EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF THE PROCESS OF ELECTROMAGNETIC FORMING OF SMALL-DIAMETER TUBES

Full Text

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]. 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; . 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 материалов 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 устройству магнитно-импульсной установки (МИУ-50) [4]. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА Для оценки работоспособности предлагаемого технического решения было проведено компьютерное моделирование рассматриваемого процесса с применением многоцелевого конечно-элементного комплекса LS-DYNA [5-7]. Модели материалов и основные свойства приведены в табл. 1. На рисунке 3 приведена токовая кривая, которая была использована при компьютерном моделировании рассматриваемого процесса. 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 высокоскоростной 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 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 токоподводящая, 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 неравномерности 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, t=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 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.

About the authors

D. G Chernikov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: chernikov.dg@ssau.ru
Samara, Russian Federation

V. A Glushchenkov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov; Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: vgl@ssau.ru
Samara, Russian Federation

D. V Gusev

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: floraalshoppe777@yandex.ru
Samara, Russian Federation

I. A Pfetzer

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov; Samara State Technical University

Email: pfettser.2-mmt-4@yandex.ru
Samara, Russian Federation

V. K Alyokhina

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: vgl@ssau.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files