для действующего поля) проводниками привели к запатентованным техническим решениям по конструкциям индукторных систем, позволяющим практическую реализацию значимых для промышленности производственных операций.
Одним из примеров таких операций может служить новая впервые предложенная прогрессивная технология магнитно-импульсного изготовления печатных плат для компоновки схем электротехнических приборов разного назначения. Эта операция по штамповке рисунка соединительных элементов для зарядно-выпрямительного устройства микрокалькулятора серии «Электроника» была апробирована экспериментально и дала положительные результаты. При разработке индукторной системы было использовано явление, по которому поле пакета плоских электромагнитных волн в свободное полупространство сквозь тонкостенные проводящие экраны практически не проникает. Технически это явление реализуется с помощью индукторных систем, где штамповка листовой заготовки производится на диэлектрическую матрицу.
На рис. 2 приведены полученные образцы.
№1 №2
... .) . ; с •; • ■ •• • ,< 4 :1 •
Рис. 2. Экспериментальные образцы соединительных элементов печатных плат, отштампованных магнитно-импульсным воздействием в медной листовой фольге толщиной ~ 50 мкм
Ярким примером нового использования энергии импульсных магнитных полей для обработки тонкостенных металлов является практическая реализация эффекта притяжения листовой заготовки под действием возбуждаемых сил электродинамического воздействия. Как уже было указано, этот природный феномен был обнаружен впервые в НТУ «ХПИ» при деформировании стальных образцов импульсными магнитными полями с пониженными значениями рабочих частот. Как следовало из экспериментов, вариация частот приводила либо к известному эффекту отталки-
вания, либо к притяжению заготовки к рабочей поверхности одновиткового индуктора.
Практическим приложением обнаруженного эффекта может быть операция по удалению вмятин в металлических обшивках автомобильных кузовов и самолётов без каких-либо механических контактов с ними и повреждения их возможного внешнего лакокрасочного покрытия. Следует отметить более глубокий смысл направления по осуществлению магнитно-импульсного притяжения металлов. Он состоит в расширении возможностей полевых методов воздействия на обрабатываемые объекты. Притяжение заданных участков в комбинации с возбуждением сил давления может дать новые решения по созданию гибких прогрессивных технологий будущего.
Поскольку эффект притяжения (имеется в виду не результат, а его причина) не был ранее нигде описан в специальной технической литературе, на перспективах его практического использования и результатах некоторых экспериментов остановимся несколько подробнее. Известны технические решения по осуществлению операции внешней рихтовки самолётных корпусов. Наиболее практичными из них являются предложения инженеров концерна «Боинг» и фирмы «Электро-импакт» (обе - США).
В ряде работ бывших советских учёных обсуждался вопрос о возможности достижения эффекта притяжения с помощью одного индуктора, в обмотке которого протекают два токовых импульса с разной частотой.
С физической точки зрения принцип действия всех этих предложений одинаков. Он основан на суперпозиции низкочастотного и высокочастотного магнитных полей, возбуждаемых в индукторной системе. Идентичным также является технический уровень сложности по практическому воплощению в жизнь этих идей. Предложения учёных США требуют наличия двух источников мощности, достаточно сложных схем управления, систем высоковольтной электроники и т. д. Предложения бывших советских учёных также весьма сложны для практики, так как требуют создания особых систем коммутации сильных токов в их максимуме.
Все эти факторы обуславливают высокую стоимость, низкую надёжность вышеперечисленных устройств по магнитно-импульсному притяжению листовых металлов и существенно снижают их практическую значимость.
Использование обнаруженного эффекта притяжения листовых образцов низкочастотными магнитными полями открывает новые возможности для создания достаточно простых, надёжно действующих и относительно дешёвых устройств, а именно:
- отсутствие каких-либо механических контактов с обрабатываемой поверхностью, так как воздействие осуществляется силами импульсного магнитного поля;
- широкая номенклатура обрабатываемых металлов;
- удаление вмятин с внешней стороны рихтуемого кузовного или корпусного элемента без разборки, необходимой в традиционных технологиях;
- возможность восстановления повреждённого элемента до первоначального состояния (с сохранением существовавшего покрытия).
Соответствующая экспериментальная модель индукторной системы была апробирована в реальных условиях силового воздействия на различные образцы из листовых сталей. Одновитко-вый индуктор подключался к выходу магнитноимпульсной установки с запасаемой энергией ~ 4,5 КДж.
После десятикратного повторения силового воздействия (10 разрядов накопителя) в стальных листах были получены вытяжки, полусферической формы с диаметром основания ~ 0,03 м и высотой - И ~ 0,0015 м.
Рис. 3. Экспериментальный образец из кузовной стали а/м «Мицубиси» с лакокрасочным покрытием: №1 - вмятина, полученная магнитно-импульсными втягиванием заданного участка экспериментального образца; №2 -участок экспериментального образца с удалённой вмятиной
Следующим экспериментом был эксперимент по удалению полученных вытяжек (теперь это уже вмятины) на поверхности листовых заготовок. Каждый из образцов помещался на плоской поверхности индуктора (между ними - изолирующая прокладка) так, чтобы имеющаяся вмятина полностью закрывала внутреннее окно витка. В том же режиме, в котором производилось вытягивание металла, осуществлялась операция по её удалению. После пятикратного силового воздействия вмятина практически удалялась. Дальнейшее магнитно-импульсное воздействие приводи-
ло к появлению вмятины с кривизной, противоположной по отношению к исходной.
Один из экспериментальных образцов показан на рис. 3.
Особо следует указать на устойчивость и стабильность повторения результатов при выполнении отрабатываемой производственной операции. Этот факт свидетельствует о надёжности предлагаемого метода для практического применения.
Выводы
Проведен обзор наиболее перспективных методов МИОМ и широкий круг возможностей внедрения в передовые технологии современности. Раскрыт круг вопросов, решение которых необходимо для практики. Универсальность методов и высокая производительность рассмотренных систем открывают большие перспективы для практического использования энергии импульсных электромагнитных полей. Наряду с прочими
достоинствами применение МИОМ позволяет существенное энерго- и ресурсосбережение, а также повышение экологической чистоты производства.
Литература
1. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Спра-
вочник по магнитно-импульсной обработке металлов. - Харьков: Вища школа, 1977. -168 с.
2. Батыгин Ю.В., Лавинский В.И., Хименко Л.Т.
Импульсные магнитные поля для прогрессивных технологий. Том 1. Изд. 2-е. перераб. и дополн. / Под общ. ред. Батыгина Ю.В. -Харьков: МОСТ-Торнадо, 2003. - 284 с.
3. Батыгин Ю.В., Лавинский В.И. Магнитно-
импульсная обработка тонкостенных металлов. Т.2: Импульсные магнитные поля для прогрессивных технологий. - Харьков:
МОСТ-Торнадо, 2003. - 284 с.
4. Batygin Yu.V., Lavinsky V.I. Electromagnetic
processes in an inductor system for stamping printed circuit boards // Electrical Technology Russia. - 2001. - №4. - P.129-136.
5. Batygin Yu.V., Lavinsky V.I., Khimenko L.T.
Direction Change of the Force Action upon Conductor under Frequency Variation of the Acting magnetic Field. // Proceedings of the 1-st International Conference on High Speed Metal Forming. March 31/April 1, 2004. Dortmund, Germany. - P.157-160.
Рецензент: О.П. Алексеев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 23 марта 2006 г.
