123662 (Повышение эффективности процессов обжима трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля)

55

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

1.1 Математические модели электродинамических процессов

1.2 Математическое моделирование формоизменения заготовки в процессах МИОМ

1.3 Математическое моделирование электромеханических процессов при магнитно-импульсной обработки металлов

1.4 Интенсификация процессов магнитно-импульсной обработки

1.5 Выводы по разделу

1.6 Постановка задачи исследования

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ «УСТАНОВКА-ИНДУКТОР-ЗАГОТОВКА» ДЛЯ МИОМ

2.1 Основные соотношения электромеханики твердых тел

2.2 Математическая модель электродинамических процессов в одновитковом индукторе

2.3 Математическая модель электродинамических процессов в многовитковом индукторе

2.4 Математическая модель электромеханических процессов в системе «индуктор-заготовка»

2.5 Построение численной модели для задачи электродинамики

2.5.1 Одновитковый индуктор и установка

2.5.2 Многовитковый индуктор и установка

2.5.3 Система «индуктор-заготовка-установка»

2.5.4 Вычисления сил и температур

2.5.5 Численное моделирование механических процессов в заготовке

2.6 Выводы по разделу

3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ФОРМЫ СПИРАЛИ ИНДУКТОРА ДЛЯ ОБЖИМА

3.1 Влияние формы спирали индуктора на процесс обжима трубчатых заготовок

3.2 Выбор геометрических размеров спирали индуктора-концентратора

3.3 Энергетические характеристики процесса обжима

3.4 Выводы по разделу

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПИРАЛЕЙ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ ОБЖИМА

4.1 Силовые характеристики процесса обжима

4.2 Температурные режимы функционирования спирали индуктора

4.2.1 Температура спирали индуктора в момент максимального значения импульсного тока

4.2.2 Температура спирали индуктора в момент окончания разряда магнитно-импульсной установки

4.3 Выводы по разделу

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОБЛОЧНЫХ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫХ УСТАНОВКОК ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ

5.1 Математическая модель функционирования установки при неодновременном включении блоков конденсаторных батарей

5.2 Выбор временного интервала включения блоков конденсаторных батарей

5.3 Влияние факторов на эффективность процесса обжима заготовки при неодновременном включении конденсаторных батарей

5.4 Разработка технологического процесса сборки изделия «трубка-фланец»

5.5 Разработка технологического процесса сборки изделия «баллон»

5.6. Выводы по разделу

ОСНОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

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 №ТО2-06.4-300 «Повышение стойкости индукторных систем для магнитно-импульсной обработки металлов» и №ТО2-01.5-296 «Разработка математической модели электромеханических процессов в индукторных системах для магнитно-импульсной обработки металлов», с грантом для поддержки научно-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 батарей;

- установлены 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 «трубка - фланец» 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.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы.

В первом разделе работы изложено современное состояние магнитно-импульсной штамповки, рассмотрены существующие математические модели, отражающие процессы, протекающие в заготовке и индукторе при разряде магнитно-импульсной установки. Обоснована постановка задач исследования.

Во втором разделе приведена математическая модель функционирования системы «установка-индуктор-заготовка», в которой формоизменение заготовки описывается на базе теории пластического течения. Получена полная система дифференциальных по времени и интегральных по пространству уравнений, описывающая электрические процессы в индукторе и заготовке. Для численного интегрирования этой системы интегро-дифференциальных уравнений применялся метод конечных элементов. Приведены уравнения по вычислению пондеромоторных сил, напряжений, деформаций и температур в каждой точке сечения индуктора и заготовки в любой момент времени.

В третьем разделе на базе разработанной математической модели была проведена оценка эффективности конструкций индукторов - одновиткового, четырехвиткового цилиндрического, индуктора-концентратора. Были построены и обработаны кривые тока, а также характерные графики распределения радиальной пондеромоторной силы по высоте заготовки и деформации заготовки для каждого типа индуктора. Разработана методика, позволяющая определить геометрические размеры спирали индуктора-концентратора, который обеспечивает максимальную деформацию заготовки при равных энергетических затратах.

В четвертом разделе на базе проведенного численного эксперимента были установлены 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.

В пятом разделе показана принципиальная возможность интенсификации процесса обжима за счет неодновременного включения блоков конденсаторных батарей в разрядную цепь. Установлены зависимости влияния геометрических размеров заготовки, а также параметров магнитно-импульсной установки на величину, характеризующую изменение степени деформации при обжиме трубчатой заготовки при неодновременном включении блоков конденсаторных батарей.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Магнитно-импульсной обработка металлов характеризуется тем, что на давление на деформируемую металлическую заготовку создается непосредственно воздействием импульсного магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных сред.

Еще в 1927 г. академиком Л.Капицей была предсказана возможность использования силовых импульсных магнитных полей в технологических операциях по обработке металла.

Это технологическое направление появилось в конце 50-х годов прошлого столетия и сразу же нашло применение в самолетно- и ракетостроении, а впоследствии и в автомобильной промышленности. В настоящее время используется в различных отраслях промышленности вплоть до пищевой. В последнее время начинает использоваться в области медицины и боевой технике.

Первая промышленная магнитно-импульсная установка (МИУ) типа «Magneform», предназначенная для обработки тонкостенных труб импульсным магнитным полем, была изготовлена в США фирмой «General Dynamics» в 1962 г. Энергоемкость установки составляла 6.25 кДж, производительность - 10 импульсов в минуту. В 1963-66 гг. на базе этой установки в США создается гамма МИУ с запасаемой энергией от 12 до 84 кДж для различных технологических операций обработки металлов давлением [59]. Наряду с США, начиная с 1963-1966 гг. вопросами МИОМ и созданием оборудования для нее начали заниматься в других странах. Начиная с 1963 года, разработкой и применением МИУ, проведением теоретических и экспериментальных исследований в Англии занимаются ученые фирмы «Wickman Machine Tools Sales» [61], в ФРГ - фирма «Brown Boveri» и Institut fur Werkzeugmaschine und Umformtechnik der Tecnischen Hochschule Hannover [58].