Тема 10. Электроимпульсная обработка пластическим деформированием
1. Сущность, классификация и кинематика процессов.
2. Основные технологические параметры процессов.
3. Рабочие среды и жидкости. Их подбор и расчет.
4. Электроды-инструменты, их основные характеристики.
5. Средства технологического оснащения и типовые технологические операции.
6. Выбор режимов и расчет основных технологических параметров процессов.
Электроимпульсная обработка (ЭИО) пластическим деформированием включает электрогидроимпульсную (ЭГИО) и магнитно-импульсную (МИО) обработку; разновидностью последней является магнитно - эластоимпульсная обработка (МЭИО).
Сущность ЭГИО основана на преобразовании электрической энергии в механическую энергию гидродинамического характера рабочей жидкости. Схема процесса приведена на рисунке 10.1.
Рисунок 10.1. Принципиальная схема ЭГИО:
1 - высоковольтный трансформатор; 2 - выпрямитель;
3 Сопротивление, ограничивающее ток зарядки;
4 - конденсаторная батарея; 5 – разрядник; 6 - разрядная камера; 7 – рабочая жидкость; 8 - электроды; 9 - заготовка,
10 - матрица
Классификация способов и операций ЭИО пластическим деформированием представлена на рисунке 10.2. Среди способов пластической обработки с использованием высоковольтного электрического разряда в жидкости при ЭГИО или на индуктор при МИО наибольшее применение получили штамповка, сварка, сборка, поверхностное упрочнение деталей, снятие или перераспределение остаточных напряжений.
Рисунок 10.2. Классификация методов и операций ЭИО
Снижение потерь энергии при разряде, повышение его стабильности, увеличение длины МЭП достигается инициированием пробоя путем соединения электродов проводником.
При подаче на электроды импульса тока большой мощности происходят нагрев, плавление и испарение инициирующего проводника в виде взрыва.
МИО (и МЭИО) основана на использовании электродинамических сил при взаимодействии импульсного магнитного поля индуктора с током, который индуцируется этим полем в заготовке (при МИО) или переходнике (при МЭИО), передающем давление на эластичную среду. Схемы процессов МИО и МЭИО приведены на рисунках. Данный вид обработки позволяет создать давления свыше 100 МПа длительностью менее 10-3 с, при скоростях деформирования заготовки 300 м/с (рис. 10.3).
Рисунок 10.3. Принципиальная схема МИО:
1 - генератор импульсов тока; 2 - индуктор; 3 - заготовка; 4 - матрица
Эффективность преобразования электромагнитной энергии в работу пластической деформации зависит от параметров обработки и оценивается КПД, под которым подразумевают отношение энергии, затраченной на формообразование, к энергии, запасенной в конденсаторной батарее при зарядке.
К основным технологическим параметрам, характеризующим эффективность ЭГИО можно отнести:
Электрический КПД (Э) – отношение энергии, подведенной к МЭП, к энергии, запасенной в конденсаторной батарее.
Акустический КПД (А) – отношение энергии, переданной волне сжатия, к энергии подведенной к МЭП.
Гидравлический КПД (Г) – отношение начальной энергии гидропотока к подведенной к МЭП энергии.
Механический КПД (М) – отношение работы пластического деформирования заготовки к энергии, подведенной к заготовке.
Полный КПД (О) – отношение работы пластического деформирования заготовки к энергии, запасенной в конденсаторной батарее:
. (10.1)
При ЭГИО в качестве рабочей жидкости применяют воду. Используют также углеводородные (ГОСТ 20799-75), кремнийорганические (ГОСТ 10957-74), полиэтилсилоксановые (ГОСТ 13004-77) жидкости, глицерин (ГОСТ 6824-76), расплавы солей и другие жидкости, которые могут иметь свойства электролитов и диэлектриков.
Влияние вида рабочей жидкости на электрические и силовые характеристики электрического разряда особенно сказывается при непосредственном пробое МЭП (без инициирования разряда). С изменением температуры воды гидравлический КПД разряда Г изменяется в довольно широких пределах.
МИО осуществляется без рабочей (передаточной) среды, что позволяет деформировать металлические заготовки через изоляционные покрытия, перегородки и в вакууме. Для промежуточных сред, передающих давление от рабочей среды заготовке, при ЭГИО и МЭИО применяют диафрагмы и блоки из резины (ГОСТ 7338-77) и полиуретана. Применение промежуточных сред приводит к изменению давления на заготовку (длительности импульса давления и амплитуды).
Электродом – инструментом при ЭГИО можно считать совокупность электродов и рабочей жидкости.
При проведении процессов МИО электродом-инструментом является магнитный индуктор. Классификация индукторов приведена на рисунке 10.4. Магнитные индукторы должны отвечать следующим требованиям:
- иметь высокий коэффициент преобразования энергии;
- высокая механическая стойкость к динамическим усилиям;
- простое конструктивное исполнение.
Рисунок 10.4. Классификация магнитных индукторов
Электрогидроимпульсные прессы и магнитно-импульсные установки относят к машинам импульсного действия. Источником энергии в них является конденсаторная батарея. Напряжение заряда конденсаторной батареи составляет 10 - 50 кВ.
Прессы включают генератор импульсов тока (с повышающим трансформатором, высоковольтным выпрямителем, импульсным конденсатором или батареей конденсатора, разрядником) и технологический блок. Технологический блок имеет гидравлический пресс, универсальную разрядную камеру с электродами, технологическую оснастку, систему водоснабжения и вспомогательные устройства.
Разрядные камеры для ЭГИО. По способу формирования канала разряда камеры можно разделить на два вида: без инициатора (с использованием электрического пробоя жидкости) и с инициатором, когда в качестве инициирующего элемента применяют взрывающиеся проводники, струи электропроводящей жидкости, нити с электропроводящим покрытием и т. д. Форма и размеры разрядной камеры определяются размерами и формой обрабатываемой заготовки. Разрядные камеры для электрогидроимпульсной штамповки (ЭГИШ) можно разбить на две группы: для обработки плоских и объемных (с предварительно полученной формой) заготовок.
В качестве примера расчета технологических параметров рассмотрим операцию вырубки отверстий (рис. 10.5). Давление, необходимое для пробивки круглых отверстий определяется по формуле:
, (10.2)
где pП – давление для пробивки, Па;
ВД – динамический предел прочности, Па;
SЗ – толщина заготовки, мм;
dО – диаметр отверстия, мм.
Рисунок 10.5. Схема к расчету давления для пробивки
круглых отверстий
На сегодняшний день накоплено огромное количество использованных автомобильных шин. Это огромное количество материала, представляющего собой ценный источник углеводородного сырья, не находит применения и попадает, как правило, в окружающую среду, нанося ей непоправимый вред. Из-за отсутствия эффективной технологии отделения от резины металлокорда шины дробят вместе с металлом, извлекая его на последующих стадиях процесса переработки. Такая технология достаточно энергоемкая и сопровождается быстрым износом технологического оборудования. С другой стороны, такой способ переработки не решает проблему, поскольку для заполнения потенциально привлекательных сегментов рынка резиновой крошкой достаточно утилизировать 30-35% накопленных изношенных шин.
Существует оригинальный метод «магнитного удара», который позволяет с принципиально новых позиций подойти к решению проблемы механической переработки шин. Благодаря взаимодействию противоположно направленных мгновенных электрических токов удается без особых затрат отделить металл от резины, а затем механическим путем раздробить ее в крошку заданного фракционного состава. При этом по сравнению с традиционными методами существенно уменьшаются износ механического оборудования и затраты электроэнергии. На рисунке 10.6 показаны части шины легкового автомобиля после действия «магнитного удара»: в результате магнитно-импульсной обработки получено полное отделение металлического корда от резины.
Рисунок 10.6. Переработка автомобильных шин