CC BY
14
В. М. ХАУСТОВ
Омский государственный технический университет
УДК 621.7.044.7
СОВМЕЩЕННОЕ МНОГОПЕРЕХОДНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННОЙ ОБОЛОЧКИ ИМПУЛЬСАМИ МАГНИТНОГО
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ИНДУКТОР ДЛЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТРУБЧАТОЙ, ТОНКОСТЕННОЙ ОБОЛОЧКИ ЭНЕРГИЕЙ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОЗВОЛЯЕТ РЕШИТЬ ЗАДАЧИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ, КПД ИНДУКТОРА И УСТАНОВКИ, ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ.
В настоящее время для изготовления деталей из тонкостенных трубчатых заготовок используют устройство для деформирования трубчатых заготовок способом раздачи в жесткую матрицу за один переход формообразования, при помощи давления импульсного магнитного поля [1].
Оно содержит индуктор, в виде жесткой нетокопро-водной оправки с навитой на ее поверхность жесткой, электроизолированной токоведущей спиралью, и разъемную матрицу.
Однако известное устройство обладает рядом недостатков, заключающихся в невозможности получения относительных степеней деформации более 25-30 % из-за обрыва материала трубчатой заготовки на участке перехода из недеформированной части трубы в сильфон, а также снижение деформирующего давления на 42% [2] импульсного магнитного поля, из-за технологического (установочного) зазора между витками индуктора устройства и деформируемой заготовкой, перед началом формообразования по разъемной матрице импульсами магнитного поля. Низкая относительная степень деформации заготовки (не более 15-18%), из-за того, что формообразование трубчатой заготовки происходит при высоких значениях энергии разряда генератора импульсных токов (50-100 кДж).
Это приводит к обрыву материала тонкостенной оболочки в очаге деформации, к низкой долговечности индуктора и установки, к плохому качеству получаемых деталей.
Известен также индуктор для деформирования трубчатых заготовок, способом раздачи при помощи энергии импульсного магнитного поля [3].
Он содержит полый корпус, выполненный из эластичного материала и заполненный жидкостью для передачи давления, смонтированную в корпусе токоведущую спираль из переплетенных между собой гибких, тонких проводников, торцевые крышки из нетокопроводного материала, а также стяжные элементы.
Однако данный индуктор обладает рядом недостатков:
- низкие технологические возможности при получении деталей со сложной формой кольцевого рифта вследствие того, что величина упругой деформации изоляции корпуса и спирали, выполненной из переплетенных между собой гибких тонких проводников, в радиальном направлении не может превышать 5 - 8% от первоначального статического состояния, из-за возникновения в тонких гибких проводниках, пластических деформаций;
- низкий КПД индуктора вследствие того, что при прохождении импульсного тока в спирали индуктора, выполненной из гибких, тонких переплетенный между собой проводников будут возникать электромагнитные силы, которые стремятся взаимоисключить друг друга;
- низкая долговечность индуктора и установки из-за того, что процесс формоизменения протекает при высоких значениях частоты тока (50 -100 кГц). Это обстоятельство
приводит к разогреву тонких, гибких, переплетенных между собой проводников, их оплавлению и сварке.
Предлагаемый нами индуктор для деформирования трубчатой, тонкостенной оболочки энергией импульсного магнитного поля позволяет решить задачи по повышению эффективности деформирования, КПД индуктора и установки, их долговечности и расширению технологических возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что индуктор для матитного импульсного формообразования, с предварительным статическим нагружением перед началом каждого перехода деформирования, до величины (0,8 - 0,9) а, содержит упругий, эластичный, тороидальный корпус, полость которого заполнена жидкостью для передачи давления, например, индустриальное масло марки И-12А и расположенную в его стенке токоведущую спираль с изменяющейся геометрией, из материала, обладающего свойством термомеханической памяти формы.
Сущность технического решения поясняется схемой (рис.1) заготовки.
Индуктор для деформирования трубчатой заготовки состоит из полого нетокопроводного цилиндра 1, внутри которого расположен нетокопроводный ступенчатый шток 2. Фиксация цилиндра и штока от осевых динамических нагрузок и возникающих при этом осевых перемещений осуществляется при помощи резьбы, выполненной на внутренней и внешней поверхности цилиндра и штока соответственно.
Шток 2 имеет канал 3 для подачи жидкости 4, например, индустриального масла под давлением Р, в тороидальную полость корпуса 5, выполненного из эластичного с высокими упругими свойствами, нетокопроводного материала, например, уретанового каучука, типа термоэластопласт. Токоведущая спираль 6 выполнена из материала, обладающего термомеханической памятью формы, и расположена в стенке тороидального корпуса 5 таким образом, что один ее конец жестко связан с цилиндром 1, а другой - со штоком 2. Спираль имеет переменное поперечное сечение, формирующее продольную образующую, приближенную к форме рифта, получаемого с помощью данного индуктора.
Индуктор является основным узлом установки для деформирования трубчатой заготовки, которое содержит также:
- матрицу 7;
- узел обеспечивающий вращение, осевое перемещение и торможение штока 2, включающий электродвигатель 8, муфту 9, редуктор 10, гидромеханическую муфту 11 и тормоз 12;
- узел создания рабочего давления в тороидальной полости корпуса индуктора 5, включающий гидромотор 13, эластичное соединение валов 14, насос 15 и резервуар 16;
- узел создания импульсного тока, включающий генератор импульсных токов 17, токопровод 18, коммутирующее устройство 19 и жидкостной электроконтакт 20.
Рис. 1.
Индуктор для деформирования трубчатой заготовки работает следующим образом.
Перед началом процесса деформирования тонкостенной трубчатой заготовки 21, токоведущую спираль 6, выполненную из металла, обладающего эффектом термомеханической памяти, навивают на шаблон, копирующий форму и размеры внутренней поверхности готовой детали.
Далее фиксируют форму и размеры токоведущей деформированной спирали 6 путем установки последней в матрицу 7.
Затем, подавая импульс тока от генератора импульсных токов 17, коммутирующего устройства 19 и токопровода 18, нагревают спираль до температуры мартенситного структурного превращения в материале спирали б, обладающего эффектом термомеханической памяти формы. При этом происходит "запоминание" приданной формы. Окончательно закрепить эту форму нужно путем понижения температуры спирали до комнатной температуры, не удаляя при этом матрицы-фиксатора.
Затем токоведущую спираль 6 освобождают от матрицы и шаблона и устанавливают в стенку корпуса 5 индуктора, электроизолируя витки упругим эластичным нетокопрово-дящим материалом, из которого выполнен корпус 5 индуктора, например урегановым каучуком типатермоэластопласт. При этом один конец спирали жестко закреплен в штоке 2, а другой - в цилиндре 1.
После этого к токопроводному штоку 2 прикладывают крутящий момент М(, например при помощи электродвигателя 8, муфты 9, редуктора 10 и гидромеханической муфты 11, обеспечивающей вращение и осевое перемещение штока 2 относительно неподвижного цилиндра 1.
При этом происходит деформирование спирали, а именно, осевой размер токоведущей спирали 6 увеличивается, а диаметральный - уменьшается до тех пор, пока корпус 5 индуктора с установленной в нём спиралью не примет форму исходной внутренней поверхности заготовки 21. После этого наиндуктср одевают тонкостенную заготовку 21 и устанавливают матрицу 7. Крутящий момент Ми , приложенный к штоку 2, снимают.
Проходя по виткам спирали б индуктора, импульс тока от генератора импульсных токов 17 нагревает спираль 6 до температуры восстановления формы. При этом за счет
эффекта термомеханической памяти формы материала, из которого выполнена спираль 6, и упругих свойств материала из которого выполнен корпус 5 индуктора, злектроизолирован-ная токоведущая спираль 6 начинает концентрично и равномерно увеличивать свой диаметр и уменьшаться в длине.
После этого, через канал 3 в тороидальной полости корпуса индуктора, заполненного жидкостью 4, при помощи гидромотора 13, эластичного соединения валов 14, насоса 1.5, резервуара 16 и гидромеханической муфты 11 создают статическое давление Р. При этом эластичная стенка корпуса 5 индуктора и расположенная в ней токоведущая спираль 6 плотно прилегают к внутренней поверхности трубчатой заготовки 21, нагружая последнюю статическим давлением [0,8-0,910,.
Затем шток 2 фиксируют от вращения и осевого перемещения при помощи тормоза 12. Далее энергию, накопленную в генераторе импульсных токов 17, с помощью токопровода 18, коммутирующего устройства 19 и жидкостного электроконтакта 20 подают к индуктору.
Жидкостной электроконтакт 20 обеспечивает надежное соединение, передачу энергии и контакт при поступательном, радиальном и вращательном движении конца спирали б и токопровода 18.
При прохождении импульсного тока по токопроводу 18 между индуктором и трубчатой заготовкой 21 возникают электромагнитные силы, которые деформируют трубчатую заготовку 21 по кольцевой канавке разъемной матрицы 7 до образования кольцевого рифта на первом переходе деформирования.
Возникающие при этом осевые динамические нагрузки передаются через витки спирали 6 на торцы неэлектропроводного штока 2 и цилиндра 1, фиксация которых от осевого смещения осуществляется при помощи резьбы, выполненной на внутренней и внешней поверхности цилиндра 1 и штока 2 соответственно. Радиальные динамические нафузки воспринимаются жидкостью 4 под давлением р, находящейся в тороидальной полости корпуса индуктора 5. При этом свойства эластичного нетокопроводящего материала, из которого выполнен корпус индуктора 5, например, уретанового каучука, обеспечивает низкий коэффициенттрения, высокую стойкость к электромеханическим и знакопеременным нагрузкам как статического, так и динамического характера, и износостойкость.
Затем в тороидальной полости индуктора 5, заполненной жидкостью 4 под давлением Р, давление доводят до нуля и прикладывают крутящий момент М,. При этом корпус 5 индуктора и спираль принимают исходную форму.
Индуктор приводится в исходное положение. В случае необходимости получения сложной формы кольцевого рифта, повторяя пластическую деформацию токопроводящей спирали 6 индуктора и ее нагрев можно осуществить требуемое число переходов совмещенного многопереходного формообразования кольцевого рифта тонкостенной заготовки.
Диапазоны размерных параметров тонкостенной трубчатой заготовки, с S/D < 0,01 составляют, диаметр заготовки от нуля до требуемой конструктивной величины, в том числе и длины. Время действия импульса магнитною поля составляет 20-30 мкс, создавая при этом динамическое деформирующее давление 15*103 МН/м2.
На последнем, заключительном переходе деформирования проводят операцию калибровки кольцевого рифта детали.
После окончания совмещенного многопереходного формообразования трубчатой заготовки 21 полуматрицы разъемной матрицы 7 размыкают и снимают деталь с индуктора.
Использование предлагаемого совмещенного многопереходного формообразования позволяет значительно расширить технологические возможности и повысить эффективность процесса деформирования. Кроме этого техническое решение позволяет увеличить в 2 - 3 раза долговечность индуктора за счет работы при более низких значениях энергии разряда генератора импульсных токов.
Рассмотренная методика совмещенного многопереходного формообразования тонкостенной трубчатой оболочки импульсами магнитного поля при незначительных финансовых затратах может бьггь рекомендовано к самому широкому применению, при изготовлении деталей на заводах подъемных машин, ПО "Полет", ЗАО ПО "Элеюрсггочприбор", города Омска.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 3688098 (США) Устройство для электромагнитной формовки. Кл. 72-56/В2Ю26/14., опубл. 10.06.75 г
2. Мун. Ф., Чатопадхайя С. Волны напряжений, возбуждаемые магнитным полем в проводящем теле. Теория и
А. В. КАРАСЕВ С. Л. КУЛАГО
Омский государственный технический университет
УДК 669:539.2
Из практики хорошо известно, что при низких климатических температурах детали различных машин и сооружений разрушаются при более низких нагрузках, чем при нормальных температурах. Это связано с тем, что целый ряд сталей обладают свойством хладноломкости. Под хладноломкостью понимают снижение ударной вязкости материалов в результате перехода от вязкого разрушения к хрупкому при понижении температуры. Испытания на ударную вязкость при нормальных и низких температурах стандартизованы и широко используются для сравнения свойств различных материалов.
Ударная вязкость играет большую роль при оценке качества материалов и занимает особое место среди других механических характеристик. Это связано с одновременным влиянием на процесс разрушения высокой скорости нагружения и концентрации напряжений у надреза. В некоторых случаях, особенно при сложных условиях нагружения, ударная вязкость принимается за показатель работы материала в реальной конструкции. В основном же, ударная вязкость служит для сравнения различных материалов и непосредственно в расчетах несущей способности деталей не используется.
Оценка несущей способности деталей стрещинами или подобными им дефектами при низких температурах может выполняться на основе критериев механики разрушения. Основными критериями являются: коэффициент интенсивности напряжений К,, раскрытие трещины у вершины РТ, контурные интегралы и-интеграл, Т-интеграп.
эксперимент. - "Механика № 8", - Новое в зарубежной науке. - Пер. с англ. - Сб. статей. - Изд. - "Мир", М. 1976 г. С. 97-115.
3. A.c. 344682 СССР, МКИ 4B21D20/14. Индуктор для магнитно-импульсной штамповки деталей/ В.А. Глущенков, В А. Каськов (СССР). - № 1406542/25-27. Заявлено 02.11.1970.
4. Свидетельство на полезную модель 18246 Россия МКИ 4B21D20/14. Индуктор для деформирования трубчатой заготовки энергией импульсного магнитного поля / В.М. Хаустов. Приоритет 2000130152. Приоритет 01.12.2000г.
ХАУСТОВ Виктор Михайлович, ккандидат технических наук, инженер кафедры "Сопротивление материалов'' Омского государственного технического университета.
Расчет нагрузочной способности по критериям механики разрушения складывается из двух элементов: определение выбранного критерия для рассчитываемой детали и его сравнения с предельным значением, определяемым путем лабораторных испытаний. Испытания проводятся при плоском деформированном и плоском напряженном состояниях. Удовлетворительная точность расчетов имеет место только в случае совпадения условий роста трещины в реальной детали и лабораторного образца. В большинстве же случаев по фронту трещин в деталях в различных сочетаниях имеют место как плоское напряженное, так и плоское деформированное состояние, что существенно снижает точность расчетов. Кроме того, лабораторное определение критических значений критериев механики разрушения при низких температурах связано со значительными методическими трудностями. Все это побуждает искать новые пути оценки прочности деталей с трещинами при низких температурах.
Авторами предлагается использовать для оценки прочности деталей стрещинами при низких температурах подход, основанный на общих закономерностях пластического деформирования и разрушения материалов. Подробно он изложен в работе [1]. Здесь же мы ограничимся кратким изложением его основ и обоснованием его применимости при низких температурах.
В основу предложенного подхода положены представления об исчерпании прочности материала как о последовательности ряда состояний: упругое деформирование
РАСЧЕТ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО И СИЛОВОГО КРИТЕРИЕВ
В СТАТЬЕ ИЗЛОЖЕН КОНЦЕПТУАЛЬНО НОВЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ. МЕТОД ОСНОВАН НА ПРЕДСТАВЛЕНИИ ПРОЦЕССА РОСТА ТРЕЩИНЫ КАК ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СОСТОЯНИЙ МАТЕРИАЛА: УПРУГАЯ, НАЧАЛО ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ, ИХ РАЗВИТИЕ И ИСЧЕРПАНИЕ РЕСУРСА ПЛАСТИЧНОСТИ, РАЗРУШЕНИЕ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ УЧИТЫВАЕТСЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ.
