МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОНТЕЙНЕРОВ

Область техники
Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к магнитно - импульсной обработке (штамповки, сварке) металлов, и может найти применение в различных областях машиностроения, приборостроения, в авиа и ракетостроении.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент Hermetically sealed electrical connection assembly №US8035030 [1], в котором описана установка для герметизации электронных компонентов внутри металлического корпуса, состоящая из индуктора, электропроводного корпуса, металлической трубки, соединительных проводников и слоев изоляции, при этом обеспечивается гальваническая связь с элементом внутри полученного контейнера. Недостатками данного решения являются то, что в процессе герметизации на металлический корпус в продольном направлении действует сила, возникающая из-за несимметрии магнитного поля индуктора. В результате этого процесса на герметизируемый элемент оказывается импульсное механическое воздействие, которое может вызывать повреждение герметизируемого элемента и нарушение его работоспособности.
Известно техническое решение (патент РФ на полезную модель № 134832,) [2]. Магнитно-импульсная установка содержит энергетические модули с емкостными накопителями, системы энергообеспечения и управления, шкаф электроавтоматики, токоподвод для соединения инструмента-индуктора с энергетическими модулями, снабженная элементами блокировки, имеет специальное позиционное устройство с числовым программным управлением, сервопривод и стол точного позиционирования заготовок в зону инструмента-индуктора. Недостатком данной установки является то, что технологическая оснастка жестко связана со столом точного позиционирования. Наличие жесткой связи проявляется в виде реакции технологической оснастки на изделие во время его обработки, что не позволяет обрабатывать изделия с малой механической прочностью в виду возможности их повреждения.
Известна заявка США Method and apparatus for sealing high pressure vessels using magnetic pulsing with high radial impact speed; vessels manufacturing according to such methods, № US 20090134147 A1 [3] (принятая за прототип), в которой описана магнитно-импульсная установка для изготовления контейнеров высокого давления, состоящая из индуктора, токоввода, источника питания, металлического корпуса и металлической электропроводной торцевой заглушки. Торцевая заглушка изготовлена так, что имеет плоскую часть и две, примыкающие к ней, цилиндрические поверхности - упорную и кольцевую. Упорная поверхность служит для начальной фиксации цилиндрического корпуса. Кольцевая поверхность выполнена так, что между ней и цилиндрически корпусом имеется воздушный зазор, необходимый для обеспечения скорости соударения порядка 150-600 м/с. В процессе герметизации кольцевая поверхность под действием магнитного давления, возникающего при протекании тока через индуктор, начинает движение в направлении цилиндрического корпуса. При соударении создается неразрывное сварное соединение. Недостатком данной конфигурации является то, что при столкновении ускоренной кольцевой поверхности торцевой заглушки и цилиндрического корпуса возникает кумулятивная струя, направленная в сторону плоской части торцевой заглушки. В результате в замкнутом объеме возникает противодавление, вызывающее замедление кольцевой поверхности. Указанное явление приводит к тому, что для образования неразрывного соединения требуется увеличение амплитуды импульса тока в индукторе, и соответственно, увеличение продольного воздействия на изделие.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение технологических возможностей магнитно-импульсных установок и, как следствие, повышение производительности их работы.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что изделие в процессе обработки не является жестко закрепленным, тем самым исключается возможное деформирование в процессе герметизации.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что предложена магнитно-импульсная установка для герметизации тонкостенного цилиндрического контейнера путем его сварки с торцевой заглушкой, содержащая индуктор, закрепленный в обойме на раме и соединенный с источником питания, устройство позиционирования и устройство управления, соединенные с источником питания, индуктором и устройством позиционирования, при этом она снабжена диэлектрическим цилиндрическим корпусом с тонкостенной и толстостенной частями для размещения в нем контейнера с заглушкой с возможностью свободного перемещения, диэлектрическим зажимным устройством, установленным на обойме индуктора, и приемником, имеющим не менее одного компенсационного отверстия для истечения сжатого воздуха и амортизирующую прокладку, при этом тонкостенная часть цилиндрического корпуса расположена в отверстии индуктора, а диаметр компенсационного отверстия и длина диэлектрического цилиндрического корпуса выбраны из условия замедления контейнера до малых скоростей к моменту достижения приемника. Приемник и диэлектрический корпус соединены резьбовым соединением или скользящей посадкой.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что: увеличивается скорость производства изделий и исключается брак изделий, вследствие их деформирования в процессе герметизации.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фигуре приведена общая схема магнитно-импульсной установки для изготовления герметичных тонкостенных цилиндрических контейнеров, где
1 - источник питания,
2 - устройство управления,
3 - устройство позиционирования,
4 - индуктор,
5 - диэлектрический трубчатый корпус,
6 - приемник.
7 - компенсационное отверстие,
8 - амортизирующая прокладка,
9 - контейнер,
10 - торцевая заглушка,
11 - зажимное устройство,
12 - обойма
Осуществление полезной модели
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
В известных технических решениях для установки и удерживания изделия в рабочей зоне индуктора используется технологическая оснастка. Технологическая оснастка, как правило, представляет собой зажим с выемкой по форме обрабатываемого изделия. После установки изделия в технологическую оснастку устройство позиционирования или оператор перемещает ее в рабочую позицию. После чего инициируется импульс тока через индуктор, в результате которого осуществляется требуемая технологическая операция. При осуществлении магнитно-импульсной сварки тонкостенного цилиндрического изделия на торцевую заглушку возникают усилия в осевом направлении, направленные в сторону технологической оснастки, а поскольку последняя жестко зафиксирована устройством позиционирования и имеет значительную массу, то при их взаимодействии возникает деформация изделия. В результате этого изменяются геометрические размеры изделия, и происходит его расклинивание в технологической оснастке. Таким образом, возникает необходимость в значительных усилиях при извлечении изделия из технологической оснастки. Кроме этого требуется дополнительная операция по восстановлению геометрических размеров изделия. Данное явление характерно для изделий с тонкостенными корпусами, т.е. когда отношение толщины стенки корпуса к его диаметру составляет менее 0.1.
Заявляемое устройство предназначено для сварки тонкостенных цилиндрических контейнеров с торцевой заглушкой, имеющей фаски усечения определенные для определенных свариваемых материалов [4], [5], [6].
Магнитно-импульсная установка для герметизации тонкостенных цилиндрических контейнеров включает в себя металлическую раму (на чертеже не показана), на которой с помощью болтовых соединений (не показаны на чертеже) установлена массивная металлическая обойма 12, в которую установлен индуктор 4 и закреплен болтовыми соединениями (не показаны на чертеже). На обойме болтовыми соединениями установлено зажимное устройство - держатель 11, выполненный из диэлектрического материала, с помощью которого закреплен диэлектрический корпус 5, состоящий из двух частей: толстостенной, закрепленной держателем, и тонкостенной, установленной в отверстие индуктора 4 насквозь его. Трубчатый диэлектрический корпус 5 надежно фиксируется в держателе, например вклеен. На толстостенную часть диэлектрического корпуса плотно установлен приемник 6, имеющий, как минимум, одно компенсационное отверстие 7 и амортизирующую прокладку 8. Способ закрепления приемника и диэлектрического корпуса обеспечивает невозможность перемещения приемника под действием давления воздуха внутри трубчатого диэлектрического корпуса, возникающего при торможении изделия. В качестве способа закрепления может применяться, например, резьбовое соединение приемника и трубчатого корпуса, или скользящая посадка приемника на трубчатый диэлектрический корпус. При этом должен быть предусмотрен упор (на чертеже не показан), который закреплен на металлической раме и исключает перемещение приемника. Обойма 12 прижимает индуктор 4 к токовводу (не показан на чертеже), на котором закреплен датчик тока в виде пояса Роговского (не показан на чертеже), токоввод соединяет индуктор 4 с источником питания 1, последний содержит элементы, не показанные на чертеже (высоковольтный выпрямитель, конденсаторную батарею, коммутационные элементы и блоки электропитания устройств управления), и соединен с устройством управления 2. Установка изделия, содержащего цилиндрический контейнер 9 с торцевой заглушкой 10 в трубчатый диэлектрический корпус 5 и в рабочую зону индуктора 4, осуществляется вручную оператором. Возможен вариант установки, включающий устройство позиционирования 3, содержащее привод, толкатель, держатель и датчик положения толкателя. Толкатель установлен соосно с трубчатым диэлектрическим корпусом 5. Толкатель устройства позиционирования имеет электрически управляемый привод и служит для установки изделия в рабочее положение посредством свободного перемещения упорной части толкателя в трубчатом диэлектрическом корпусе 5. В случае использования установки с устройством позиционирования последнее соединено с источником питания 1 и устройством управления 2.
Крепление диэлектрического корпуса держателем должно быть надежным, т.к. при движении изделия возникающее давление воздуха будет стремиться сдвинуть корпус (также как и приемник). Если приемник соединен с трубчатым корпусом резьбовым соединением, держатель и диэлектрический корпус могут быть соединены клеем, резьбовым соединением, упорным кольцом, или использовать трубчатый корпус с фланцем, в котором будут отверстия под болты и т.п. Если же приемник зафиксирован упором на раме, то приемник через торец трубчатого корпуса будет держать и сам трубчатый корпус.
В предпочтительном варианте лучше использовать диэлектрическое зажимное устройство – держатель, т.к. он присоединен к обойме, которая связана индуктором, по которому течет ток. Если держатель будет проводящим, он будет перехватывать часть тока и снижать эффективность. Можно держатель сделать металлическим, но тогда крепить его надо к обойме через диэлектрические вставки, чтобы не было электрического контакта с обоймой.
Установка работает следующим образом.
Изделие, состоящее из контейнера 9 и торцевой заглушки 10, помещают в трубчатый диэлектрический корпус 5. Внутренний диаметр корпуса 5 обеспечивает свободное передвижение изделия. Устройство позиционирования 3 или оператор перемещает изделие 9, 10 в рабочую область индуктора 4. После чего устройство управления 2 инициирует импульс тока от источника питания 1 через индуктор 4, в результате которого свариваемая часть цилиндрического электропроводящего контейнера 9 изделия ускоряется в направлении торцевой заглушки 10, и между ними образуется сварное соединение. При этом изделие получает ускорение в продольном направлении. В результате этого изделие перемещается в трубчатом корпусе в сторону приемника 6. Поскольку изделие перемещается свободно, а не жестко закреплено, отсутствует реакция опоры. Отсутствие реакции опоры приводит к устранению деформации корпуса контейнера 9.
Поскольку диэлектрический трубчатый корпус 5 закрыт приемником 6, то при движении изделия происходит сжатие воздуха и его пневматическое торможение. Сжатый воздух истекает через компенсационное отверстие 7 в корпусе приемника 6. Диаметр компенсационного отверстия и длина диэлектрического трубчатого корпуса выбираются такими, чтобы обеспечить необходимое замедление изделия до малых скоростей к моменту, когда изделие достигнет приемника 7. Остаточная скорость гасится амортизирующей прокладкой 8. Таким образом, осуществляется предотвращение деформации корпуса изделия 9 и автоматическое удаление готового изделия из рабочей области индуктора 4.
Таким образом, заявленная полезная модель решает следующую основную проблему, а именно: исключает брак изделий, вследствие их деформирования в процессе герметизации.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент США № 8035030 опубликован 2011.10.11;
2. Патент РФ на Полезную модель № 134832 опубликован 27.11.2013;
3. Заявка США № 20090134147 А1 опубликована 2009.05.28;
4. Журнал Атомная Энергия, т. 73, вып. 4, Октябрь 1992 с. 278-284;
5. Исследование магнитно-импульсной сварки в плоской геометрии, М.Н. Казеев, B.C. Койдан, В.Ф.Козлов, Ю.С. Толстов. Прикладная механика и техническая физика, 2013, 6, с 38-44
(http://ww.sibran.ru/journals/issue.php?ID=154468&ARTICLE_ID=154422);
6. Патент США №3520049, опубликован 1970.07.14.