Повышение эффективности процессов обжима трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля

Основной задачей развития машиностроения является вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие повышение производительности труда, экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды. В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий магнитно-импульсной штамповки (МИШ), отличающихся простотой и низкой стоимостью оснастки, компактностью оборудования, высоким качеством получаемых изделий и экологической безопасностью.

Магнитно-импульсная штамповка характеризуется тем, что давление на деформируемую металлическую заготовку создается непосредственно воздействием импульсного магнитного поля (ИМП) без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных тел. Таким образом, можно штамповать детали из полированных и лакированных заготовок без повреждения поверхностей, деформировать заготовки, заключенные в герметическую неметаллическую оболочку, и выполнять другие операции, осуществление которых иными методами нерационально.

В то же время внедрение этого метода в производство сдерживается недостаточной стойкостью инструмента и элементов высокоэнергетического оборудования, что связано с отсутствием научно обоснованных методик, позволяющих проводить процесс магнитно-импульсной штамповки наиболее рационально. В связи с этим в производстве достаточно велик объем экспериментальных и доводочных работ, а реализуемые режимы обработки далеки от оптимальных. Поэтому тема данной работы, касающаяся повышения эффективности операций МИШ путем научно обоснованного проектирования инструмента и управления параметрами разрядного контура, является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с проектом РФФИ «Конкурс Р-2004 Центр» «Математическое моделирование динамических процессов в электромеханических системах», с грантами по фундаментальным исследованиям в области технических наук №Т02−06.4−300 «Повышение стойкости индукторных систем для магнитно-импульсной обработки металлов» и ЖГО2−01.5−296 «Разработка математической модели электромеханических процессов в индукторных системах для магнитно-импульсной обработки металлов», с грантом для поддержки научно-Щ исследовательской работы аспирантов вузов федерального агентства по образованию «Оценка прочности и стойкости индукторов для магнитно-импульсной обработки» и с программой «Развитие научного потенциала высшей школы» по разделу 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» № 05.55.2.РНП «Математическое моделирование электромеханических процессов в индукторе для магнитно-импульсной штамповки».

Цель работы. Снижение энергоемкости операций магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок по схеме обжима путем научно * обоснованного выбора геометрии спирали индуктора-концентратора и управления процессом разряда магнитно-импульсной установки.

Автор защищает:

— результаты численных экспериментов, проведенных на базе разработанной математической модели по оценке эффективности конструкций индукторов различной формы для обжима;

— методику проектирования индуктора-концентратора для обжима трубчатых заготовок;

— установленные зависимости влияния геометрических размеров и материала заготовки, а также параметров магнитно-импульсной установки на энергосиловые параметры процесса обжима трубчатой заготовки и температурные условия функционирования индукторов различной геометрии.

Научная новизна:

— на базе разработанной математической модели функционирования системы «установка — индуктор — заготовка» обоснована эффективность использования индуктора-концентратора для обжима осесимметричных трубчатых заготовок;

— на основе закона сохранения заряда разработана математическая модель функционирования многоблочной магнитно-импульсной установки и обоснован выбор временного интервала для включения очередного блока конденсаторных батарейустановлены математические зависимости величины, характеризующей изменение степени деформации заготовки при неодновременном включении конденсаторных батарей, от геометрических размеров заготовки и собственной частоты магнитно-импульсной установки.

Методы исследования:

— теоретический анализ процессов формоизменения заготовки, выполненный с использованием основных положений теории пластического течения при динамическом нагружении;

— теоретический анализ силовых и температурных режимов функционирования индуктора с использованием основных положений электродинамики сплошных сред;

— математическое моделирование, численный эксперимент, конечно-элементный анализ, теория планирования эксперимента.

Достоверность результатов: обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, корректностью постановки задач, применением известных математических методов.

Практическая ценность и реализация работы:

— разработаны методика проектирования геометрии спирали индуктора-концентратора для обжима, обеспечивающего максимальное формоизменение заготовки, и программный комплекс для её реализации;

— результаты исследования использованы при разработке новых технологических процессов получения сборочных соединений «трубкафланец» и изделия «баллон», которые внедрены в опытные производства ОАО «ТНИТИ»;

— отдельные материалы исследования использованы в учебном процессе для студентов специальности 15.02.01 Машины и технология обработки металлов давлением.

Апробация. Результаты исследования доложены на следующих конференциях:

— II Международной практической конференции «Металлофизика, механика материалов и процессов деформации», г. Самара, 2004;

— Международной научно-технической конференции МК-06ММФ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета, 2006;

Научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ, 2003;2006 гг.

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 11 печатных работах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д-ру техн. наук, проф. В. Д. Кухарю, канд. физ.-мат. наук, доц. А. А. Орлову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и общих выводов по работе, списка литературы из 61 наименований и включает 130 страницу машинописного текста, 60 рисунков и 9 таблиц. Общий объем -142 страницы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача — снижение энергоемкости операций магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок по схеме обжим путем научно обоснованного выбора геометрии спирали индуктора-концентратора и управления процессом разряда магнитно-импульсной установки.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:

1). Усовершенствована математическая модель электродинамических процессов, протекающих в системе «установка — индуктор — заготовка» в результате учета сопротивления токоподводов и собственной индуктивности установки, а также описания формоизменения заготовки на базе теории пластического течения Прандтля и Рейса.

2). Показано, что наиболее эффективным индуктором для обжима является индуктор-концентратор, использование которого позволяет увеличить деформацию значительно увеличить деформацию заготовки по сравнению с одновитковым и четырехвитквым цилиндрическим индуктором.

3). Разработана методика проектирования геометрии спирали индуктора-концентратора. Показано, что геометрия спирали существенно зависит от диаметра обрабатываемой заготовки.

4). Показано, что использование индуктора-концентратора снижает энергоемкость процесса обжима в 1,3 — 2 раза по сравнению с четырехвитковым цилиндрическим индуктором и в 2 — 10 раз по сравнению с одновитковым индуктором в зависимости от материала заготовки, параметров магнитно-импульсной установки и геометрических размеров обрабатываемой заготовки.

5). Установлено, что наименьшее значение пондеромоторных сил при обжиме как стальной, так и алюминиевой заготовок реализуется при использовании индуктора-концентратора. Так, при обжиме стальной и алюминиевой заготовок максимальная радиальная пондеромоторная сила на четырехвитковом цилиндрическом индукторе на 15 — 20% и на одновитковом индукторе на 60 — 70% выше по сравнению с индуктором-концентратором.

6). Наибольшие значения температур при обжиме как стальной, так и алюминиевой заготовок имеют место в индукторе-концентраторе. Так для индуктора-концентратора температура в 1,5 -1,8 раза выше, чем температура спирали в одновитковом и четырехвитковом цилиндрическом индукторах. При обжиме алюминиевой заготовки температуры, возникающие в спирали индуктора, от 2 до 5 раз ниже, чем при обжиме стальной заготовки, независимо от формы спирали индуктора.

7). Разработана математическая модель функционирования системы «установка — индуктор — заготовка» в составе многоблочной магнитно-импульсной установки при неодновременном разряде конденсаторных-батарей.

8). Показано, что для достижения наилучшего результата необходимо производить очередное подключение конденсаторных батарей в момент, когда ускорение заготовки достигает максимального значения, что может привести к увеличению степени деформации заготовки до 50%.

9). Отработаны технологические режимы сборки изделий «трубка-фланец» и «баллон», которые были внедрены в опытное производство ОАО «ТНИТИ».