Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние электромагнитной штамповки и задачи исследования 10
1.1. Технологические схемы ЭМШ и методы анализа формоизменения заготовки 13
1.2. Анализ методов расчета электромагнитных процессов в задачах электромагнитной штамповки 19
1.3. Использование различных режимов разряда в процессах ЭМШ 27
1.4. Машинный (численный) эксперимент 32
1.5. Основные выводы по разделу 33
1.6. Цель и задачи исследования 34
2. Математическая модель системы «инструмент-заготовка» для операций ЭМШ 36
2.1. Математическое моделирование процессов, происходящих при ЭМШ 36
2.1.1. Связь между напряжениями и деформациями при электромагнитной штамповке 37
2.1.2. Математическая реализация упруго-пластических переходов 39
2.2. Индуктивность индуктора с ферромагнитным сердечником и разветвленным магнитопроводом 40
2.2.1. Допущения и особенности при расчете магнитных цепей 41
2.2.2. Соотношения для неразветвленной магнитной цепи 44
2.2.3. Статические характеристики индуктора с магнитопроводом 46
2.2.4. Динамические характеристики индуктора с магнитопроводом 48
2.2.5. Индуктивность индуктора с магнитопроводом 49
2.3. Вычисление работы деформации .51
2.4. Обеспечение устойчивости системы , 54
2.5. Основные результаты и выводы 55
3. Разработка электромеханической модели системы «оборудование-инструмент-заготовка»... 56
3.1. Основные математические зависимости 56
3.2. Методы формирования математической модели 61
3.3. Численная реализация метода переменных состояния 62
3.4. Управление формой импульса давления и дискретное изменение параметров разрядного контура в процессе формоизменения заготовки 67
3.5. Сравнение результатов численных решений 71
3.6. Исследования режимов функционирования системы и форм импульса давления 74
3.6.1. Процесс раздачи трубчатых заготовок 77
3.6.2 .Процесс обжима трубчатых заготовок 85
3.7. Пути повышения эффективности операции раздачи трубчатых
заготовок 87
3.8. Общие результаты и выводы 97
4. Экспериментальные исследования влияния магнитопровода на эффективность операции ЭМШ 100
4.1. Образцы и экспериментальная оснастка 100
4.2. Применение ферромагнитопровода в индукторе при обжиме 109
4.3. Применение ферромагнитопровода в индукторе при раздаче 110
4.4. Оборудование и аппаратура для исследований 112
4.5. Измерение разрядного тока 116
4.6. Результаты экспериментов и их анализ 122
4.7. Основные результаты и выводы 131
5. Методика повышения эффективности технологической оснастки и оборудования ЭМШ 132
5.1. Математические модели процесса ЭМШ для типовых материалов-представителей 132
5.2. Анализ результатов моделирования технологических операций ЭМШ 135
5.3. Анализ влияния исследуемых параметров установки и индуктора на энергоемкость процесса ЭМШ 144
5.4. Алгоритм проектирования технологии и оборудования процессов ЭМШ 151
5.5. Основные результаты и выводы 156
Заключения и выводы по работе... 157
Литература
- Использование различных режимов разряда в процессах ЭМШ
- Индуктивность индуктора с ферромагнитным сердечником и разветвленным магнитопроводом
- Управление формой импульса давления и дискретное изменение параметров разрядного контура в процессе формоизменения заготовки
- Применение ферромагнитопровода в индукторе при обжиме
Введение к работе
Развитие машиностроения и вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, повышение производительности труда и качества продукции основывается на применении новейших видов технологических процессов, к числу которых относятся высокоскоростные методы обработки металлов давлением (ОМД).
Электромагнитная штамповка (ЭМШ) - новый высокоскоростной метод пластического деформирования металлов и сплавов, основанный на непосредственном преобразовании предварительно накопленной электрической энергии в механическую работу деформирования заготовки.
Интерес к исследованиям процессов деформирования материалов с помощью интенсивных электромагнитных воздействий возник в связи с развитием физики и техники сильных магнитных полей, их многочисленным применением в авиастроении и машиностроении при разработке и внедрении импульсных технологических процессов обработки металлов давлением, созданием ряда энергетических установок, эксплуатируемых в условиях комбинированного действия силовых, тепловых и магнитных полей. Одним из практических направлений использования интенсивных импульсных магнитных полей в промышленности является ЭМШ, которая начала развиваться в силу ряда преимуществ перед другими технологическими процессами - возможности автоматизации и механизации, большой технологической гибкости, возможности совмещения различных операций, увеличения пластичности металлов.
ЭМШ является одним из методов пластического формоизменения металлов с использованием импульсного магнитного поля. Принцип действия электромагнитных установок основан на использовании электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля разрядного тока через катушку (индуктор) с полем наведенного тока в заготовке помещенной в рабочую зону катушки. Давление, деформирующее металлическую заготовку, создается
5 непосредственным воздействием магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных тел.
Разработка научно-обоснованных путей и способов создания ресурсосберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, экспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач.
В настоящее время внедрение достижений науки в производство затруднено в связи с недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, поэтому особенно актуальной становится задача создания методов комплексного проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.
В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий электромагнитной штамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для электромагнитной обработки металлов, легко встраиваются в автоматизированные линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций формовки, калибровки и сборки как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают, что в операциях электромагнитной штамповки можно получить большую предельную степень формоизменения.
В математическом плане магнитно-импульсные процессы динамического формоизменения описываются динамическими уравнениями термоупругопластичности и электродинамики. При этом существенно, что «термомеханическая» и «электромагнитная» группы уравнений оказываются взаимосвязанными. Лишь в последнее время благодаря развитию численных методов и созданию мощных ЭВМ появилась возможность адекватного моделирования указанных нелинейных процессов. Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных
методов их реализации и оптимизации технологических процессов. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развития экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.
Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и оптимизации технологических операций. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развития экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.
В то же время широкое внедрение процессов ЭМШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях, далеких от оптимальных. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.
Повышение технологичности операций ЭМШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и увеличить стойкость элементов оборудования и оснастки, что свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно-обоснованных методов проектирования технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций ЭМШ.
Работа выполнена в соответствии с грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных школ на выполнение научных исследований (гранты № НШ-1456.2003 и № НШ-4190.2006.8) и научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2006-2008 гг. (проект №РНП 2.1.2.8355)».
Цель работы. Повышение эффективности операций электромагнитной штамповки на основе научного обоснования методов создания,
7 проектирования и реализации новых технологических режимов, оборудования, модернизации оснастки, обеспечивающих снижение энергоемкости операций электромагнитной штамповки. Автор защищает:
— теоретические зависимости для определения силовых и
кинематических параметров операций ЭМШ, включающие
упругопластические математические модели и методы расчета напряженно-
деформированного состояния;
комплексную математическую модель для операций обжима трубчатых заготовок, учитывающую параметры системы «установка-индуктор-заготовка» ;
разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору параметров процесса деформирования на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований операций ЭМШ, технологических режимов работы оборудования и форм импульса давления магнитного поля;
— методику проектирования и математические модели
электромеханических процессов штамповки трубчатых заготовок с учетом
разветвленного магнитопровода в индукторе;
— результаты экспериментальных исследований процессов ЭМШ и
внедрения разработанных технологий в производство, методов и алгоритмов
расчета - в практику проектирования и учебный процесс.
Научная новизна состоит в определении закономерностей протекания электромеханических процессов и функционирования оборудования, позволяющих проводить параметрическую оптимизацию системы «установка-индуктор-заготовка» по критерию минимума энергоемкости на основе разработанных математических моделей процессов обжима и раздачи трубчатых заготовок с использованием новых схемных решений функционирования оборудования и индукторных систем.
Методы исследования, использовавшиеся в работе.
Теоретические исследования процессов электромагнитной штамповки
8 выполнены на основе положений механики сплошных сред и теории пластических деформаций металлов, уравнений математической физики и теории электрических цепей. Математическое моделирование процессов штамповки с использованием планирования эксперимента, нелинейного программирования и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением комплекса программ PRADIS. Экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров в процессах ЭМШ с использованием магнитно-импульсных установок и современной регистрирующей аппаратуры.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации для обеспечения оптимальных режимов работы и форм импульса давления в операциях электромагнитной штамповки трубчатых заготовок. Разработаны рекомендации по совершенствованию индукторных систем, оборудования и технологических процессов ЭМШ.
Реализация результатов работы:
Разработаны методики выбора оптимальных параметров и режимов проектируемых технологий и оборудования ЭМШ, которые приняты к эксплуатации для проектирования и оптимизации параметров технологических операций, инструмента и узлов оборудования для получения полых цилиндрических деталей в ФГУП НПО «Техномаш» (г. Москва). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и постановке лабораторных работ по курсам «Новые виды технологических процессов и оборудования ОМД», «Компьютерное моделирование процессов и машин ОМД»; подготовке магистерских диссертаций, выпускных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на следующих конференциях и выставках: Международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов и применение обработки
давлением в металлургии и машиностроении» (Украина, г. Краматорск, 2002 г.), международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование кузнечно-штамповочного производства» (г, Москва, МГТУ «МАМИ», 2003 г.); ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2003-2006 гг.); Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, 2003 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Теория и практика производства проката» (Липецк: ЛГТУ, 2003).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 12 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и 4 тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 5,5 печ. л.; из них авторских 1,9 печ. л.; в том числе 5 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Н.Е. Проскурякову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов по работе, списка литературы из 123 наименований, приложения и включает 122 страницы машинописного текста, 86 рисунков, 11 таблиц. Общий объем работы 170страниц.
Использование различных режимов разряда в процессах ЭМШ
Одним из основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей является форма импульса давления [112]. Отдельным аспектам решения этой проблемы посвящены работы [33, 34, 101].
В этих работах показано, что конечная деформация заготовки в значительной степени зависит от формы импульса давления, причем условие равенства максимальных давлений ИМП и величин импульсов не обеспечивает их эквивалентности по величине достигаемой деформации [112].
Влияние формы импульса давления на деформацию плоской заготовки исследовалось, в частности, В.Б. Юдаевым [107], где показано, что наибольшие деформации достигаются при прямоугольной форме импульса давления ИМП.
Решение краевой задачи теории пластичности о движении тонкостенной оболочки под действием равномерно распределенного давления ИМП было рассмотрено в работе [101], которое затем оптимизировалось по форме импульса. Было показано, что при фиксированном импульсе давления (К = Р t - const) максимальное радиальное смещение Umax трубчатой заготовки достигается при изменении давления ИМП во времени, описываемой дельта-функцией Дирака 5(7) и при фиксированном значении энергии импульса величина деформации не зависит от формы импульса.
Для трубчатой заготовки радиально смещение стенки определяется как [101]:
и=к 2ph где р, h - плотность материала и толщина стенки заготовки соответственно; Р0 - предельное статическое давление, определяющее несущую способность оболочки.
В наибольшей степени характер процесса деформирования зависит от амплитуды и длительности импульса, а также сил инерции заготовки. При воздействии на заготовку коротких импульсов давления ИМП с большой амплитудой возрастает влияние сил инерции и уменьшается влияние формы импульса, что позволило ряду авторов заменять его эквивалентным прямоугольным [22, 23, 34, 49, 118] или кинематическим воздействием -начальной скоростью [67], то есть в последнем случае процесс рассматривается как чисто инерционный.
Расчет динамического формоизменения трубчатых заготовок путем аппроксимации кривой давления ИМП прямоугольным импульсом дает хорошие результаты по конечным деформациям в области умеренных нагрузок для низко- и среднечастотных разрядов [118], а в области высокочастотных импульсов большой амплитуды может привести к погрешностям более 30 % [33].
Результаты исследования влияния величины амплитуды и продолжительности действия импульса давления на деформации длинных тонкостенных труб приведены в работах [105, 106]. Для рассмотренных схем нагружения получено, что для принятого в расчетах идеального жесткопластического материала распределение окружных деформаций подобно распределению радиальных скоростей в процессе формоизменения.
Одним из способов получения разнообразных режимов и форм импульса давления при ЭМШ является режим кроубара [23, 46, 48]. Для реализации этого режима в основную разрядную цепь добавляется шунтирующая цепь, характеризующаяся сопротивлением и индуктивностью.
Опыт эксплуатации внедренных МИУ, результаты их ресурсных испытаний и экономический анализ процессов ЭМШ показывают, что основная часть себестоимости технологических операций, выполняемых на МИУ, складывается из расходов на индукторы (являющиеся основным инструментом при ЭМШ) и амортизационных отчислений, связанных с износом силовой части - генераторов импульсного тока (основными элементами которых являются конденсаторы и разрядники).
Эти затраты могут быть значительно уменьшены, если осуществлять процесс штамповки не с помощью колебательных процессов разряда батареи конденсаторов на индукторы (такие схемы осуществлены в большинстве МИУ, выпущенных до настоящего времени), а с помощью униполярных импульсов тока, то есть при работе МИУ по так называемой схеме кроубар [46, 48].
Анализ литературных данных и результатов исследований, выполненных, в частности, ЭНИКМАШем [46], показывает, что при оптимальных соотношениях между параметрами системы «установка-индуктор-заготовка», при которых процесс деформирования совершается с наибольшим КПД, величина конечной деформации заготовки определяется, в основном, первым полупериодом разрядного тока. Последующие колебания разрядного тока, таким образом, являются нежелательными, так как они, практически не увеличивая полезную работу пластической деформации заготовки, отрицательно влияют на стойкость импульсных конденсаторов, разрядников и индукторов [23, 98].
При этом для получения униполярного импульса тока в индукторе используются два основных варианта работы схемы МИУ [46]: а) шунтирование (отсечка) индуктора в момент перемены знака кривой тока разряда; б) шунтирование в момент перемены знака кривой напряжения на батарее конденсаторов. Во втором случае, как правило, время разряда значительно больше полупериода разрядного тока, чем в случае обычной работе установки в колебательном режиме, а следовательно, и деформация заготовки может быть больше, чем в случае периодического разряда.
Индуктивность индуктора с ферромагнитным сердечником и разветвленным магнитопроводом
Во всех участках неразветвленнои цепи (рис.2Л) магнитный поток имеет одно и то же значение, поэтому ф = B\S\ = B2S2 = #3 = 82 52 = 4 = %% (2-6) На основании (2.5) для магнитной цепи можно записать ИХ1Х +Я2/2 +Я3/3 + #82 82 +Я4/4+Я51/6] =Iw (2.7) Так как Н = ВI \ха, Ф = BS, то из (2.7) следует, что чем больше длины участков магнитной цепи, тем большая МДС требуется для получения заданного магнитного потока,
Для выявления влияния параметров магнитной цепи на магнитный поток и МДС удобно воспользоваться приводимым ниже выражением (2.7), которое называют иногда законом Ома для магнитной цепи. Это выражение нетрудно получить из (2,6), если заменить в нем каждый член левой части Ф/ выражение — = ФКт Iw Ф = і } h ] h } ki , k , si alS\ V-a\S2 te% !-LS2 %2 4 81 (2.8) Iw Iw Rml + &m2 + R-тЗ + 82 + Rm4 + 81 Rm где Rm=Rmj+Rm2+Rm3+Rs2+Rm4+Rsi - магнитное сопротивление неразветвленнои магнитной цепи, равное сумме магнитных сопротивлений отдельных ее участков.
При анализе магнитной цепи с помощью выражения (2.8) следует помнить, что вследствие непостоянства величин Rl, R2, R3, R4 зависимость Ф(ї-Щ получается нелинейной, а также что сопротивление й5 обычно превышает сумму остальных сопротивлений.
Таким образом, зная величину потока Ф из (2.8), с учетом влияния магнитопровода из ферромагнитного материала, давление магнитного поля при разряде блоков конденсаторов на осесимметричную заготовку будет следующим: P(t) = - — -e- smat (2.9)
Применение холоднокатаной стали для электромагнитных устройств, работающих при сравнительно высоких индукциях, дает значительную экономию в энергоемкости и потерях в стали, что позволяет уменьшить общие габариты и массу магнитной цепи.
В целях увеличения индуктивности соленоида, уменьшения физических размеров, а также достижения большей величины давления магнитного поля индуктора и других качеств, применяем магнитопроводы различной конструкции, изготовленные из ферромагнитных сплавов или ферритов с различными магнитными свойствами.
В результате этого электромагнитные свойства цепи изменяются, и поэтому необходимо рассчитывать индуктивность индуктора с учетом влияния ферромагнитного провода.
Обычно свойства магнитопроводов описываются их внешними статическими и динамическими характеристиками.
Магнитопровод выполняет функцию магнитной цепи, по которой замыкается основной магнитный поток. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию для ослабления вихревых токов, наводимых в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшения величины потерь энергии.
Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют.
Для изготовления сердечников статора и ротора асинхронных двигателей обычно применяют холоднокатаные, изотропные листовые электротехнические стали, обладающие одинаковой магнитной проводимостью вдоль и поперек проката листов.
Статические характеристики индуктора с магнитопроводом
Рассмотрим свойства катушки, витки которой намотаны равномерно по периметру тороидального магнитопровода радиусом г. Свойства такого магнитопровода, и материала из которого он изготовлен, совпадают. Пусть исходное состояние материала соответствует полному размагничиванию (5=0, Я=0). Если теперь по виткам катушки пропускать постоянный ток І, постепенно увеличивая его, то под действием напряженности внешнего магнитного поля Я= - материал магнитопровода начнет намагничиваться так, что зависимость В(Щ опишет некоторую кривую (рис. 2.2,а), называемую кривой первоначального намагничивания.
Статическая характеристика ферромагнитного материала: а кривая первоначального намагничивания и предельный цикл; б - однополярное намагничивание; в - симметричный частный цикл
В зависимости от магнитных свойств материала его намагниченность, начиная с некоторых значений напряженности внешнего магнитного поля Н практически не изменяется. Эта область называется областью технического насыщения. Если теперь уменьшать значение постоянного тока, а затем и изменить его направление, то зависимость В{Н) опишет характеристику, близкую к предельной статической петле гистерезиса.
По характеру предельной статической петли гистерезиса все магнитные материалы делятся на две группы: магнитомягкие и магнитожесткие. Это различие в основном обусловлено разной коэрцитивной силой Нс Магнитожесткие материалы имеют большое значение коэрцитивной силы и используются главным образом для изготовления постоянных магнитов. Поэтому ниже будут рассмотрены свойства только магнитомягких материалов.
Применение магнитомягких материалов, обладающих в основном обратимыми свойствами намагничивания, различается двумя режимами: импульсного намагничивания и намагничивания при синусоидальной напряженности внешнего поля. И в том и в другом случае, как правило, используется та часть характеристики намагничивания, которая близка к линейной. В импульсном режиме такие магнитомягкие материалы обычно работают в режиме однополярного намагничивания (рис. 2.2,6). Намагничивание при синусоидальной напряженности внешнего поля происходит почти всегда по симметричным частным циклам (рис. 2.2,е). И в том и другой случае свойства материала приближенно можно
Вт охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью, \ir Так как рассмотренные выше статические характеристики относятся к тонкостенным магнитопроводам, то статические характеристики толстостенных магнитопроводов следует описывать их внешними характеристиками, дающими связь между средней индукцией в магнитопр оводе и значением напряженности магнитного поля на средней линии.
Управление формой импульса давления и дискретное изменение параметров разрядного контура в процессе формоизменения заготовки
Одним из основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей является форма импульса давления. В традиционных процессах ЭМШ, разрядный ток, протекающий по секциям индуктора и генерирующий импульс давления ИМП, определяется выражением: щ = - —. e -sinm/, (3.13) где Eg - начальное напряжение заряда конденсаторов МИУ, 1 - суммарная индуктивность разрядного контура. Тогда форму импульса давления ИМП на заготовку при раздаче можно аппроксимировать выражением: 2 дг2
При изменении разрядного тока по закону (3.13), при заданных параметрах индукторной системы, варьируемыми факторами являются только энергия (напряжение) зарядки конденсаторной батареи, которая определяет амплитуду импульса, и круговая частота разряда со -определяющая его длительность.
Форма импульса давления описывается здесь во всех случаях квадратичной затухающей синусоидой.
Расширить технологические возможности ЭМШ деталей позволяет способ управления формой импульса давления, основанный на дискретном изменении параметров разрядного контура во время процесса деформирования заготовки, то есть программируемое последовательное подключение дополнительных конденсаторных блоков-модулей к общему индуктору.
Эквивалентная схема разрядного контура для случая подключения двух конденсаторных модулей представлена на рисунке 3.3.
Моделирование зарядки блоков конденсаторов производится с помощью зарядных устройств FTR, разрядники представлены в виде переменных сопротивлений R1 и R2. После запуска первого блока разрядный ток в индукторе определяется выражением [91]: где Rj, Re - омические сопротивления 1-го контура и индуктора соответственно, С] - емкость конденсаторов 1-го блока.
В общем случае зависимость для токов в системе «МИУ - индуктор -заготовка» при разряде нескольких конденсаторных блоков представляет собой дифференциальное уравнение 4-го порядка [91], но учитывая, что обычно в блочно-модульных конструкциях МИУ конденсаторные блоки имеют одинаковые параметры, на основе принципа подобия, выражение для тока в индукторе можно свести к уравнению 2-го порядка, в результате решения которого получим: -h + I(t) = \i[COSG)Qt2 pV , л]+(1 + «)0 со0 ю0і0 где суммарные параметры контура будут следующие: ЗІП СО (/2 к -РЛ u Lx+L2 и R}+R2 2-LQ при t2= t[\n- число подключаемых конденсаторных блоков.
Таким образом, используя блочно-модульные конструкции МИУ, позволяющие коммутировать емкостные накопители в блоки с различной емкостью и (или) заряжать их до разного уровня начального напряжения, путем программируемого их последовательного включения в разрядную цепь, можно получать самые разнообразные законы изменения разрядного тока в индукторе, и как следствие, разнообразные формы импульсов давления ИМП на заготовку.
Моделирование системы «блочно-модульная конструкция МИУ индуктор - заготовка»
При ЭМШ индуктор генерирует ИМП, параметры которого определяются как разрядным током, так и геометрией токоведущих элементов. Магнитное поле многовиткового индуктора в каждой точке на поверхности заготовки определяется согласно принципа суперпозиции полей, генерируемых отдельно взятыми витками. В рассматриваемом выше способе управления формой импульса давления разрядный ток является общим для всех витков индуктора, а закон его изменения определяется наложением нескольких колебательных процессов с возможным перетеканием части зарядов между отдельными блоками конденсаторов, минуя индуктор, что может приводить к большим потерям энергии в коммутируемых цепях и ограничивать возможность управления формой импульса давления ИМП.
Применение ферромагнитопровода в индукторе при обжиме
В связи с тем, что при проведении экспериментальных работ по обжиму трубчатых заготовок испытывались оболочки из разных материалов и различной относительной толщины d/D, интервал изменения энергии, которая использовалась для формоизменения заготовок, выбирался из условия отсутствия потери устойчивости оболочки при обжиме и раздаче.
Для увеличения деформации осесимметричных заготовок при одинаковой зарядке энергией блоков конденсаторов применялись различные варианты магнитопровода с разной геометрией для создания и усиления магнитного потока в электромагнитной цепи.
Для изготовления магнитопроводов применяют низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,2-0,25 %, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Все они могут применяться в конструкциях электромагнитов переменного тока, так и в конструкциях, магнитопровод которых обтекается не переменным, а пульсирующим магнитным потоком, вследствие чего потери на гистерезис и перемагничивание незначительны.
Для изготовления магнитопроводов, работающих при переменном магнитном потоке, применяют только кремнистые электротехнические стали. Им присущи малые потери на гистерезис благодаря незначительной коэрцитивной силе и низкие потери на вихревые токи благодаря повышенному удельному электрическому сопротивлению. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляют в виде тонких листов толщиной от ОД до 1 мм. Увеличение содержание кремния приводит к повышению магнитной проницаемости в магнитных полях, снижению потерь коэрцитивной силы. Однако при этом повышается твердость и хрупкость материала.
В результате были выбраны материал ферромагнитного провода и три варианта схем, применяемых при деформировании осесимметричных заготовок на операции обжим и двух вариантов схем, применяемых при деформировании на операции раздачи.
В качестве материала магнитопровода выбрали изотропную электротехническую сталь (ЭТС) марки 2013 по следующим условиям и со следующими характеристиками.
Магнитопровод должен принимать практически любую форму исходя из конструктивных и технологических возможностей деформирования заготовки индуктором, иметь относительно низкую стоимость, высокие показатели по максимальной магнитной проницаемости и индукции насыщения, низкой коэрцитивной силе, и относительно низким потерям на гистерезис и перемагничивание в переменном магнитном поле.
Такие материалы как ферриты и пермаллои не обладают удовлетворительными электромагнитными показателями для данных условий, и в отличие от электротехнической стали, технологически сложны и дороги для создания соответствующей геометрической формы магнитопровода.
По этим требованиям выбрали листовую ЭТС марки 2013, т.к. из стали можно собрать магнитопровод практически любой конфигурации и сечения, который будет относительно недорогим по сравнению с другими материалами, и обладать высокими электромагнитными показателями.
Основные характеристики ЭТС приведены ниже. Обозначение марки ЭТС состоит из четырех цифр: 1) первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки: 2 - холоднокатаная изотропная. 2) вторая цифра - группу стали по содержанию кремния: нелегированная (содержание Si+Al 0,5%, плотность у=7820 кг/м , удельное электрическое сопротивление р-140 нОм-м). 3) третья цифра - вид стали по основной нормируемой характеристике магнитных свойств: при цифре 1 - величина удельных магнитных потерь при частоте тока 50 Гц и индукции 1 и 1,5 Тл, а также индукция при напряженности магнитного поля 2500 А/м. Таким образом, первые три цифры определяют тип стали. 4) четвертая цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 3 - высокий.
Основные показатели магнитных свойств (удельные магнитные потери, индукция и ее разброс) ЭТС представлены в таблице 4.1. Здесь и далее частота задается в герцах магнитная индукция в теслах. Таким образом, например, / 5/50 означает величину удельных магнитных потерь в Вт/кг при магнитной индукции, равной 1,5 Тл, и частоте тока 50 Гц.
Механические свойства ЭТС существенно влияют на ее способность к обработке (штамповке, обточке, прокатке) и на себестоимость изделия. Должен быть обеспечен определенный запас пластичности, чтобы предотвратить поломку пластин и лент магнитопроводов при вырезке и сборке. В таблице. 4.2. приведены сведения о механических характеристиках для листа или ленты ЭТС марки 2013.
