Схемные решения магнитно-импульсных установок для обжима и раздачи полых цилиндрических заготовок

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 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, развитие 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 № НТТТ-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, проектирования и реализации новых технологических режимов и оборудования, обеспечивающих снижение энергоемкости операций электромагнитной штамповки.

Автор защищает: теоретические зависимости для определения силовых и кинематических параметров операций ЭМШ, включающие упругопластические математические модели деформирования заготовоккомплексные математические модели для операций обжима и раздачи полых цилиндрических заготовок, учитывающие параметры системы «установка-индуктор-заготовка" — разработанные 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 полярезультаты экспериментальных исследований процессов ЭМШ и внедрения разработанных технологий в производство, методов и алгоритмов расчета — в практику проектирования и учебный процесс.

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей протекания электромеханических. процессов ЭМШ, позволяющих проводить параметрическую оптимизацию системы «установка-индуктор-заготовка» и расширяющих технологические возможности на основе новых схемных решений функционирования оборудования и математических моделей операций обжима и раздачи полых цилиндрических заготовок.

Методы исследования, использовавшиеся в.работе.

Теоретические исследования процессов электромагнитной штамповки 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;

Созданы методики выбора оптимальных параметров и режимов проектируемых технологий и оборудования ЭМШ, которые приняты к эксплуатации для разработки и оптимизации параметров технологических операций, инструмента и узлов оборудования получения полых цилиндрических деталей в ОАО ТНИТИ (г.Тула). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и постановке лабораторных работ по курсу «Компьютерное моделирование технологических процессов и оборудования" — 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 «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Украина, г. Краматорск, 2005 г.), международной заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь России — науке будущего» (г. Ульяновск, УГТУ, 2006 г.) — ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2005;2008 гг.) — Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.),.

Международной научно-технической конференции «Магнитно-импульсная обработка материалов. Пути совершенствования и развития. МИОМ-2007» (г. Самара, 2007).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и 5 статьях Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 2,4 печ. л.- из них авторских 1,6 печ. л.- в том числе 4 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК и одном патенте на полезную модель № 73 248.

Автор выражает 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, четырех разделов, общих выводов по работе, списка литературы из 99 наименований, приложения и включает 156 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 12 таблиц. Общий объем работы 178 страница.

4.7 Основные результаты и выводы.

1. Результаты моделирования операций обжима и раздачи заготовок на высокочастотных МИУ показывают, что при уменьшении относительной частоты процесса разряда /о //заг более предпочтительным является периодический разряд, чем режим кроубар.

2. Для высоких заготовок интервал изменения числа витков индуктора, для которого режим кроубар более эффективен, примерно в два раза больше, чем для коротких заготовок.

3. Максимум коэффициента эффективности к3 всегда больше для высоких заготовок и максимален для медных заготовок, а минимален для стальных заготовок.

4. Для низких заготовок максимум коэффициента эффективности примерно одинаков для всех материалов и составляет 5. 10%.

5. Чтобы добиться максимума коэффициента эффективности для низких заготовок необходимо выбирать число витков индуктора N#=6.8, а для высоких — Nj^-10. 15, но при этом необходимо учитывать прочность и стойкость индуктора.

6. Анализ результатов показал, что при одинаковой энергии зарядки наибольший выигрыш в деформации заготовок из различных материалов достигается для операции раздачи и составляет 10. 15%, а для операции обжима — 5. 10%.

7. Предложен новый критерий^rgs Для оценки и сравнения энергоемкости операций раздачи и обжима трубчатых заготовок из различных материаловнаибольшее расхождение (до 14%) по предложенному критерию имеют низкие заготовки из сталииспользуя полученные зависимости и критерий оценки — KRGS можно рассчитать энергоемкости операций обжима или раздачи ИМП заготовок из различных материалов, определив энергоемкость операции для одного из них.

Заключения и выводы по работе.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение в области листовой штамповки — создание новых технологий и оснастки, позволяющих повысить технологичность деталей в операциях ЭМШ трубчатых заготовок, эффективность и гибкость оборудования на основе разработки компьютерных методов проектирования технологии и оптимизации параметров оборудования и индукторной системы.

В работе реализованы поставленные задачи:

1. Разработана математическая модель динамического упругопластического поведения материала заготовки при его формоизменении с учетом влияния упрочнения и пластических свойств материала в операциях ЭМШ.

2. Установлены особенности деформирования заготовок и закономерности влияния силовых параметров, технологических факторов и геометрии инструмента в операциях ЭМШ.

3. Проведены экспериментальные и теоретические исследования физических явлений и характера протекания электромеханических процессов при ЭМШ, на базе которых разработаны новые схемные решения функционирования оборудования и индукторных систем.

4. Создана компьютерная методика, позволяющая проводить проектирование технологических операций и расчет параметров индукторных систем и установок для ЭМШ.

5. Результаты исследований использованы в промышленности и учебном процессе.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработано прикладное программное обеспечение автоматизированного расчета параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок.

2. Показано, что увеличение числа витков индуктора с 3 до 5 снижает энергоемкость операции примерно на 40.45%, увеличение емкости конденсаторов в 3 раза снижает энергоемкость на 8. 10%, а увеличение собственной индуктивности приводит к снижению энергоемкости на 3.5%.

3. Анализ полученных зависимостей энергоемкости операции обжима заготовок из разных материалов показал, что наибольшее влияние оказывает число витков индуктора % ив меньшей степени — собственная частота МИУ. Для низких заготовок можно рекомендовать число витков индуктора Ntf=7.9 при изменении собственной частоты установки в пределах /0=30.90 кГц.

4. Для низких и высоких заготовок из алюминия АМг2М минимум энергоемкости операции достигается при значениях собственной частоты установки /о «60.70 кГц. При этом число витков индуктора составляет, N и = 8 для низких и N и = 15 для высоких заготовок.

5. Результаты моделирования операций обжима и раздачи заготовок на высокочастотных МИУ показывают, что при уменьшении относительной частоты процесса разряда /о //заг более предпочтительным является периодический разряд, чем режим кроубар.

6. Для высоких заготовок интервал изменения числа витков индуктора, для которого режим кроубар более эффективен, примерно в два раза больше, чем для коротких заготовок.

7. Максимум коэффициента эффективности всегда больше для высоких заготовок и максимален для медных заготовок, а минимален для стальных заготовок.

8. Чтобы добиться максимума коэффициента эффективности к3 для низких заготовок необходимо выбирать число витков индуктора N^=6.8, а для высоких — N#=10.15, но при этом необходимо учитывать прочность и стойкость индуктора.

9. Анализ результатов показал, что при одинаковой энергии зарядки наибольший выигрыш в деформации заготовок из различных материалов достигается для операции раздачи и составляет 10.15%, а для операции обжима — 5. 10%.

10. Используя полученные зависимости и критерий оценки — krgs можно рассчитать энергоемкости операций обжима или раздачи ИМП заготовок из различных материалов, определив энергоемкость операции для одного из них.