13.3. Оборудование электрохимико-механической обработки

Источниками питания установок ЭХМО могут быть генераторы постоянного тока, двухполупериодные выпрямители, импульсные генераторы и т. д.

В источниках питания ЭХМО по сравнению с источниками питания (ИП) электрохимической обработки в меньшей мере сказывается влияние коротких замыканий, поскольку электроды быстро перемещаются относительно друг друга. Это упрощает конструкцию ИП и делает их более надежными в работе.

Источник питания установок анодно-механической обработки (АМО) для отрезных операций (рис. 13.4) включает в себя трансформатор Тр, первичная обмотка которого включена звездой. Предусмотрено ступенчатое регулирование выпрямленного напряжения с помощью переключателя П в каждой из фазных обмоток.

Шесть секций вторичной обмотки включаются по шестифазной схеме выпрямления вместе с уравнительным реактором УР. Ввод команды в блок автоматической подачи ЭИ осуществляется по цепи, включающей трансформатор ДТ, выпрямитель Д и настроечный резистор R. Трансформатор ДТ фактически является магнитным усилителем с последовательно включенными обмотками, питаемыми переменным током через выпрямитель Д. Обмоткой управления является выходная шина источника питания. Реле тока и автоматический выключатель В обеспечивают защиту от перегрузок и коротких замыканий. В процессе обработки напряжение питания не регулируется, что повышает требования к жесткости и устойчивости его внешней характеристики.

Конструкции современных станков ЭХМО включают в себя устройства для вращения ЭИ и пневматические зажимы для закрепления ЭЗ. Диски ЭИ снабжены направляющими для уменьшения ширины реза. Станки снабжены вентиляцией и устройством промывки горячей водой для полного удаления жидкого стекла.

Рисунок 13.4. Схема источника питания установки анодно-механической обработки

Раздел V. Электромеханические процессы и

УСТАНОВКИ

Глава 14. Установки магнитоимпульсной обработки

МЕТАЛЛОВ

14.1. Физико-технические основы

Магнитоимпульсная обработка металлов (МИО) – это способ пластической деформации металлов и их сплавов, осуществляемый при прямом преобразовании электрической энергии в механическую непосредственно в самом обрабатываемом изделии.

Физическими основами МИО являются электродинамические силы, возникающие в проводящем теле, помещенном в переменное электромагнитное поле. Предположим, что из металлического тела (рис. 14.1) выделяется элементарный объем dv высотой dh, шириной dr и длиной dl, через который проходит элемент тока dI.

Рис. 14.1. Электродинамические силы в проводящем теле, помещенном в индуктор с переменным током

К элементу объема приложено механическое усилие dF, называемое электродинамической силой:

, (14.1)

Здесь В= Н – магнитная индукция

Если по индуктору проходит переменный синусоидальный ток, то средняя за период электродинамическая сила

. (14.2)

Символ Re указывает на использование действительной составляющей комплексного выражения. Элемент тока dI=jdq, где j –  плотность тока в данной точке; dq – поперечное сечение элемента тока. Так как j= E, то:

; ; (14.3)

.

Запишем в общем виде выражение для удельной электродинамической силы, приложенной к единице объема проводника :

. (14.4)

где – поток энергии.

Отсюда следует, что направление электродинамических усилий совпадает с направлением потока энергии в данной точке.

Электродинамические усилия создают в каждой точке металла давление, которое может быть найдено из формулы для F_уд. Так, если в точке, где проходит элементарный ток dI, имеет место удельная сила F_уд, то значит к элементарному объему приложено бесконечно малое усилие . Бесконечно малое давление, создаваемое этим усилием, равно его отношению к площади dQ (см. рис. 14.1):

,

В данной точке давление слагается из элементарных давлений создаваемых во всех элементах dv, лежащих между рассматриваемой точкой и поверхностью металла (со стороны индуктора). Поэтому давление, обусловленное электродинамическими силами,

или . (14.5)

Для определения F_уд и p_сж в конкретных случаях в уравнение (14.5) подставляется соответствующее значение S. Возникающие электродинамические усилия и обусловленные ими давления сжимают металлическое тело и могут вызвать деформации его стенок.

Принципиальная схема установки МИО приведена на рис. 14.2. Она включает в себя зарядное устройство, батарею конденсаторов 3 – накопитель энергии, коммутирующее устройство 4 и индуктор 6.

Рис. 14.2. Принципиальная схема электрической цепи установки для магнитоимпульсной обработки металлов

Батарея 3 заряжается через выпрямительное устройство 2 от источника питания 1. По окончании зарядки батарея с помощью коммутирующего устройства 4 замыкается на индуктор 6. Проходящий по индуктору ток создает магнитный поток, который пересекает металлическое изделие 5 и создает в нем вихревые токи.

Импульс тока при разрядке конденсатора емкостью С на индуктивную катушку L имеет длительность и форму, определяемые параметрами разрядного контура R, L и С.

Энергия, выделяемая в цепи L и R при разряде конденсатора, определяется выражением

, (14.6)

Поскольку , ,

где L_уст – индуктивность установки батареи конденсаторов, ошиновки и разрядника); L_инд – индуктивность индуктора.

Электромагнитная энергия (14.6), выделяющаяся в цепи, расходуется на механическую работу деформации заготовки, нагрев заготовки и проводников цепи и частично рассеивается в пространстве.

Эффективность использования энергии батареи определяется , где .

Полное давление на заготовку (кг/см²) , обусловленное плотностью энергии электромагнитного поля определяется:

, (14.7)

где В – индукция магнитного поля.

При невысокой скорости нарастания магнитного поля и значительной длительности импульса оно может проникнуть за заготовку и вызвать противодавление, ослабляющее результирующее давление. Длительность импульса не должна превышать время деформации заготовки:

,

где – перемещение стенки трубчатой заготовки в направлении обжатия, см,  – толщина стен заготовки; v - скорость перемещения стенки, см/с.

Скорость перемещения стенки заготовки при деформации:

,

где – плотность материала заготовки, г/см³.

14.2. Элементы оборудования магнитоимпульсных установок

Установки для магнитоимпульсной обработки (МИО) состоят из двух основных узлов: подготовительного (накопление энергии и формирование импульсного напряжения и тока) и узла исполнительного – технологического. К первому узлу относятся генераторы импульсных токов, ко второму – индукторы и связанная с ними технологическая оснастка.

На рис. 15.3 показана функциональная электрическая схема установки МИО. Батарея – накопитель энергии 1 заряжается от зарядного устройства 3 до требуемого напряжения. По накоплении заданного количества энергии батарея разряжается в импульсном режиме на рабочий индуктор 9 через коммутатор 10 и токопровод 11.

Рис. 14.3. Функциональная схема установки магнитоимпульсной обработки

В функции устройства 4 входит управление, контроль и сигнализация. Поджигающее устройство 8 подает команду на включение коммутатора 10. Командный датчик 5 и делитель напряжения 6 регулируют значение запасаемой энергии в автоматическом режиме работы. По достижении установленного напряжения зарядки блок автоматики 7 подает импульсы на включение поджигающего устройства. Снятие остаточного напряжения с накопителя энергии и блокировку осуществляет короткозамыкатель 2.

Генераторы импульсных токов преобразуют электрический ток промышленной частоты в импульсы токов большой амплитуды при разряде мощной батареи. Основными элементами генератора являются зарядное устройство, батарея конденсаторов, коммутирующее и поджигающее устройства.

В состав зарядного устройства входят повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель и пускорегулирующая аппаратура. Батарея конденсаторов служит для накопления электрической энергии с дальнейшей разрядкой на технологическую установку, для этих целей применяются импульсные конденсаторы.

Коммутирующее устройство должно в заданный момент подавать импульс напряжения на рабочую катушку, пропускать возникающий импульсный ток за определенный промежуток времени и регулировать напряжение на конденсаторах. Конструкция коммутатора должна обеспечивать возможность регулирования рабочего напряжения, иметь малую собственную индуктивность, минимальный разброс времени срабатывания.

Дуговые разрядники выполняются трех основных конструкций: открытые, вакуумные и газонаполненные. Более перспективными являются вакуумные и газонаполненные. Основное их преимущество – широкий предел регулирования рабочего напряжения, возможность изменения давления в разряднике и способность коммутировать значительную энергию.

Поджигающее устройство предназначено для запуска основного разрядника. Они могут быть с механическим и электрическим запуском. Схема поджига с поджигающей емкостью С_П, заряжаемой от основного зарядного устройства, показана на рисунке 14.4.

Рис. 14.4. Схема поджигающего устройства

Для запуска основного разрядника КУ надо разрядить емкость поджига С_П. При этом на электрод поджига подается импульс напряжения, вызывающий вспомогательный разряд. Разрядка конденсатора осуществляется с помощью дополнительной емкости С_з, заряжаемой вспомогательным выпрямителем Д. Схемы с электрическим запуском применяются в том случае, когда необходимо синхронизировать подачу поджигающего импульса с запуском измерительных или регистрирующих приборов.

К технологическому узлу предъявляют следующие требования:

– высокая эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию деформации заготовки; – высокие механическая и электрическая прочности; – конструктивная и технологическая простота.

В зависимости от назначения индукторы выполняют в виде одно- и многовитковых катушек, плоской спирали и др.

Тепловой режим индуктора обеспечивается охлаждением его спирали жидкостью, пропускаемой через специальные каналы в нем.

В одновитковом индукторе спираль изготовливается из меди и латуни в виде массивной плиты, сильно увеличенной в радиальном направлении. Для снижения паразитной индуктивности зазор паза между токопроводами выполняют минимальным.