Исследование энергетических режимов процесса обжима трубчатых заготовок индукторами с различной формой спирали

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 539.3

В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор,

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК ИНДУКТОРАМИ С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ СПИРАЛИ

В статье представлены результаты исследования энергетических режимов работы трех типов индукторов, используемых для обжима цилиндрических заготовок. Выявлены основные закономерности.

Ключевые слова: индуктор, математическая модель, заготовка, обжим, энергетические режимы.

Индуктор является основным элементом любой магнитно-импульсной установки и предназначен для непосредственного преобразования предварительно накопленной электрической энергии в конденсаторной батарее в механическую работу деформации.

Эффективность работы индуктора можно оценить по энергетическим затратам, которые возникают при деформации заготовок одинакового размера на одну и ту же величину.

Были проведены исследования эффективности индукторов для обжима трех типов: одновитковый, четырёхвитковый цилиндрический и че-тырёхвитковый индуктор-концентратор [1].

Моделировался процесс обжима тонкостенной трубчатой заготовки из алюминиевого сплава АМГ2М.

Используя результаты предварительных экспериментов, проведенных на основе математической модели [1] в качестве варьируемых входных факторов, были выбраны: диаметр индуктора - D; собственная частота установки - £ толщина заготовки - S.

Задача сводится к построению вторичной математической модели зависимости энергии от диаметра индуктора, собственной частоты установки и толщины заготовки.

Предварительный расчет показал, что эти зависимости носят нелинейный характер, и для их описания была использована полиномиальная зависимость четвертого порядка

у = ь0 + ь1х1 + Ь2Х2 + Ь3Х3 + Ь12Х1Х2 + Ь13Х1Х3 + Ь23Х2Х3 +

+ Ь11Х12 + Ь22Х2 + Ь33Х3 + Ь12Х1Х2 +

3 2 3 4 3

+ Ь22Х2 + Ь32Х3Х2 + Ь12Х1Х2 + Ь22Х2 + Ь32Х3Х2 ,

где у - значение выходного параметра (функции отклика); Ь0, Ь^ Ьн, bij - коэффициенты регрессии; х^ Х| - кодированные значения входных параметров.

Расчеты были проведены по полному факторному эксперименту. В таблице 1 и таблице 2 приведены уровни фактора соответствующие реальным значениям диаметров индукторов, толщине заготовки и собственным частотам установок.

Таблица 1

Уровни факторов и интервалы варьирования по диаметрам

и толщинам заготовок

Наименование Натуральное Кодированное Натуральное Кодированное

фактора: значение значение значение значение

диаметр фактора: фактора: х1 фактора: фактора: х1

заготовки D, мм S, мм

Область эксперимента

Основной уровень 60 0 1,2 0

Интервал варьирования 30 2 0,6 2

Нижний уровень 30 -1 0,6 -1

Верхний уровень 90 + 1 1,8 + 1

Таблица 2

Уровни факторов по значениям собственной частоты установки

Наименование фактора: собственная Натуральное Кодированное

частота установки значение значение фактора,

фактора: £ Гц Х2

Область эксперимента

Нижний уровень 7857 -1

Промежуточный уровень 1 35142 -0,5

Промежуточный уровень 2 62428 0

Промежуточный уровень 3 89714 0,5

Верхний уровень 117000 + 1

Необходимые расчеты по определению коэффициентов уравнения (1) были выполнены по программе R2_8. С учетом рассчитанных коэффициентов уравнений регрессии для определения энергии W, с помощью программного комплекса Matlab были построены поверхности и их сечения, отражающие зависимости энергии и максимальной радиальной силы от диаметра индуктора, собственной частоты установки и толщины заготовки, характерные из которых приведены на рис. 1 - 4.

Анализ графиков (рис.1 - 2) показал, что во всём диапазоне изменения факторов наиболее эффективно процесс обжима реализуется при использовании индуктора-концентратора. Причем энергоемкость процесса при обжиме стальной заготовки четырехвитковым цилиндрическим индуктором возрастает в 1,3 - 1,5раза, а при использовании одновиткового индуктора в 2 - 3раза, по сравнению с индуктором-концентратором.

Для всех типов индукторов энергоёмкость процесса увеличивается с ростом частоты разряда, диаметра и толщины заготовки. С ростом толщины заготовки энергоёмкость процесса во всем диапазоне изменения факторов увеличивается практически по линейному закону для всех типов индукторов.

Влияние собственной частоты установки на процесс обжима наиболее сильно проявляется при больших значениях диаметров заготовки. При этом с изменением частоты от 5 до 115 кГц энергоемкость процесса для одновиткового увеличивается в 11 раз, для цилиндрического в 9,5 раз, а для индуктора-концентратора в 9 раз.

Влияние диаметра заготовки наиболее сильно проявляется для всех типов индукторов в диапазоне высоких частот собственной частоты установки.

При обжиме алюминиевой заготовки (рис.3-4) самым эффективным индуктором является также индуктор-концентратор. При использовании четырехвиткового цилиндрического индуктора энергоемкость процесса

возрастает в 1,8 - 2 раза, для одновиткового она увеличивается в 10 раз, по сравнению с индуктором-концентратором во всем диапазоне изменения факторов.

V?, кДж

а

41ММ

Г.Гц

104000 93 0 00 82000 Е_ 71000 воооо

49000 38000 27000 16000 5000

- т -........

27 33 39 45 51 57 53 69 75 1 8

б

в

Рис. 1. Зависимость энергии разряда W от собственной частоты установки и от диаметра стальной заготовки толщиной 0,6 мм при обжиме индуктором: а - одновитковым; б - четырехвитковым цилиндрическим; в - индуктором-концентратором

а

б

115000 104000

16000 6000

( ^——

\ ----

в_

,

27 33 39 46 51

67 ми

63 69 75 81 57

в

Рис.2. Зависимость энергии разряда W от собственной частоты установки и от диаметра стальной заготовки толщиной 1,2 мм при обжиме индуктором: а - одновитковым; б - четырехвитковым цилиндрическим; в - индуктором-концентратором

7

а

б

104-000

эзооо 82000 71000 60000 49000

___ з н

г: ; з-

\

Л

ч

.......I.................I.............NJ

27 33 39 45 51 57 63 69 7 5 81 87

115000 104000

1.5

ч

0.5

0.5 V

0.5»^

'27 33 39 45 51

63 69 75 81 87

Рис. 3. Зависимость энергии Ж от собственной частоты установки и от диаметра алюминиевой заготовки толщиной 1,2 мм при обжиме индуктором: а - одновитковым; б - четырехвитковым цилиндрическим; в - индуктором-концентратором

в

а

б

<1,1.11.1

в

Рис. 4. Зависимость энергии W от собственной частоты установки и от диаметра алюминиевой заготовки толщиной 1,8 мм при обжиме индуктором: а - одновитковым; б - четырехвитковым цилиндрическим; в - индуктором-концентратором 9

Аналогично, как и для стальной заготовки для всех типов индукторов энергоёмкость процесса увеличивается с ростом частоты разряда, диаметра и толщины заготовки. С ростом толщины заготовки энергоёмкость процесса во всем диапазоне изменения факторов увеличивается практически по линейному закону для всех типов индукторов.

Влияние собственной частоты установки на процесс обжима наиболее сильно проявляется при больших значениях диаметров заготовки. При этом с изменением частоты от 5 до 115 кГц энергоемкость процесса для одновиткового увеличивается в 10 раз, для цилиндрического в 9 раз, а для индуктора-концентратора в 8,5 раза.

Оценивая полученные результаты можно констатировать, что при обжиме стальной заготовки энергозатраты возрастают в 2 - 2,5 раза по сравнению с обжимом алюминиевой заготовки.

Список литературы

1. Математическое моделирование процессов магнитно-импульсной обработки - монография. В 2ч. 4.II. Электромеханические процессы в системе «установка-индуктор-заготовка» / В.Д. Кухарь, А.Е. Киреева. Тула: Издательство ТулГУ, 2011. 90 с.

V.D. Kuchar, A.E. Kireeva

RESEARCH OF POWER MODES OF PROCESS OF COMPRESSION OF TUBULAR PREPARATIONS BY INDUCTORS WITH THE VARIOUS FORM OF THE SPIRA

In article results of research of power operating modes of three types of the inductors used for compression of cylindrical preparations are presented. The main regularities are revealed.

Key words: inductor, mathematical model, preparation, compression, power mod.

Получено 24.08.12