УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВЫТЯЖКИ И УСТРАНЕНИЯ ВМЯТИН

Изобретение относится к технике магнитно-импульсной обработки материалов и может быть использовано для формовки тонкостенных металлических деталей и устранения вмятин на металлических элементах.
Известно устройство для деформации металлических тонкостенных деталей импульсным магнитным полем ([1] H.H. Kolm, patent US №3703958, 11/1972), состоящее из электромагнитной системы (в виде двух соленоидов) и двух источников импульсного тока, подключенных к электромагнитной системе. Первый источник тока создает в детали постоянное или медленно изменяющееся магнитное поле, которое проникает через деталь, второй источник тока создает быстро изменяющееся магнитное поле в области детали, которое вызывает интенсивные вихревые токи в металлической детали и ее деформацию. Причем в зависимости от взаимного направления магнитных полей, создаваемых первым и вторым источником тока (или от полярности их тока), характер силы действующей на деталь может быть как отталкивающим от электромагнитной системы, так и притягивающим к ней.
Известно устройство и способ для электромагнитной вытяжки металлических деталей и устранения вмятин на них, предложенные в работе ([2] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №3998081, 12/1976). Устройство содержит электромагнитную систему, первичный источник тока, подключенный к электромагнитной системе, вторичный источник тока, также подключенный к электромагнитной системе. Электромагнитная система прототипа изготовлена в виде катушки, намотанной проводником электрического тока. Намотка катушки может выполняться различными способами: плоская спираль, многослойная плоская спираль, спирали (в том числе и многослойные), лежащие внескольких плоскостях под углом друг к другу и т.д. Первичный источник тока, нескольких плоскостях под углом друг к другу и т.д. Первичный источник тока, подключенный к электромагнитной системе, создает медленно изменяющийся импульс тока и, соответственно, первичного магнитного поля в области детали. Длительность импульса выбиралась таким образом, чтобы магнитное поле могло проникнуть через проводящую деталь без возникновения заметных пондеромоторных сил в детали. Затем вторичным источником тока генерировался короткий вторичный импульс тока и, соответственно, вторичного магнитного поля. При этом полярность импульса вторичного тока была противоположной первичному, поэтому создаваемое вторичное магнитное поле было преимущественно противоположно по направлению первичному. Длительность вторичного импульса выбиралась так, чтобы вторичный импульс не проникал сквозь металлическую деталь за счет скин-эффекта. При этом магнитной поле между электромагнитной системой и деталью уменьшалось из-за частичной компенсации первичного и вторичного магнитно поля, а за деталью оно оставалось прежним. Это создавало пондеромоторную силу импульсного магнитного поля, притягивающую деталь к электромагнитной системе. Такой способ и устройство на его основе могут эффективно работать для относительно тонкостенных деталей (толщина много меньше характерных размеров вдоль поверхности) с хорошей электропроводностью при использовании сильных магнитных полей (порядка 10 Тл).
Отдельные элементы устройства, предложенного в работе [2] были развиты и уточнены в серии патентов. В работах ([3] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4061007, 12/1977), ([4] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4127933, 12/1978), ([5] R.F.Olsen, US patent №7068134 B2, 06/2006) и ([6] F.P. Berg, D.B. Smith, US patent №7114242 B2, 10/2006) представлены индукторы в виде катушки, изготовленной из свернутого в рулон плоского проводящего листа с изоляционной прокладкой, причем эти рулоны дополнительно снабжены вырезами для концентрации магнитного потока в области вмятины на обрабатываемой детали. В работе ([7] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4986102, 01/1991) использован индуктор, состоящий из двух катушек, включенных последовательно. В работах ([8] P.B. Zieve, US patent №5046345, 09/1991) и ([9] D.B. Smith et al., US patent №6639781, 10/2003) детально описана конструкция источников тока на основе емкостных накопителей энергии, в электрической схеме использованы дополнительные блокирующая индуктивности, включенные последовательно с первичным источником тока для электрической развязки двух источников тока. Также в этих работах применены кроубарные диодные и тиристорные цепи для предотвращения колебательного процесса разряда конденсаторов на индуктивную нагрузку и перезарядки конденсаторов, входящих в источники первичного и вторичного токов. В работах ([10] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4148091, 04/1979) и ([11] K.A. Hansen, I.G. Hendrickson, US patent №4116031, 09/1978) электромагнитная система была выполнена в виде двух раздельных катушек с одновитковым концентратором магнитного потока, магнитосвязанным с обеими катушками.
Известны также способ и устройство ([12] O. Gafri, Y. Livshiz, US patent №6630649, 10/2003), где создаются первичное (медленное) и вторичное (быстрое) переменные магнитные поля. Однако их взаимная полярность не определена (колебательный режим).
Наиболее близким устройством для электромагнитной вытяжки металлических деталей и устранения вмятин на них (прототип), является устройство, предложенное в работе ([13] Ю.Б. Кудасов, Устройство и способ для электромагнитной вытяжки и устранения вмятин, патент РФ 2558700, 08/2014). Устройство содержит индуктор, первичный источник тока, подключенный к индуктору через блокирующую индуктивность, набор из параллельно включенных вторичных источников тока, подсоединенный к индуктору, а также контроллер для управления работой узлов устройства. При этом первичный и вторичные источники тока выполнены в виде конденсатора, предварительно заряжаемого зарядным устройством, управляемого коммутатора, включенного последовательно с конденсатором и кроубарной цепи. Первичный источник тока создает в индукторе медленно изменяющийся преимущественно однополярный импульс тока и, соответственно, импульс первичного магнитного поля в области обрабатываемой детали. Длительность импульса выбиралась таким образом, чтобы магнитное поле могло проникнуть через проводящую деталь без возникновения заметных пондеромоторных сил в ней. Вблизи максимума первичного импульса тока вторичные источники генерировали последовательно одиночные короткие вторичные импульсы тока. При этом полярность импульса вторичного тока была преимущественно противоположна первичному, поэтому создаваемое вторичное магнитное поле было также преимущественно противоположно по направлению первичному полю. Длительность вторичного импульса выбиралась так, чтобы вторичный импульс не проникал сквозь металлическую деталь (за счет скин-эффекта). Тогда магнитной поле между индуктором и деталью уменьшалось из-за частичной компенсации первичного и вторичного магнитно поля, а за деталью оно оставалось прежним, что создавало пондеромоторную силу импульсного магнитного поля, притягивающую деталь к индуктору. В работах [13] и ([14] Ю.Б. Кудасов, Д.А. Маслов, О.М. Сурдин, Письма в ЖТФ, Т. 43, С. 10, 2017) было показано, что генерация последовательности вторичных импульсов эффективнее одиночного вторичного импульса, как это было предложено в [2].
В прототипе в качестве кроубарной цепи в источниках тока был выбран диод (диодный столб) в первичном источнике и тиристорный коммутатор для набора вторичных источников. Тиристорный коммутатор в качестве кроубарной цепи снижает эффективность устройства, поскольку, во-первых, он должен быть точно синхронизован с работой вторичных источников по времени, а, во-вторых, тиристор имеет конечное время восстановления после протекания импульса тока (время рассасывания заряда в тиристорной структуре), поэтому вторичные импульсы не могут перекрываться между собой и, более того, должны быть разнесены по времени (пауза должна быть больше времени восстановления). Это снижает функциональные возможности устройства. Использование диодных кроубарных цепей во вторичных источниках невозможно, поскольку в этом случае кроубарная цепь окажется открытой на переднем фронте первичного импульса и будет шунтировать индуктор.
Прототип предназначен, в первую очередь, для устранения вмятин на металлических кузовах автомобилей.
К недостаткам прототипа относится тот факт, что при одновременной работе первичного и вторичных импульсных источников тока на одну нагрузку (индуктор) возникает их взаимное влияние, которое снижает эффективность и надежность работы, а также ограничивает выбор возможных режимов работы.
В связи с этим возникает техническая задача повышения эффективности и надежности, а также расширения функциональных возможностей устройства.
Технический результат заключается в увеличении надежности устройства за счет развязки первичного и вторичных источников тока, повышения эффективности и расширения функциональных возможностей за счет снятия ограничения по времени срабатывания вторичных источников тока, вплоть до частичного перекрывания импульсов по времени.
Технический результат достигается следующим образом. В заявляемом устройстве набор вторичных источников тока соединен с индуктором через неуправляемый коммутатор, разомкнутый в исходном состоянии и переходящий во включенное состояние при достижении порогового напряжения. В качестве такого коммутатора может быть использован неуправляемый разрядник. Напряжение, при котором происходит срабатывание разрядника должно быть, с одной стороны, больше напряжения на индукторе на фронте первичного импульса тока, а, с другой, меньше, чем напряжение на фронте импульсов вторичных источников тока. В этом случае при работе первичного источника разрядник будет в закрытом состоянии до срабатывания вторичных источников, что предотвратит шунтирование индуктора цепями вторичных источников.
Указанное выше условие на напряжение срабатывания неуправляемого разрядника легко достижимо, поскольку скорости нарастания в первичном и вторичных импульсах тока сильно различаются. Так, напряжение на индукторе индуктивностью L определяется скоростью изменения тока I:   Отсюда видно, что напряжение на фронте быстрого импульса будет выше пропорционально скорости нарастания тока. Типичное отношение скоростей нарастания тока во вторичном и первичном импульсе составляет около 100. Поэтому амплитуда напряжения на фронте первичного импульса будет примерно на два порядка ниже, чем амплитуда напряжения на фронте вторичного импульса.
Использование неуправляемого коммутатора в цепи между набором вторичных источников тока и индуктором позволяет использовать простые и надежные диодные кроубарные цепи: диод, подключенный параллельно цепи конденсатора и управляемого коммутатора таким образом, чтобы при включении коммутатора и начале разряда конденсатора диод находился в запертом состоянии.
Еще одна проблема, связанная с работой прототипа [13], - это взаимодействие вторичных источников между собой. При работе прототипа вторичные импульсы не должны перекрываться, иначе источники начнут шунтировать друг друга, что резко снизит эффективность и надежность их работы. Более того, между ними должна быть пауза по длительности большая, чем время восстановления закрытого состояния ключа во вторичных источниках (как правило, оно определяется временем рассасывания заряда). Для разрядников это время составляет порядка 100 мкс или более, в быстрых тиристорных ключах - порядка 10 мкс. Устранить эту проблему можно, включив последовательно с каждым вторичным источником тока диоды, так чтобы при срабатывании вторичного источника соответствующий диод находился в открытом состоянии. При этом в цепи между вторичными источниками диоды оказываются включенными встречно, т.е. они полностью развязывают вторичные источники между собой. Поскольку вторичные импульсы имеют крутой фронт, следует предпринять меры по защите диодов от превышения скорости критического нарастания тока в отрытом состоянии и критической скорости нарастания обратного напряжения в закрытом состоянии. Для этого удобно включить последовательно с диодами дроссель с насыщающимся сердечником (неуправляемый магнитный ключ). В начальный момент времени такой дроссель имеет большую индуктивность, препятствуя быстрому увеличению тока в диоде, при достижении тока выше порогового сердечник насыщается, и индуктивное сопротивление дросселя резко уменьшается, при уменьшении тока и переходе диода в закрытое состояние дроссель переходит в состояние с высоким индуктивным сопротивлением и препятствует быстрому нарастанию напряжения.
Индуктор может быть изготовлен в виде (а) обычной проволочной катушки сильных магнитных полей ([14] А.С. Лагутин, В.И. Ожогин, Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте, М.: Энергоатомиздат, 1988) или в виде рулона из металлического листа с изолирующей прокладкой со специальными вырезами для концентрации магнитного потока [3-6,13]. Также возможно использование плоских спиральных катушек, в том числе, многослойных и имеющих сложную форму, как это предложено в работе [2]. Для увеличения эффективности электромагнитной системы ее можно оснастить одновитковым концентратором магнитного потока, что широко используется в технике сильных импульсных магнитных полей [14] и, в частности, в магнитно-импульсной обработке материалов ([15] И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко, Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов, Харьков, Вища Школа, 1977). Могут быть использованы концентраторы, примененные в патентах [10,11].
Следует отметить, что для развязки первичного и вторичного источников питания следует использовать блокирующую индуктивность, включенную последовательно с первичным источником [7-9]. Ее величина выбирается таким образом, чтобы блокировать протекание вторичного тока в цепи первичного источника.
Для выправки вмятин на металлическом листе (детали) необходимо иметь поверхность, придающую детали конечную форму [2]. Для этого используется сменный диэлектрический шаблон, поверхность которого со стороны детали имеет поверхность близкую к требуемой форме. Следует учитывать упругую разгрузку детали после импульса, поэтому форма этой поверхности у шаблона не должна обязательно точно совпадать с заданной. Вместо шаблона можно сформировать требуемую форму рабочей поверхности диэлектрической основы, в которую встроен индуктор.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 схематично изображено устройство для вытяжки металла и устранения вмятин, на фиг. 2 - формы импульсов первичного, вторичного и полного токов.
Устройство для вытяжки металла и устранения вмятин (фиг. 1) содержит:
(а) двуполярное зарядное устройство 1,
(б) управляемые ключи 2, 3, 4, 5,
(в) первичный источник тока 6, состоящий из конденсаторной батареи 10, тиристорного ключа 14 и кроубарного диода 18,
(г) набор вторичных источников тока 7, 8, 9, каждый из которых состоит из конденсаторной батареи 11, 12, 13, тиристорного ключа 15, 16, 17 и кроубарного диода 19, 20, 21.
(д) блокирующую индуктивность 22,
(е) индуктор 23,
(ж) неуправляемый разрядник 24,
(з) диоды 25, 26, 27,
(и) дроссели с насыщающимися сердечниками 28,29, 30, (к) контроллер 31.
Индуктор 23 в данном примере находится в диэлектрической основе и встроен в рабочую головку. Предварительно рабочая головка 23 должна быть позиционирована относительно обрабатываемой детали таким образом, чтобы устраняемая вмятина оказалась в области концентрации магнитного потока. Рабочая головка должна плотно прилегать к обрабатываемой детали или к шаблону, находящемуся между индуктором и деталью.
Пример выполнения конструкции устройства, представлен на фиг. 1. Зарядное устройство 1 имеет положительное зарядное напряжение 3 кВ и отрицательное зарядное напряжение - 15 кВ. Источники первичного и вторичного тока 6, 7, 8, 9 выполнены на основе емкостных накопителей с тиристорными ключами и кроубарными диодами аналогично работам [8, 9]. Зарядка конденсаторов 10, 11, 12, 13 производится до начала рабочего цикла. Поскольку время зарядки не ограничено, зарядные токи могут быть небольшими (менее 1 А). Поэтому управляемые ключи 3, 4, 5, 6 могут быть выполнены на основе механических релейных коммутаторов с максимальным допустимым напряжением в разомкнутом состоянии до 3 кВ для ключа 2 и до 15 кВ для ключей 3, 4, 5. Конденсатор 10 имеет емкость 10 мФ и максимально допустимое напряжение 3 кВ, конденсаторы 11, 12 и 13 имеют емкости по 1 мкФ при максимально допустимом напряжении 15 кВ. Управляемый ключ 9 выполнен на основе тиристора Т453-630 (32 кл.). Диодный столб из двух диодов ДИ173-5000-22 используется в качестве кроубарного диода 18. Ключи 15, 16, 17 представляют собой тиристорные столбы на основе тиристоров ТБИ371-160 (не ниже 10 кл.) по 16 штук в каждом. Кроубарные диоды 19, 20, 21 выполнены в виде диодных столбов по 4 диода Д123-200-60 в каждом. Диоды 25, 26, 27 выполнены в виде диодных столбов по 4 диода ДЧ423-200-46 с малым временем восстановления. Каждый из дросселей 28, 29, 30 изготовлен на двух U-образных сердечников марки В67345-В1-Х87. Неуправляемый разрядник 24 выполнен на основе газонаплоненного разрядника типа РУ-62 с пороговым напряжением 7 кВ. Балластная индуктивность 22 имеет номинальную индуктивность 60 мкГн и максимально допустимое напряжение 20 кВ.
Индуктор 23 намотан плоской медной лентой толщиной 0,45 мм с прокладкой из каптоновой ленты толщиной 50 мкм (Kapton, фирмы Du Pont) аналогично конструкции катушки в патенте [3] и прототипе [13]. Длина катушки составляет 100 мм, внутренний диаметр - 20 мм, внешний диаметр - 40 мм. Катушка имеет вырез-концентратор магнитного поля, сечение катушки в области максимальной концентрации магнитного потока 20×10 мм2. Эффективная индуктивность электромагнитной системы составляет примерно 27 мкГн для импульса первичного тока и 20 мкГн для вторичного тока (на частоте 50 кГц). Расчет производился по методике ([16] П.Л. Калантаров, Л.А.Цетлин, Расчет индуктивностей (справочная книга), Л.: Энергоатомиздат, 1986). Снижение индуктивности для импульса вторичного тока обусловлено скин-эффектом в детали. Внутренний каркас катушки выполнен из конструкционного стеклотекстолита, снаружи катушка бандажирована высокомодульной высокопрочной параарамидной нитью РУСЛАН, индуктор залит эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы СЭДМ-3 с наполнителем из пылевидного кварца. В качестве шаблона может быть использован плоский лист конструкционного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Обрабатываемой деталью служит стальной лист (Ст.20) толщиной 0,8 мм, имеющий вмятину линейными размерами не более 20 мм и глубиной до 5 мм. Контроллер 31 выполнен на основе промышленного модульного управляющего комплекса National Instruments.
При подготовке к работе ключи 2, 3, 4, 5 замкнуты, поэтому конденсаторы 10, 11, 12, 13 заряжаются до номинального напряжения зарядных устройств. Непосредственно перед рабочим циклом контроллер размыкает ключи 3, 4, 5, 6.
Рабочий цикл начинается включением тиристорного ключа 14. Конденсатор 10 через блокировочную индуктивность 22 разряжается на катушку индуктор 23 и создает в ней первичный ток. По достижении максимума первичного тока, включается кроубарный диод 18, что предотвращает переполюсовку напряжения на конденсаторе 8. Поскольку напряжение, возникающее на неуправляемом разряднике 24, ниже напряжения срабатывания, он остается в разомкнутом состоянии. Длительность импульса первичного тока составляет около t1=4 мс (см. фиг. 2). Максимальное первичное магнитное поле в области детали составляет около 8 Тл, при первичном токе 20 кА. Глубина скин-слоя стали Ст.20 на частоте 100 Гц составляет более 20 мм [15], поэтому первичное магнитное поле практически полностью проникает через деталь без заметного ослабления и не деформируя деталь. Вблизи максимума первичного магнитного поля контроллер включает последовательно тиристорные ключи 15, 16 и 17 с интервалами 80 мкс. При этом генерируется последовательность импульсов вторичного тока, который в индукторе имеет направление противоположное первичному. Поскольку напряжение на фронте вторичных импульсов тока превышает напряжение срабатывания неуправляемого разрядника 24, происходит его включение. Вблизи максимума тока каждого из вторичных импульсов включается соответствующий кроубарный диод 19, 20, 21 и переводит разряд вторичного источника в апериодический режим. Длительность каждого импульса составляет около с t2=70 мкс (см. фиг. 2) при фронте менее 10 мкс. Поскольку индуктивность катушки 23 много меньше индуктивности блокировочной индуктивности 22, вторичный ток практически полностью протекает через катушку 23. Амплитуда вторичного тока в ней составляет не менее 3 кА, а амплитуда вторичного магнитного поля не менее 1,3 Тл. На фиг. 2 показаны схематично импульс первичного тока I1, импульсы генераторов одиночных импульсов I21, I22, I23 и импульс полного тока в катушке электромагнитной системы I. В отличие от прототипа вторичные импульсы могут генерироваться с произвольными паузами (или без них) и даже могут частично перекрываться.
Глубина скин-слоя стали Ст.20 на частоте 50 кГц составляет 0,85 мм, поэтому вторичное магнитное поле эффективно создает индукционные токи и деформирует деталь. Предполагая, что вторичное поле полностью экранируется деталью, а первичное полностью проникает через деталь и что линии индукции магнитного поля параллельны поверхности детали, магнитное давление на поверхность детали можно оценить как Р=7 МПа [13,14]. Внутреннее напряжение на краю деформируемой области в детали может быть рассчитано по стандартным выражениям: для круглой пластинки радиуса а и толщины h шарнирно опертой по краю   ([17] И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М.: Наука, 1986). При размерах а=10 мм, h=0,8 мм максимальное радиальное напряжение составляет более 1000 МПа, что значительно превышает предел текучести стали Ст.20. Поэтому на каждом импульсе из последовательности вторичных импульсов будет происходить пластическая деформация детали.
Отметим, что масса индуктора составляет около 1 кг, что позволяет выполнить рабочую головку в виде отдельно перемещаемого и даже переносимого узла.