Эксперименты магнитно-импульсного притяжения тонкостенных металлов при низких частотах действующих полей

УДК 621.318

Ю.В. Батыгин, А.В. Гнатов, С.А. Щиголева, Е.Ф. Ерёмина

ЭКСПЕРИМЕНТЫ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ НИЗКИХ ЧАСТОТАХ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПОЛЕЙ

В роботі приведено експериментальне підтвердження фізичного механізму силової дії імпульсних магнітних полів на тонкостінні листові заготівки з феромагнітних і неферомагнітних провідників. Показано превалюючу дію сил притягання, обумовлених проявом магнітних властивостей тонкостінних металів при низьких робочих частотах в індукторних системах для магнітно-імпульсноїобробки металів.

В работе дано экспериментальное обоснование физического механизма силового воздействия импульсных магнитных полей на тонкостенные листовые заготовки из ферромагнитных и неферромагнитных проводников. Показано превалирующее действие сил притяжения, обусловленных проявлением магнитных свойств тонкостенных металлов при низких рабочих частота, в индукторных системах для магнитно-импульсной обработки металлов.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ основных достижений и публикаций, постановка проблемы. Естественный эффект силового притяжения тонкостенных металлов низкочастотными магнитными полями был экспериментально обнаружен профессорами Ю.В. Батыгиным, В.И. Ла-винским, Л.Т. Хименко в 2004 г. и впервые описан в авторских публикациях [1, 2].

Сущность обнаруженного явления состоит в следующем.

При частоте ~2,2 кГц силовое воздействие со стороны магнитного поля приводило к притяжению участка ровного стального образца толщиной ~0.5-1 мм и образованию вмятины, соответственно поперечным размерам рабочей зоны индуктора-инструмента. При повышении рабочей частоты до ~7,5 кГц этот же участок стальной пластины испытывал отталкивание. Имело место образование выпуклости, то есть проявление известного магнитного давления на проводник.

Практическое использование обнаруженного эффекта представляет несомненный интерес для создания современных обрабатывающих технологий. На его базе можно будет создавать рабочие инструменты для выполнения производственных операций не только по устранению вмятин в повреждённых металлических покрытиях транспортных средств [3, 4], но и технологий комбинированного плана, осуществляющих магнитно-импульсную формовку изделий, как отталкиванием, так и притяжением заданных участков обрабатываемого объекта [5].

Достоверное объяснение физической природы обнаруженного эффекта может базироваться на выводах работ [6-8]. Вкратце перечислим их.

Как показали вычисления, проведенные для условий эксперимента по притяжению тонкостенных стальных образцов, при достаточно низких частотах магнитных полей:

• временная форма индуцированных токов стремится к производной тока индуктора [6];

• вследствие изменения временной формы индуцированных токов, интегральное действие сил Лоренца стремится к нулю, и проводник не испытывает магнитного давления, отталкивающего его от рабочей поверхности индуктора-инструмента [7];

• даже незначительное отличие относительной магнитной проницаемости металла обрабатываемого образца от единицы (цг и 5-10) есть причина появления довольно мощных сил притяжения, деформирующих тонкостенный листовой образец [8].

Примечание. Величина » 1.2, для которой имеет место притяжение, указана также в [4].

Цель настоящей работы - экспериментальное подтверждение превалирующей действенности сил притяжения, обусловленных проявлением магнитных свойств тонкостенных металлов при низких рабочих частотах в индукторных системах для магнитноимпульсной обработки металлов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ Экспериментальное оборудование включало источник мощности - сильноточный генератор и индукторную систему, состоящую из одновиткового соленоида, подключаемого к электрическому выходу источника мощности через согласующее устройство - импульсный трансформатор тока цилиндрического типа.

Рис. 1. Экспериментальный магнитно-импульсный комплекс: 1 - источник мощности (сильноточный генератор), 2 - индукторная система-инструмент,

3 - экспериментальные образцы

Источник мощности:

• магнитно-импульсная установка МИУС-2, разработанная и созданная в лаборатории электромагнитных технологий Харьковского национального автомобильно-дорожного университета;

• запасаемая энергия ~2 кДж;

• ёмкость накопителя - С = 1200 мкФ;

• собственная частота -/0 ~ 7 кГц;

• собственная индуктивность - Ь « 430 нГн;

• напряжение емкостного накопителя допускало регулировку в диапазоне ~100-2000 В;

• частота следования генерируемых импульсов тока в режиме их многократного повторения ~3,5 Гц;

• режим многократного повторения обеспечивается электронным блоком управления, синхронизирующим процессы заряд - разряд;

• тип коммутаторов - тиристорные выключатели;

• габаритные размеры установки - 860*600*400 мм;

• напряжение питающей сети ~220 В.

Как видно из сравнения данных по условиям проведения экспериментов, рабочие частоты токовых импульсов практически идентичны. Отличие состоит лишь в значениях напряжения и запасённой энергии, соответственно, ~1800 В и ~4600 В, ~2 кДж и ~10 кДж. Переход к более низким показателям процесса стал возможным за счёт более эффективной конструкции согласующего устройства и работы в режиме многократного повторения импульсов силового воз -действия. Осциллограммы токовых импульсов представлены на рис. 3.

Рис. 2. Осциллограмма зарядного напряжения емкостного накопителя

Одновитковый индуктор-соленоид подключался к электрическому выходу МИУС-2 через согласующее устройство - импульсный трансформатор тока цилиндрического типа с коэффициентом трансформации на рабочих частотах ~2 кГц не более ~5.

Экспериментальные образцы - объекты исследования:

• плоская пластина из ферромагнитной стали кузовной обшивки автомобиля модели "Субару" толщиной ~0.8 мм(Япония);

• плоская пластина из ферромагнитной стали кузовной обшивки автомобиля модели "Ситроен" толщиной ~1 мм (Европа);

• плоская пластина из неферромагнитной нержавеющей стали толщиной ~0,8 мм.

Примечание. Наличие магнитных свойств у металла каждого из экспериментальных образцов устанавливалось их реакцией при внесении в поле постоянного пробного магнита.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Настоящие эксперименты по созданию вмятин притяжением участков на поверхности листовых образцов (область внутреннего отверстия индуктора!) проводились в режиме многократного повторения импульсов силового воздействия:

• Частота следования ~ 3,5 Гц;

• Количество повторений ~ 50;

• Рабочая частота тока в импульсе ~1,9 кГц;

• Напряжение на ёмкостном накопителе ~ 800 В;

• Амплитуда тока в первичной цепи согласующего устройства ~8000 А;

• Амплитуда тока во вторичной цепи согласующего устройства (то есть, собственно в индукторе) ~38 кА.

Напомним, что в экспериментах, где впервые был обнаружен эффект притяжения, в качестве источника мощности использовалась магнитно-импульсная установка МИУ-10 НТУ "ХПИ", к электрическому выходу которой также через согласующее устройство (дискового типа) подключался одновитковый индуктор. Притяжением на поверхности ровных листовых образцов из стали толщиной до ~1 мм были получены вмятины по размеру внутреннего окна индуктора. Эффект имел место при рабочей частоте токового импульса ~2,2 кГц, напряжении емкостного накопителя ~4600 В, значении запасённой энергии ~10 кДж [1, 2].

500 ггА№ 21 ]0 и5/ОК/ Тпд. 546,9 тУ о

<3

-200.00 и: Б Ур-р = 2,156 V Ус1с = 25,79 тУ Пп = ...

Рис. 3. Осциллограммы токовых импульсов:

а) первичная обмотка согласующего устройства;

б) вторичная обмотка согласующего устройства -собственно индуктор; в) в металле экспериментального

листового образца

Следует отметить характерное изменение формы индуцированных токов в начальной фазе процесса как во вторичной обмотке согласующего устройства, так и в металле экспериментального образца. Как было показано ранее в цитированных работах [6-8], данное изменение обусловлено низкочастотным характером действующих магнитных полей. Экспериментальные образцы, приведенные на рис. 4, были получены после 50-кратного силового воздействия.

в

Рис. 4. Экспериментальные листовые образцы, а) сталь кузова автомобиля модели "Субару", толщина ~0,8 мм; б) сталь кузова автомобиля модели "Ситроен", толщина ~1 мм; в) нержавеющая сталь, толщина ~0,8 мм

Глубина вмятин, полученных магнитноимпульсным притяжением, составляет ~1,2-1,5 мм. Поперечные размеры соответствуют диаметру внутреннего окна индуктора ~40 мм. Различия в глубине вмятин, несмотря на идентичность экспериментов, объясняются, вероятно, различием в механических характеристиках сталей разных производителей.

В образце из нержавеющей стали, не обладающей магнитными свойствами, отсутствуют какие-либо следы силового воздействия со стороны магнит -ного поля. Нет ни притяжения, ни отталкивания. Последнее соответствует магнитному давлению, лежащему в основе большинства известных технологий с помощью магнитно-импульсной обработки металлов.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально обоснована возможность повышения эффективности магнитно-импульсной обработки металлов в режиме серийного повторения СИЛОВОГО воздействия.

2. Экспериментально подтверждена превалирующая действенность сил притяжения, обусловленных проявлением магнитных свойств тонкостенных металлов при низких рабочих частотах, немагнитные металлы не испытывают никакого силового воздействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yu.V. Batygin, V.I. Lavinsky, L.T. Khimenko. Direction Change of the Force Action upon Conductor under Frequency Variation of the Acting magnetic Field. Proceedings of the 1-st International Conference on High Speed Metal Forming. March 31/April 1, 2004. Dortmund, Germany. P.157-160.

2. Батыгин Ю.В., Лавинский В.И., Хименко Л.Т. Физические основы возможных направлений развития магнитноимпульсной обработки тонкостенных металлов // Електротехніка і електромеханіка. - 2004. - № 2 - C. 80-84.

3. Батигін Ю.В., Лавінський В.І., Хименко Л.Т. Спосіб магнітно-імпульсної обробки тонкостінних металевих заготовок. Патент України №775676. 15.05.2006. Бюл. №5.

4. R.Meichtry, I.Kouba. Dent removing method and device. Patent US 2008/0163661A1, Jul.10, 2008.

5. Батыгин Ю.В., Гнатов A.B. Магнитно-импульсное притяжение листовых металлов - перспективное направление в развитии электромагнитной штамповки // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Київ, 2010. - 4.1, С. 175-180.

6. Батыгин Ю.В., Лавинский В.И., Бондаренко А.Ю. Вихревые токи в тонких металлических листах при магнитноимпульсной обработке металлов. // Электричество. - 2009. -№ 9. - С. 61-65.

7. Батыгин Ю.В., Бондаренко А.Ю. Силы, действующие на тонкостенный проводник, в проникающем поле плоского одновиткового соленоида // Технічна електродинаміка. Київ, 2010. - № 1. - С. 9-14.

8. Туренко А.Н., Батыгин Ю.В., Гнатов А.В. Теория и эксперимент магнитно-импульсного притяжения тонкостенных металлов. Харьков: Изд. ХНАДУ, 2009. - 245 с.

Bibliography (transliterated): 1. Yu.V. Batygin, V.I. Lavinsky, L.T. Khimenko. Direction Change of the Force Action upon Conductor under Frequency Variation of the Acting magnetic Field. Proceedings of the 1st International Conference on High Speed Metal Forming. March 31/April 1, 2004. Dortmund, Germany. P.157-160. 2. Batygin Yu.V., Lavinskij V.I., Himenko L.T. Fizicheskie osnovy vozmozhnyh naprav-lenij razvitiya magnitno-impul'snoj obrabotki tonkostennyh metallov // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2004. - № 2 - S. 80-84. 3. Batigin Yu.V., Lavins'kij V.I., Himenko L.T. Sposib magnitno-impul'snoi obrobki tonkostinnih metalevih zagotovok. Patent Ukraini №775676. 15.05.2006. Byul. №5. 4. R.Meichtry, I.Kouba. Dent removing method and device. Patent US 2008/0163661A1, Jul.10, 2008. 5. Batygin Yu.V., Gnatov A.V. Magnitno-impul'snoe prityazhenie listovyh metallov - per-spektivnoe napravlenie v razvitii ' elektromagnitnoj shtampovki // Tehnichna elektrodinamika. Tematichnij vipusk. Kii'v, 2010. - Ch.1, S. 175-180. 6. Batygin Yu.V., Lavinskij V.I., Bondarenko A.Yu. Vihrevye toki v tonkih metallicheskih listah pri magnitno-impul'snoj obrabotke metallov. // 'Elektrichestvo. - 2009. - № 9. - S. 61-65. 7. Batygin Yu.V., Bondarenko A.Yu. Sily, dejstvuyuschie na tonkostennyj provodnik, v pronikayuschem pole ploskogo odnovitkovogo solenoida // Tehnichna elektrodinamika. Kii'v, 2010. - № 1. - S. 9-14. 8. Turenko A.N., Batygin Yu.V., Gnatov A.V. Teoriya i 'eksperiment magnitno-impul'snogo prityazheniya tonkostennyh metallov. Har'kov: Izd. HNADU, 2009. -245 s.

Поступила 20.04.2011

Батыгин Юрий Викторович, д.т.н., проф.

ЕрёминаЕлена Федоровна, к.т.н., доц.

Щиголева Светлана Александровна Харьковский национальный автомобильно-д ор ожный университет кафедра физики

61002, Харьков, ул. Петровского, 25

тел. (057) 700-368-53, e-mail: batygin48@mail.ru

Гнатов Андрей Викторович, к.т.н., с.н.с.

Харьковский национальный автомобильно-д ор ожный университет кафедра "Автомобильная электроника"

61002, Харьков, ул. Петровского, 25

тел. (057) 700-38-52, e-mail: kalifus@yandex.ru

Batygin Yu.V., Gnatov A.V., Schigoleva S.A., Yeryomina E.F. Magnetic pulse thin-wall metal attraction experiments at low frequencies of active fields.

The article presents experimental justification of the physical mechanism of pulse magnetic field force action on thin-wall sheet ferromagnetic and non-ferromagnetic conducting plates. Prevailing action of attracting forces caused by magnetic properties of thin-wall metals at low working frequencies in inductor systems for electrical magnetic metal forming is shown. Key words - physical impact, pulse magnetic field action, thin-wall metal, attracting force domination, low working frequencies.