
6.4.2. Механизм и модель мф
Магнитоимпульсное формообразование осуществляется двумя способами: 1) индукционным при взаимодействии импульсного магнитного поля, которое создается возбудителем, с токами, наведенными в заготовке самим же полем; при этом заготовку не включают в электрическую цепь; 2) электродинамическим при взаимодействии токов в возбудителе и заготовке, включенной в цепь разряда конденсатора. Для индукционного и электродинамического способов формообразования применяют различные по устройству возбудители.
Электродинамический
способ основан на
электромеханическом взаимодействии
проводников, в которых протекают токи.
Как известно
из электротехники, параллельные провода
с одинаково направленными токами
и
притягиваются, а с противоположно
направленными – отталкиваются. Сила
притяжения (или отталкивания) прямо
пропорциональна произведению сил токов
,
длине проводов
и обратно пропорциональна расстоянию
между проводами
(рис. 6.13):
,
(6.22)
где
–
коэффициент
пропорциональности.
Рис. 6.13. Принцип
образования сил при МФ
На рис. 6.14 показаны цилиндрическая заготовка и возбудитель. Их соединяют последовательно и подключают к конденсаторной батарее. Током разряда в возбудителе создается магнитное поле с индукцией, которое, взаимодействуя с током той же силы в заготовке, создает в ней сжимаю
Рис. 6.14. Схема
электродинамического способа
магнитоимпульсного формообразования
щие электромагнитные силы . Заготовка опрессовывает матрицу.
Поскольку
токи в заготовке и возбудителе
соответствующим образом
распределены по их объемам, то общие
соотношения для расчета
электромагнитных сил
оказываются
довольно сложными.
Эти силы растут с увеличением силы токов
и уменьшением расстояния между
возбудителем и заготовкой.
Недостаток электродинамического способа – необходимость включения в разрядную цепь деформируемой заготовки, что не всегда возможно.
Индукционный
способ
более распространен. Заготовку не
включают
ни в какие электрические цепи. Например,
на рис. 6.15 внутри
возбудителя 2
установлена
трубчатая заготовка 3,
которая
под
действием электромагнитных сил
опрессовывает
некоторое изделие 4.
Из
физики известно, что плотность
энергии магнитного
поля равна
,
где
– магнитная индукция;
– напряженность
магнитного поля.
Рис. 6.15. Схема
индукционного способа магнитоимпульсного
формообразования: 1 - конденсатор, 2 –
обмотка, 3 – заготовка, 4 – опрессуемое
изделие.
Для
воздуха (среды, где обычно проходит
процесс)
,
где
(Гн/м)
– магнитная постоянная.
В начале разряда конденсатора
1 (в
течение десятков микросекунд) вблизи
обмотки 2 на
внешней стороне заготовки 3
(рис.
6.15) напряженность
магнитного поля
велика, а на внутренней
стороне напряженность
мала.
В
единичном объеме пространства внешней
части заготовки плотность
магнитной энергии равна
;
то же во внутренней
части равно
,
где
и
– значения
магнитной индукции соответственно на
внешней и внутренней сторонах
заготовки.
Размерность
плотности энергии (
)
такая же, как у давления.
Поэтому плотностям энергии по обе
стороны заготовки соответствуют
различные магнитные
давления
и
.
Плотность
электромагнитных
сил на участке заготовки 1
(рис.
6.16)
называется разностью магнитных давлений
с
внешней и внутренней сторон. Эти магнитные
давле-
Рис. 6.16. Действие
электромагнитных сил на участки
заготовки: 1
– заготовка, 2
- возбудитель.
ния перпендикулярны вектору и численно равны местным плотностям магнитной энергии:
;
.
(6.23)
Поверхностная плотность электромагнитных сил
.
(6.24)
Вектор
(рис. 6.16)
направлен в ту сторону, где магнитное
поле
слабее, в данном случае с внешней стороны
заготовки во внутреннюю.
Чтобы произошло магнитоимпульсное
формообразование, необходимо,
чтобы напряженности магнитного поля
по обеим сторонам
листовой заготовки существенно отличались
друг от друга. Напряженность
магнитного поля внутри заготовки
ослабляется за
счет тока
,
наведенного изменяющимся магнитным
полем тока
в электропроводной заготовке 1.
По правилу Ленца
наведенный ток
имеет такое направление, что его магнитное
поле встречно тому,
которое создается возбудителем 2
внутри
контура, где возникает
наведенный ток.
Заготовка,
а точнее цепь наведенного тока, обладает
определенной
инерционностью, характеризуемой в
простейшем случае постоянной
времени
.
Чем больше
в сравнении с длительностью протекания
разрядного тока, тем сильнее выражена
электромагнитная
инерционность электропроводной
заготовки и тем слабее в начале
разряда магнитное поле, характеризующееся
величинами
и
,
на ее внутренней стороне. Чтобы выполнить
указанное условие,
время разряда конденсаторной батареи,
т.е. время нарастания магнитного поля,
должно быть как можно меньше.
Иногда электромагнитные силы создают быстропадающим магнитным полем, получаемым разрывом цепи, например, с помощью плавкого предохранителя.
В обеих разновидностях магнитоимпульсного формообразования заготовка нагревается наведенным током. Потери на нагревание зависят, в частности, от скорости изменения магнитного поля и могут составлять до 20 % энергии, накопленной конденсатором. За очень короткое время температура заготовки может существенно повыситься, особенно при малой теплоемкости материала заготовки.
Так как магнитное давление действует перпендикулярно вектору магнитной индукции, то последний должен быть направлен параллельно исходной поверхности заготовки. Для этого подбирают соответствующую конфигурацию возбудителя. Например, если заготовка трубчатая, то индукция магнитного поля должна быть направлена вдоль боковой поверхности заготовки. Для обработки листовой заготовки необходимо создать магнитное поле, параллельное плоскости заготовки.