Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский национальный технический университет

Машиностроительный факультет

Кафедра «Экономика и организация производства»

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

Современные технологии в машиностроении

Тема:

Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов

Минск - 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. Магнитно-импульсная обработка материалов

2. Электрогидроимпульсная обработка

1. Магнитно-импульсная обработка материалов

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 самолето- и ракетостроении, а впоследствии и в автомобильной промышленности. В настоящее время используется в различных видах промышленности вплоть до пищевой. В последнее время начинает использоваться в области медицины и в боевой технике.

В металлообработке опыт внедрения МИОМ по сравнению с другими методами обработки металлов давлением имеет следующие преимущества:

1. Простота технологической оснастки. Используется только матрица или пуансон (ответной частью является электромагнитный импульс).

2. Большая технологическая гибкость процесса. Одним и тем же индуктором можно формовать детали различных конфигураций, плавно управляя и меняя величину электромагнитного импульса.

3. Отсутствие передаточной среды при формообразовании. Это позволяет формовать металлические заготовки через изоляционные покрытия, перегородки, стенку вакуумной камеры.

4. Высокая культура производства и простота обслуживания оборудования МИОМ. Современные магнитно-импульсные установки (МИУ) работают бесшумно, экологически чисто. Инструмент и узлы МИУ не нуждаются в смазке, отсутствует агрессивная среда. Управление и контроль за работой производится одним рабочим.

5. Процесс легко поддается автоматизации и механизации, что при необходимости позволяет обеспечить высокую производительность и технико-экономические показатели технологического процесса.

6. Позволяет улучшать характеристики обрабатываемого материала (точность, чистоту поверхности, прочность и другие технические характеристики).

Обработка давлением методом МИОМ включает

1. Все виды листовой штамповки (формовочные и разделительные)

2. Сборочные операции

3. Калибровка, правка

4. Прессование порошков

Кроме того:

- Сварка (несколько способов)

- Упрочнение материала

- Снятие внутренних напряжений (например, после сварки)

На предприятии РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева освоены ряд технологий

1.1 Найден новый способ магнитно-импульсной сварки, на который получен патент. Этот способ позволяет получать сварные соединения тонколистовых материалов. Имеется опыт получения сварного соединения листов из алюминиевой фольги толщиной 0,05 мм.

Метод сварки требует очень маленькую энергию. Требуется энергия импульса несколько джоулей.

Сварка за один импульс может осуществляться по сложному контуру. Метод позволяет осуществлять сварку различных пар металлов. После сварки отсутствуют остаточные напряжения и деформационные искажения.

1.2 Освоен способ получения тонколистовых обечаек сложной формы за один технологический прием, на который получен патент.

1.3 Найден новый способ получения контактных соединений взамен пайки.

1.4 Освоена технология калибровки - правки оболочек после сварки.

1.5 Освоена технология снятия внутренних напряжений после сварки, штамповки, калибровки, правки и т.д.

2. Решены ряд задач, способствующих расширению возможностей МИОМ.

2.1 Найдены технологические схемы и конструкции индукторов, обеспечивающие высокий к.п.д. процесса.

2.2 Ведутся работы по созданию компактных, легких переносных установок.

2.3 Разработаны технологические блоки, позволяющие обеспечить высокую производительность труда с обеспечением всех мер по технике безопасности.

По уровню разработок мы вплотную приблизились к решению задач по выполнению сборочных операций в открытом космосе.

В настоящее время специалисты МИОМ РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева совместно с учеными ИМаш РАН готовы выполнить работы по НИР и ОКР в реализации ряда проектов (приоритетных на отечественном и мировом уровне, а именно:

- снятие усталостных напряжений, "залечивание" микротрещин и микродефектов в корпусах летательных аппаратов и других транспортных средств, в том числе бронетехники (значительное увеличение ресурса эксплуатации, повышение надежности);

- снятие наклепа в процессе прокатки и волочения черных и цветных металлов (особенно актуально для биметаллических изделий);

- упрочнение прокатных валков (снятие остаточных напряжений, повышение износостойкости);

- получение композитных конструкций (с высоким технико-экономическим эффектом);

- надежное и долговечное соединение (сращивание) концов высоковольтных кабелей в линиях электропередач (ЛЭП);

- упрочнение инструмента и других нагруженных деталей и узлов;

- снятие напряжений в сварных соединениях;

- получение вакуумных конструкций с помощью МИОМ;

- создание новых легких и компактных бортовых проводов;

- применение МИОМ в сборочных операциях, в т.ч. в труднодоступных местах, в условиях открытого космоса и т.д.

Оборудование и оснастка

Основными элементами установок для магнитно-импульсной обработки металлов являются трансформатор, высоковольтный выпрямитель, конденсаторная батарея и технологический блок, включающий рабочий индуктор и матрицу либо оправку. Принципиальная схема установки показана на рис.1.

Рис. 1 Принципиальная схема магнитно-импульсной установки: АТр - автотрансформатор; Тр - трансформатор; В - выпрямитель; С - конденсатор; Р - разрядник; U - индуктор; R - зарядное сопротивление

На рис.2 показаны основные схемы магнитно-импульсного формоизменения.

Рис. 2. Основные схемы магнитно-импульсного формоизменения: 1 - индуктор; 2 - заготовка; 3 - матрица (оправка)

Магнитно-импульсные установки характеризуются высокой производительностью, возможностью легкой автоматизации и механизации технологического процесса, широкими технологическими возможностями, отсутствием передаточной среды, простой и дешевой оснасткой, возможностью получения высоких давлений (до 108 Н/м без разрушения индуктора и до 109 Н/м при использовании одноразового индуктора), высокой культурой производства и простотой обслуживания, положительным влиянием на характеристики отдельных обрабатываемых материалов и др.

Технологические возможности магнитно-импульсной обработки металлов

В результате применения магнитно-импульсной обработки представляется возможной штамповка листовых и трубчатых заготовок толщиной до 5 мм.

Размеры заготовок (диаметр, обрабатываемая площадь) обуславливаются запасом энергии установки, толщиной обрабатываемого материала, конструктивными возможностями индуктора и технологической оснастки. импульсный магнитный электрогидроимпульсный металл

Наиболее эффективно магнитно-импульсным методом обрабатываются заготовки из меди, алюминия, магния и их сплавов.

Заготовки из углеродистых (Ст3, Ст10) и легированных (1Х18Н9Т, 30ХГСА) сталей, а также из титановых сплавов можно обрабатывать только о применением прокладок-"спутников", изготовленных, например, из отожженной меди марки М1.

По типу применяемого инструмента и по характеру деформации обрабатываемой заготовки все операции, выполняемые на МИУ, можно разделить на три схемы: раздача, листовая формовка и обжим.

Установлено, что с использованием магнитно-импульсной обработки возможно получение биметаллических соединений, изготовление шарнирных соединений, сварка трубчатых заготовок, запрессовка труб в дисках, трубных досках и т.д., соединение двух изоляционных или металлических деталей путем раздачи трубы с одновременной отбортовкой, поперечная волнистая и плоская в сечении рифтовка, формообразование выступа, продольная рифтовка, формообразование конуса, концевая раздача труб, отбортовка, пуклевка, изготовление резьбы, рифление, калибровка, пробивка отверстий, вырубка, порезка.

При использовании магнитно-импульсной обработки для листовой штамповки применяются плоские спиральные индукторы.

Технологические операции, выполняемые по схеме "листовая формовка": сборка диска с осью, отбортовка диска, сварка двух листов металла, напрессовка втулок на оси и запрессовка вкладышей в трубках, изготовление деталей типа тарелки или днища, кольцевая заготовка, продольная и поперечная зиговка, пуклевка, неглубокая отбортовка по периферии диска, прямоугольника, круглых и прямоугольных отверстий, формовка тороидальных крышек, рельефная формовка с одновременной рихтовкой недеформируемой части заготовок, калибровка листовых заготовок, пробивка отверстий, вырубка и порезка.

С помощью магнитно-импульсной обработки по схеме "обжим" можно выполнить следующие технологические операции: соединение металлических деталей с керамикой, стеклом, пластмассой и другими неметаллическими материалами, опрессовка кабельных наконечников, соединение двух проводов соединительной трубкой, опрессовка наконечников на канаты и др., шлангов высокого давления, опрессовка труб на металлические наконечники, сварка трубчатых заготовок, поперечная волнистая, поперечная плоская в сечении и продольная рифтовка, формообразование впадины, формообразование конуса, редуцирование труб, отбортовка, пуклевка, изготовление резьбы, рифление, калибровка, пробивка отверстий и вырубка, порезка труб.

К недостаткам метода и установок можно отнести трудность получения деталей с глубокой вытяжкой обрабатываемого материала; необходимость в промежуточных металлических прокладках-"спутниках" для металлов с низкой электропроводностью, ограниченность формы и геометрических размеров обрабатываемых заготовок для магнитно-импульсной обработки; низкая стойкость индукторов, особенно при обработке стальных заготовок.

2. Электрогидроимпульсная обработка

В условиях современного мелкосерийного машиностроительного и приборостроительного производства эффективны технологические процессы (технологии), обеспечивающие высокое качество и низкую себестоимость деталей в условиях сокращенных сроков подготовки производства. Существует большой класс осесимметричных тонкостенных деталей, характеризуемых высокой точностью формы и размеров и относительно малыми размерами в плане. Изготовление таких деталей чаще всего осуществляют методами вытяжки-формовки из тонколистовых материалов. В условиях мелкосерийного производства получение таких деталей связано с рядом трудностей: дорогая технологическая оснастка, большие сроки подготовки производства, недостаточная точность штампуемых деталей, невозможность комбинирования операций и т. д. Если толщина меньше десятых долей миллиметра, а производство мелкосерийное, то эффективны технологии штамповки подвижными средами. Применение простой штамповочной оснастки снижает себестоимость продукции и сокращает сроки подготовки производства, но не всегда обеспечивает требуемую точность деталей и степень предельного формоизменения.

Сущность электрогидроимпульсной обработки заключается в обработке металлических конструкций многократными импульсами давления, генерируемыми высоковольтными электрическими разрядами в воде.

Электрогидроимпульсная обработка реализует высокоэффективное снижение (на 50-70%) остаточных напряжений в сварных и литых металлоконструкциях и структурное упрочнение металла сварного соединения.

Одним из эффективных способов штамповки подвижными средами является электрогидроимпульсная штамповка, в которой импульсное давление в жидкости возникает при высоковольтном разряде конденсаторной батареи. За счет импульсного нагружения и деформирования заготовки увеличивается предельное формоизменение заготовки и за счет уменьшения пружинения повышается, точность деталей по сравнению со статическими способами штамповки подвижными средами.

Однако при вытяжке-формовке деталей с фланцевой частью за счет инерционности фланца не всегда удается использовать резерв его формоизменения по сравнению со статической штамповкой. Поэтому естественно возникает соображение насчет комбинирования импульсной и статической - 8 -вытяжки-формовки. Такое комбинирование может быть реализовано при технологическом процессе многоцикловой статико-электрогидроимпульсной вытяжки-формовки тонколистовых материалов на пуансон. Технологический процесс имеет следующие особенности:

1. трение, между пуансоном и заготовкой играет положительную роль, уменьшая утонение в центре заготовки;

2. комбинирование статического и импульсного нагружения способствует эффективной реализации ресурса пластичности фланцевой части заготовки.

При электроимпульсной обработке используют электрические импульсы большой длительности (500-1000 мкс.), в результате чего происходит дуговой разряд.

Большие мощности импульсов получаемых от электронных или машинных генераторов тока, обеспечивают высокую производительность процесса обработки.

Электоимпульсная обработка производится при напряжениях генератора импульсов U=18-36 В.

При электроимпульсной обработке съем металла в единицу времени в 8-10 раз больше, чем при электроискровой обработке, однако точность размеров и шероховатость обработанных поверхностей ниже.

Высокочастотная электроискровая обработка применяется для повышения точности и уменьшения шероховатости поверхностей, обработанных электроимпульсным методом. Метод основан на использовании электрических импульсов малой мощности при частоте 10-150 кГц.

Поляность включения электрода-инструмента и заготовки - прямая.

Точность поверхности ниже, чем при электроискровой обработке.

Преимущества электрогидроимпульсной обработки:

· экологическая чистота метода в сочетании с успешностью обработки;

· обеспечивается повышение структурно-чувствительных характеристик металлоконструкций (длительной прочности, выносливости, сопротивления коррозионному растрескиванию;

· производительность до 2... 6 т/ч;

· на порядок ниже энергозатраты, чем при термообработке;

· не разупрочняется металл;

· повышается на 30% предел усталости металла сварных соединений.

Эффективность электрогидроимпульсной обработки:

· возможность снижения остаточных напряжений в сварных конструкциях и направленных деталях из металлов с различным коэффициентом расширения;

· исключается образование окалины, соответственно не требуется механическая очистка от нее, что предотвращает потери металла;

· комплексное использование данной технологии с технологией ЭГИ очистки литья позволяет совмещать операции очистки и снижения остаточных напряжений в отливках.

Оборудование для выбивки стержней и снятия внутренних напряжений в отливках

Учитывая полученные многими исследователями (Трофимов Г.А., Киселев В.А., Сазонов Е.К. и др.) положительные результаты экспериментов по применению электрогидроимпульсной обработки для снятия внутренних напряжений в отливках, специалистами были осуществлены (ФТИМС НАН Украины) исследования по определению влияния электрогидроимпульсной обработки на стабилизацию геометрических размеров отливок, по результатам которых был разработан бинарный технологический процесс выбивки стержней и стабилизации геометрических размеров отливок и определены исходные требования для разработки электрогидроимпульсного оборудования. В частности, было установлено, что:

· влияние микроструктуры материала отливки на процесс снятия внутренних напряжений посредством ЭГ обработки описывается теми же законами, что и для других видов импульсной обработки;

· максимально возможная величина остаточных напряжений (s0) в чугунной отливке не зависит от ее сложности и определяется величиной предела прочности материала отливки (sB). Эта связь может быть описана следующей эмпирической зависимостью:

s0/sB = KsB + 0,064

где К = 0,00168 МПа-1 однако, чем сложнее отливка, тем сложнее поле остаточных напряжений;

· уровень снятия остаточных напряжений ЭГ способом соответствует уровню, достигаемому при термообработке и значительно превышает уровень, который достигнут при виброобработке (см.табл.);

· определяющий вклад в изменение напряженно-деформированного состояния отливки при ЭГ обработке вносит импульс давления канала разряда;

· для нормального протекания бинарного процесса необходимо соблюдение следующей зависимости:

sЭГИ +s0> (0,8 - 0,85) s Т,

где sЭГИ - напряжения, возникающие в отливке при электрогидроимпульсной обработке;

s0 - остаточные напряжения в обрабатываемой зоне отливки; s T - предел текучести материала.

· при ЭГ обработке скорость деформации от воздействия канала разряда на отливку составляет ~100 сек-1, при этом динамический коэффициент предела текучести не превышает 2;

· из-за наличия большого количества факторов влияющих на процесс кристаллизации материала отливки величина внутренних напряжений в конкретной точке одинаковых отливок может изменяться в очень широких пределах, что не позволяет на основе статистических данных прогнозировать поле остаточных напряжений в конкретной отливке;

· допускаемая начальная величина запасаемой энергии в импульсе определяется зависимостью:

[W] = [W0](1- s 0/ s B)

где s 0 - максимальная величина остаточных напряжений в отливке; s B-предел прочности материала отливки; W0 - допускаемая величина энергии в импульсе при ЭГ обработке ненапряженной отливки;

· энергоемкость бинарного электрогидроимпульсного технологического процесса выбивки стержней и стабилизации геометрических размеров отливок на порядок ниже, чем у традиционных и не превышает 16 кВт / т.

В настоящее время НТЦ “ВЕГА” ИИПТ НАН Украины приступил к разработке гаммы электрогидроимпульсного оборудования для выбивки стержней и стабилизации геометрических размеров отливок.

Применение бинарного электрогидроимпульсного технологического процесса и оборудования позволит объединить две финишные операции - выбивку стержней и стабилизацию геометрических размеров отливок в одну отказавшись при этом от энергоемкой операции - термообработки, при этом обеспечить:

· повышение производительности в 2...3 раза;

· снижение энергоемкости в 8...10 раз;

· уменьшение занимаемых площадей в 2...2,5 раз.

Универсальные электрогидроимпульсные установки (ЭГУ) предназначены для выбивки стержней (очистки литья) любой прочности и удаления остатков формовочных смесей из отливок всех групп сложности массой от 0,1 до 30000 кг в условиях индивидуального, серийного и крупносерийного производства. Материал обрабатываемых деталей: сталь, чугун, алюминий, титан и цветные сплавы. Тип разрушаемых и измельчаемых материалов: стержневые и формовочные смеси (песчано-глинистые, ЖСС, СЖС, ЖС, ХТ, самовысыпающиеся, корундовые формы и т.д.).

Работа универсальных установок осуществляется следующим образом. Выбивка стержней из отливок (очистка литья от стержневой смеси) осуществляется следующим образом: отливки, подлежащие очистке, цеховыми грузоподъемными средствами загружаются в контейнер и укладываются в нем в соответствии с технологическими картами. Их положение переносится на экран механизма слежения, далее контейнер с отливками опускается в технологическую ванну, заполненную водой. На которую накатывается кожух с механизмом перемещения рабочего электрода. К отливкам подводится рабочий электрод и устанавливается в заданную точку обработки, включается высоковольтное электрооборудование и происходит их обработка. Процессы накопления электроэнергии, поддержания рабочего промежутка "электрод- отливка" и удаления шлама за пределы технологической ванны осуществляются автоматически. После окончания обработки кожух с рабочим электродом отводится за пределы зоны обработки, контейнер поднимается в верхнее положение. Обработанные отливки выгружаются и на их место загружаются неочищенные. Цикл повторяется. Работают установки в ручном и полуавтоматическом режимах, управление - дистанционное с пульта управления.

Литература

1. Андрианов А.И. Прогрессивные методы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1975.-240 с.

2. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. - Л.: Машиностроение, 1975.-280 с.

3. Листовая штамповка с использованием импульсных нагрузок: Учебное пособие / В.Н. Чачин, Ю.Е. Шамарин и др. - К.: УМК ВО, 1989. 108 с.

4. Киселев М.Г., Седяко Г.К., Станишевский В.К. Прогрессивные методы обработки материалов / Учебное пособие. - Мн.: БПЙ, 1985.-72 с.

Размещено на Allbest.ru