Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 . Проблема получения облегченных корпусов электросоединителей. ... 8
1.2.Импульсные методы контактной электрической сварки 12
1.2.1 .Конденсаторная сварка 12
1.2.2.Ударная конденсаторная сварка 13
1.2.3 .Импульсная индукционная сварка 18
1.3.Магнитно-импульсная сварка 21
1.3.1 .Оборудование магнитно-импульсной обработки 28
1 АВыводы и постановка задачи 31
Глава 2. Исследование процесса контактной магнитно-импульсной сварки (КМИС) 34
2.1 .Принцип разработанного метода и основные разновидности процесса 34
2.2. Экспериментальные исследования КМИС 39
2.3. Особенности условий формирования соединения в процессе контактной магнитно-импульсной сварки формовки 54
2.4. Структура модели техпроцесса КМИС 60
2.5. Требования, предъявляемые к параметрам процесса и оборудования 70
2.6. Выводы по главе 72
Глава 3. Исследование устройств КМИС.
3.1. Экспериментальная лабораторная установка 75
3.1.1. Анализ рабочего цикла однопозиционной установки 78
3.2. Разработка устройств измерения разрядного токаи напряженности магнитного поля 3.3. Исследование параметров разрядного контура генератора импульсных токов 85.
3.4. Исследование и разработка индукторов КМИС 90
3.5. Результаты и выводы по главе 98
Глава 4. Разработка техпроцесса и установки сварки облегченных корпусов электросоединителей.... 100
4.1. Методика выбора и расчета параметров техпроцесса и оборудования 100
4.2. Технология КМИС облегченных штампосварных экранирующих корпусов электросоединителей летательных аппаратов 104
4.3. Разработка промышленного оборудования контактной магнитно-импульсной сварки 113
4.4. Выводы по главе 120
Заключение 122
Литература 124
Приложения №1. Заключение МАМИОМ (выписка из протокола) Приложение №2. Акт внедрения результатов по хоздоговору №79 от
4.10.01
Приложение №3. Договор №1 О научно-техническом сотрудническом
- Проблема получения облегченных корпусов электросоединителей.
- .Принцип разработанного метода и основные разновидности процесса
- Экспериментальная лабораторная установка
Введение к работе
В приборостроении, авиационной и космической промышленности широкое применение получили замкнутые тонкостенные детали имеющие сложный профиль в сечении, отдельными резьбовыми участками и отверстиями из тонколистовых материалов. Чаще всего данные изделия относятся к корпусным деталям и служат для обеспечения механической прочности и герметизации отдельных частей конструкций, а также для экранирования элементов конструкций от радиопомех в мегагерцовом диапазоне. В качестве материала для данного вида изделий можно использовать фольгу алюминия и меди, а также их сплавов толщиной от 0.1 до 0.5 мм. Типовой тонкостенной замкнутой конструкцией является облегченный экранирующий корпус электросоединителя используемый в космической технике. Его использование позволяет решить проблему экранировки и уменьшения весогабаритных показателей, что очень важно при разработке новых летательных аппаратов.
Традиционными методами штамповки тонколистовых материалов получить данные детали затруднительно. Возникают проблемы и при изготовлении данных облегченных деталей токарным способом из-за низкого коэффициента использования материала (КИМ=0.1-0.3). Целесообразно изготавливать такие детали штампосварными.
Перспективность применения облегченных экранирующих корпусов электросоединителей определяет актуальность создания экономически целесообразной технологии и оборудования для их изготовления. Для достижения данной цели была рассмотрена принципиальная возможность получения соединения из тонколистового материала высокопроизводительным импульсным методам обработки.
Для калибровки и сварки облегченных замкнутых конструкций перспективно использовать давление импульсных магнитных полей. В
этом способе реализуется силовое "и тепловое воздействие на заготовку при пропускании импульсов электрического тока через рабочий инструмент-индуктор. Однако при магнитно-импульсной обработке получить изделие без замкнутого контура не рекомендуется [2].
Наиболее близко к решению этой задачи подошли авторы патента «Способ получения сварных соединений листовых металлических материалов», где предложено осуществлять сварку индуцированными токами, что является перспективным решением данной проблемы [7].
Была поставлена задача для изготовления полых облегченных конструкций разработать высокопроизводительный технологический процесс, использующий уникальные свойства магнитно-импульсной обработки, и совместить при этом процесс калибровки и сварки детали.
Целью работы является: исследование и разработка процесса получения штампосварных замкнутых конструкций из тонколистовых материалов контактной магнитно-импульсной сваркой (КМИС). Создание научно обоснованных методов выбора и расчета параметров процесса и оборудования.
Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач: создать экспериментальную установку инструмент и оснастку для исследования процесса КМИС; осуществить теоретический анализ процесса электрической контактной сварки нахлесточных соединений с использованием магнитного давления; экспериментально определить параметры процесса, влияющие на качество соединения в процессе КМИС; разработать методы расчета и выбора параметров обработки и оборудования КМИС; внедрить результаты исследований в производство и учебный процесс.
Решение указанных задач потребовало: создания экспериментальной установки для исследования процесса КМИС, осуществить теоретический анализ процесса КМИС нахлесточных
соединений с использованием магнитного давления, экспериментально
определить параметры процесса, влияющие на качество соединения в
* процессе КМИС, разработать методы расчета и выбора параметров
обработки и оборудования КМИС, внедрить результаты исследований в производство и учебный процесс. Научная новизна работы. Теоретически и экспериментально обоснован принципиально новый процесс контактной магнитно-импульсной сварки тонкостенных замкнутых конструкций, выявлен механизм получения соединения в процессе КМИС.
Сделан вывод, что процесс КМИС можно разбить на несколько стадий. В результате прохождения импульса тока в зоне контактов осуществляется взрывообразное испарение поверхности металла и при малых значениях магнитного давления образуется зазор, который обеспечивает удаление окисных пленок и загрязнения в процессе импульсного воздействия. При нарастании магнитного давления до значений, превышающих давление паров металла, поверхности соединения сближаются, жидкий металл вытесняется и осуществляется сварка в твердой фазе.
Установлено, что для осуществления качественной обработки
необходимо чтобы процесс калибровки корпуса электросоединителя был
завершен до сближения очищенных поверхностей, в противном случае,
образовавшееся соединение может быть разрушено сдвиговыми
усилиями.
* Разработан алгоритм выбора и расчета параметров процесса и
оборудования отличающаяся тем, что энергетические и частотные характеристики магнитно-импульсной обработки определяются с учетом электровзрывной очистки поверхностей и условий соединения материалов в твердой фазе.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных и теоретических исследований нового способа получения штампосварных конструкций;
гипотеза формирования соединения в процессе КМИС;
методика выбора параметров техпроцесса и оборудования КМИС;
- проектные изыскания и разработанные конструкции установки и
инструмента.
Практическая ценность.
Результаты исследований и методика расчета параметров процесса были использованы при разработке промышленной технологии получения облегченных экранирующих корпусов электросоединителей наземной и бортовой аппаратуры космической техники. Работы проводились в рамках программы исследовательских работ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Внедрение технологии и оборудования магнитно-импульсной сварки позволило значительно уменьшить затраты на производство и снизить вес и габариты узла заделки кабеля.
Полученные результаты использованы при разработке методических рекомендаций для проведения лабораторных работ по дисциплинам «Электротехнологические процессы и оборудование», «Источники питания для сварки» и внедрены в учебный процесс Донского государственного технического университета.
Проблема получения облегченных корпусов электросоединителей
В настоящее время все большее распространение получают замкнутые тонкостенные детали, которые широко, используются в приборостроении, авиационной и космической промышленности. Данные изделия имеют сложный профиль в осевом сечении, большие перепады размеров, отдельные резьбовые участки и отверстия, ребра жесткости и т.д.. Типовой тонкостенной замкнутой конструкцией является облегченный экранирующий корпус электросоединителя
Главной функцией облегченного экранирующего корпуса электросоединителя является защита от радиопомех в мегагерцовом диапазоне элементов конструкций. Проблема изготовления таких деталей определяется их конструктивными особенностями, а также малой толщиной используемого материала. Как правило, это цветные металлы: медь, латунь, алюминиевые сплавы толщиной 0.1-0.5 мм.
Виды корпусов электросоединителей показаны нарис 1.1.
Перспективность применения корпусов электросоединителей определяет актуальность разработки экономически целесообразной технологии и оборудования для их изготовления. Существуют различные способы получения корпусов электросоединителей (см. табл. 1.1).
Анализ известных традиционных технологий изготовления таких деталей показал, что они имеют ряд недостатков.
Многопереходной штамповкой тонколистовых материалов получить детали сложной формы затруднительно, а зачастую, не возможно. Сложная, металлоемкая оснастка, наличие большого количества переходов, не позволяет использовать данный метод в быстропереналаживаемом мелкосерийном производстве.
Токарной обработкой можно изготавливать осесимметричную полую конструкцию с одной установки заготовки в пределах одной технологической операции, однако при этом имеются ограничения по толщине обрабатываемой детали и при этом приходится отказываться от ребер жесткости. В целом, способ отличает очень низкий коэффициент использования материала (КИМ).
Штампосварной вариант свободен от этого недостатка. Этим приемом можно получить штампосварные конструкции практически любой формы из листа любой толщины при максимальном коэффициенте использования материала. Однако схема технологического процесса остается достаточно громоздкой и состоит из следующих операций: заготовительная, штамповочная, сборно-сварная или сборка-пайка, калибровочная, накатка профиля или резьбы и т.д..
При использовании пайки для получения штампосварных конструкций требуется использование сложной оснастки и дефицитных припоев, что делает данный процесс достаточно дорогим.
Наиболее целесообразно изготавливать оболочковые конструкции сварными. При этом могут быть использованы различные виды сварки тонколистовых материалов: импульсная дуговая микросварка неплавящимся электродом в среде аргона, лазерная сварка, контактная сварка в жидкой и твердой фазе, индукционная микросварка и т.д..
Лазерная сварка [61,71] хорошо себя зарекомендовала при получении тонколистовых прецизионных деталей и узлов. Однако, для сварки штампосварных деталей имеющих сложный профиль, необходима сложная трудоемкая оснастка. Осуществление же сварки по развитым поверхностям, типа резьбовой, практически не возможно.
Импульсная дуговая сварка обеспечивает получение герметичного соединения тонколистовых материалов, но не всегда устраивает заказчиков по внешнему виду изделия и не обеспечивает качества и функционального назначения развитых поверхностей.
.Принцип разработанного метода и основные разновидности процесса
Для сварки тонколистовых конструкций целесообразно использовать энергию магнитно-импульсных полей. В процессе МИО имеется тепловое и силовое воздействие на заготовку при протекании импульсов электрического тока через рабочий инструмент-индуктор.
Однако использование для получения облегченных экранирующих корпусов электросоединителей традиционной магнитно-импульсной сварки по схеме с последовательным косым соударением не возможно [8]. Магнитно-импульсная обработка деталей не имеющих замкнутого контура до настоящего времени вообще не рекомендовалась [2].
Перед автором данной работы была поставлена задача на базе процесса описанного в патенте 2110381 (RUS) [7] исследовать и разработать комбинированный технологический процесс магнитно-импульсной контактной сварки. Отказаться от принципа косого соударения, а осуществлять сварку вихревыми, индуцированными токами, проходящими через перехлест кромок заготовки, используя магнитное давление в качестве сварочного.
Процесс электрической контактной сварки можно осуществлять в атмосфере с очисткой соединяемых поверхностей выплеском поверхностных загрязнений окисных и адсорбированных пленок за счет электровзрывной очистки.
Принципиальная возможность получения качественных соединений данным методом была экспериментально осуществлена на лабораторной установке [29] (см. раздел 3.1). Принципиальная схема КМИС приведена на рис 2.1.
Сущность комбинированного процесса заключается в следующем: предварительно выкроенная и сформованная тонколистовая заготовка 1 сворачивается с перехлестом и устанавливается в матрицу 2 имеющую форму будущего изделия. Внутри заготовки расположен рабочий инструмент-индуктор 3.
Рис 2.2 Фрагмент нахлесточного соединения получаемого методом КМИС.
В процессе разряда емкостной батареи конденсаторов по виткам индуктора протекает импульс тока 1р, переменный магнитный поток которого обуславливает возникновение индуцированных токов в заготовке lu. Взаимодействие магнитного поля индуктора с вихревым током в заготовке приводит к возникновению магнитного давления Рм по всей поверхности заготовки. При прохождении индуцированного тока через перехлест в контакте выделяется джоулево тепло. Фрагмент нахлесточного соединения приведен на рисунке 2.2.. В результате совместного воздействия давления на перехлест и теплоты с подплавлением соединяемых кромок, происходит образование сварного соединения по типу контактной электрической сварки [4]. Одновременно со сваркой под действием магнитного давления происходит деформация изделия в соответствии с конфигурацией матрицы [8].
Экспериментальная лабораторная установка
Установка состоит из переналаживаемого генератора импульсных токов (ГИТ), технологического блока и измерительного стенда, предназначенного для фиксации параметров разряда емкостного накопителя энергии на индуктивную нагрузку. На рис 3.1 изображена принципиальная схема экспериментальной установки, а в таблице 3.2 приведены основные технические характеристики. Общий вид экспериментальной установки КМИС приведен на рис 3.2.
Установка работает следующим образом. При открытии люка технологического блока отключается высокое напряжение энергомодуля. Предварительно сформованную заготовку вводят в матрицу, которая укрепляется вместе с лавсановой изоляцией на индукторе. Загрузочный люк закрывается, срабатывает конечный выключатель, генератор импульсных токов готов к работе. Выставляется на пульте управления рабочее напряжение и подается сигнал на зарядку накопительного блока. При достижении требуемого напряжения подается сигнал на разряд емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) - осуществляется магнитно-импульсное воздействие.
На основании каркаса генератора расположены конденсаторы емкостного накопителя энергии и высоковольтный источник тока (дроссель, конденсаторы, трансформатор). Над ЕНЭ расположен блок » коммутации (разрядники с токоподводящими шинами и кабелями). На передней стенке генератора расположен блок . управления и автоматический выключатель СЕТЬ. Рабочий инструмент-индуктор подключается к токоподводящим шинам. Высокочастотный генератор подает питание на рабочий инструмент-индуктор и осуществляется комбинированный процесс магнитно-импульсной контактной сварки [29]. Конструктивная схема и пути протекания тока в ошиновке приведены на рис. 3.3.. Анализ рабочего цикла однопозиционной установки При разработке оборудования КМИС важное значение приобретает необходимость в анализе особенностей протекания отдельных элементов рабочего цикла в их взаимосвязи, определяющей производительность установки.
Технологическая диаграмма процесса, иллюстрирующая длительность и согласованность между собой во времени различных переходов приведена нарис.3.4.
Наиболее принципиальным моментом технологии КМИС является магнитно-импульсное воздействие (МИВ). Именно время МИВ определяет технологический потенциал оборудования. Расчетные оценки и экспериментальные данные (см. раздел 2) показывают, что время эффективного воздействия tMHo составляет 20-100 мкс.
Все остальные переходы в работе импульсного оборудования вспомогательные. Магнитно-импульсному воздействию предшествует зарядка батареи конденсаторов, время которого t3ap зависит от емкости накопительного блока С и выбранных элементов зарядного устройства
