Исследование эффективности индукторов для обжима трубчатых заготовок

УДК. 621.7, 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ ОБЖИМА ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК

В. Д. Кухарь, А.Е. Киреева

В статье представлены результаты исследования влияния различных типов индукторов на процесс обжима трубчатой заготовки.

Ключевые слова: обжим, метод конечных элементов, индуктор, заготовка, магнитно-импульсная обработка металлов давлением.

На базе разработанной математической модели [1] была проведена оценка эффективности конструкций индукторов для обжима - одновитко-вого, четырехвиткового цилиндрического, индуктора-концентратора, геометрические характеристики которых приведены на рис. 1.

б

а

в

Рис.1. Геометрические размеры спиралей индукторов: а - одновиткового цилиндрического; б - цилиндрического (четырехвиткового); в - индуктора - концентратора

Принималось, что спираль индуктора изготовлена из стали 65Г, а материал обжимаемой заготовки АМг2М.

Геометрические размеры обжимаемой заготовки являлись следующими: наружный диаметр 57 мм, толщина 1,2 мм и высота 38 мм, длина обжимаемого участка 6 мм.

Расчетные схемы процессов обжима индукторами различной геометрии представлены на рис. 2,а - 2,в, при этом в связи с осесимметрич-ным представлением спирали индуктора в виде набора кольцевых элемен-

тов рассматривали половину меридионального сечения индуктора и заготовки.

Предварительные расчеты показали, что сходимость результатов достигается при разбиении заготовки на 1800 тороидальных треугольных конечных элементов с пятью слоями по толщине, а один виток спирали индуктора разбивался не менее чем на 100 элементов.

а

б

в

Рис.2. Расчетные схемы процессов обжима индукторов: а - одновиткового; б - цилиндрического; в - индуктора-концентратора;

1 - заготовка; 2 - индуктор

Численные эксперименты проводились для четырех типов установок одинаковой энергоёмкости, с различными напряжениями заряда. Данные о параметрах установок приведены в таблице.

Параметры разрядных контуров

Ц, кВ Ж, кДж С,мкФ Ь, нГн ^собст, кГц, Я, мОм

0,77 0,33 1120 91,7 15,923 9,6

1,54 0,33 280 114,7 28,035 23

3 0,33 72 83,17 71,500 34

7,44 0,33 12 156,7 117,000 115

Результаты расчетов позволили установить зависимость рабочей частоты разряда от собственной частоты установки (рис.3).

Анализ показал, что наибольшая разность между собственной частотой установки и рабочей частотой разрядного контура наблюдается для четырехвиткового индуктора-концентратора, а наименьшая для одновит-кового индуктора. При этом влияние типа индуктора на рабочую частоту разряда наиболее сильно проявляются в диапазоне собственных частот ус-

тановки выше 60кГц.

/

3 //

/ /

; VI

-

С 2 Ш1 4 М* ЙЮ1 I 10* 110* ГсоблГи

Рис. 3. Зависимость рабочей частоты разряда fраб от собственной

частоты установки ^обст при включении в разрядную цепь различных

индукторов: 1 - индуктора-концентратора; 2 - цилиндрического четырехвиткового индуктора; 3 - одновиткового индуктора

В результате расчетов были получены характерные графики распределения радиальной пондеромоторной силы по высоте заготовки для каждого типа индуктора (рис.4.).

а б в

Рис. 4. Графики распределения радиальной силы РГ по высоте

алюминиевой заготовки для индуктора: а - одновиткового; б - четырехвиткового цилиндрического; в - индуктора-концентратора

на третьем разрядном контуре

На этих графиках кривые Е-Езаг соответствуют радиальной пондеромоторной силе, действующей на внешней поверхности заготовки, Д-Дзаг в среднем сечении заготовки, Г-Гзаг - на внутренней поверхности заготовки.

Анализ графиков показал, что распределение пондеромоторных сил не равномерно по сечению спирали индуктора. Эта неравномерность обусловлена не только количеством витков и формой спирали индуктора, но и

также наличием зазоров между витками. Так максимальное значение пон-деромоторных сил, действующих на внешней стороне заготовки находится на середине витка спирали наименьшего внутреннего диаметра одновитко-вого индуктора, а для цилиндрического четырехвиткового индуктора наибольшее значение пондеромоторных сил реализуется на середине второго и третьего витков спирали индуктора.

Указанный характер распределения радиальной составляющей пондеромоторных сил подтверждается формой деформированной заготовки (рис. 5).

а б в

Рис. 5. Деформации заготовки при обжиме индукторами: а - одновитковым, б - четырехвитковым цилиндрическим, в - индуктором-концентратором

БГ: кН/им

400-

300

200-

100'

/

/ /

а / 2

2-10'

4-10'

8-10'

1 40"

Т : Гц

Рис.6. Зависимость максимального значения радиальной составляющей пондеромоторных сил РГ от собственной частоты установки 1:с

собст

при обжиме алюминиевой заготовки : 1 - индуктор-концентратор; 2 - четырехвитковый цилиндрический индуктор; 3 - одновитковый индуктор

На рис. 6 - 8 приведены зависимости: максимального значения радиальной составляющей пондеромоторных сил; импульса пондеромотор-ных сил; а также окружной логарифмической деформации заготовки от собственной частоты разрядного контура установки.

Эг, кН с/мм3 2500

2000

1500

1000

500

0 2 104 4 104 6 -10+ 8 10* 1105 ^собсъ Гц

Рис.7. Зависимость импульса пондеромоторных сил Бгот собственной

частоты установки :собст при обжиме алюминиевой заготовки:

1 - индуктор-концентратор; 2 - четырехвитковый цилиндрический индуктор; 3 - одновитковый индуктор

\

\ \ \

\ У4- 1

\ 2 3 --- -____

О 2 Ш4 4 104 6 104 8 104 1 10^ £лбст, Гц

Рис. 8. Зависимость окружной логарифмической деформации е от собственной частоты разряда 1:собст при обжиме алюминиевой

заготовки :1 - индуктор-концентратор; 2 - четырехвитковый цилиндрический индуктор; 3 - одновитковый индуктор

Анализ их показал, что максимальное формоизменение алюминиевой заготовки для всех типов индукторов достигается на первом разрядном контуре, для которого максимальные значения радиальной составляющей пондеромоторных сил минимальны, а радиальный импульс их достигает максимального значения. При этом наибольшая окружная логарифмическая деформация наблюдается для индуктора-концентратора.

Список литературы

1. Желтков В.И., Жукова Е.И., Киреева А.Е., Кухарь В. Д. Математическая модель обжатия заготовки импульсным магнитным полем / В.И. Желтков [И ДР.] // Вестник ТулГУ. Актуальные вопросы механики. Тула: ТулГУ. 2008. Вып.3. С.229-234.

Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., проректор, mpf-tula @rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Киреева Алена Евгеньевна, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCH ON THE EFFECTIVENESS OF INDUCTORS FOR CRIMPING

TUBULAR WORKPIECES

V.D. Kuchar, A.E. Kireeva

The article presents the results of studying the influence of different types of inductors on the process of crimping the tubular workpiece.

Key words: crimping, finite element method, the coil, the workpiece, the magnetic-pulse treatment of metals by pressure

Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, the prorector, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kireeva Alena Evgenevna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University