Устройство для магнитно-импульсной обработки

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(76) Яблочников Борис Анатольевич(57) Использование: лри обработке тонкостенных трубчатых деталей из металлов и сплавов в различных отраслях машиностроения. Сущность изобретения: устройство содержит конденсаторную батарею, плоские центральные шины, токолроводящий фланец, вакуумную разрядную камеру с двумя главными электродами кольцевой формы В одном из электродов размещен индуктор с металлическими и диэлектрическими торцовыми шайбами и катушкой из плоских изолированных между собой лроводников. Проводники выполнены в виде равных секторных частей кольцевых дисков изогнутых по винтовой пинии, собранных в многозаходную слираль и имеющих выводы по краям около радиальных образукицих Выводы проводников отогнуты лод прямым углом к торцам катушки и развернуты по окружности торцов на равные углы по отношению к выводам соседних проводников. Выводы лроводников катушки выполнены в непосредственной Ялизости от внутренней образующей их окружности. Концы выводов, выходящих на первый торец катушки, закреплены на первой металлической шайбе, раслоложенной около токоподводящего фланца изолированно от него. Наружный край упомянутой шайбы соединен электрододом, в котором размещен индуктор. Между выводами проводников, выходящими на второй торец катушки, и токо- подводящим фланцем установлена замыкающая система. Замыкающую систему целесообразно вылолнять в виде однослойной спиральной катушки с выводами ло торцам. Возможно выполнение замыкающей системы в виде электролроводных стержней, проходящих сквозь отверстия в индукторе, изолированного от проводников его катушки и от первой металлической шайбы. Изобретение обеспечивает снижение потерь энергии в разрядном контуре устройства лри обработке трубчатых деталей любых диаметров. Э зд ф-лы, Э ил.Изобретение относится к обработке материалов давлением и гложет быть использовано при магнитно-импульсцой, обработке тонкостенных трубчатых деталей из металлов и сплавов о различных отраслях машиностроения.Известны устройства для магнитно-импульсной обработки металлов, содержащие конденсаторную батарею, сильнаточный коммутатор и индуктар(Белый И,ВФертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по глагнитцо-импульсной обработке металлоо, Харьков: Вища школа, 1977, 1 И с.),Общий недостаток этих устройств заключается в том, что в них не может эффективно использоваться индуктор нового типа, характеризующийся оысокой механической прочностью, технологичностью и способностью создавать азимутально-однородное магнитное поле ( Яблочников Б.А, Ицдуктор для магнитно-импульсцай сварки тонкостенных труб больших диаметров О Автомат. сварка. 1983, Ь 1, с. 59-63). Малая индуктивность (обычно меньше 50 нГ) и относительно низкое рабочее напряжение (обычна ниже 4 кВ) этого индуктора не позволяют достичь его эффектионого функционирования о разрядных контурах указанных устройств.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для магнитно-импульсной обработки глеталлов, содержащее конденсаторную батарею, соединенную с краями плоских центральных шиц, имеющих центральные установочные отверстия, токоподоодящий флацец, контактирующий с первой центральной шиной по периметру установочною отоерстия, вакуумную разрядную камеру с двумя главными электродами кольцевой формы, первый иэ которых контактирует со отарой центральной шиной по периметру установочного отверстия и снабжен внутренним кольцевым выступом. а второй расположен с кольцеоым зазором по отношению к упомянутому выступу и имеет минимальную толщину стенки в области последнего. а также индуктор, размещенный внутри второго электрода, с металлическими и диэлектрическими торцовыми шайбами и катушкой из плоских изолированных между собой проводников, выполненных па меньшей мере о виде равных секторных частей кольцевых дисков, изогнутых по винтовой линии, собранных о многозахадную спираль и имеющих выводы по краям около радиальных образующих, отогнутые под прямым углом к торцам кагуьчки и развернутые па окружности торцов ца равные углы по отношению к выводам соседних прооодникао.50 55 Целесообразно замыкающую систему выполнять в виде однослойной спиральной катушки с выводами по торцам,Возможно выполнение замыкающей системы о оиде злектроправодных стержней, проходящих сквозь отверстия о индукторе, изолированно ог праоодникоо ега катушки и ат первой металлической шайбы, при этом первые концы указанных стержней коцтактиру 1 от с токападоадящим флаццем, а их вторые концы соединены са второй металлической шайбой, контактирующей с оыоа. Целью изобретения является снижениепотерь энергии о разрядном контуре устройства при обработке трубчатых деталей любых диаметров.Это достигается тем, чта о устройстведля магнитно-импульсной обработки, содержащем конденсаторную батарею, соединенную с краями плоских центральныхшин, имеющих центральные установочные "0 отверстия, такоподводящий флацец, контактирующий с первой центральной шиной по периметру устанаоочного отверстия, вакуумную разрядную камеру с двугля глаоными электродами кольцевой формы, первый 15 из которых контактирует со второй центральной шиной па периметру установочного отверстия и снабжен внутренним кольцевым выступом, а второй расположен с кольцевым зазором по отношению к упо мяцутому выступу и имеет минимальнуютолщину стенки в области последнего, а также иидуктор, размещенный внутри второго электрода, с металлическими и диэлектрическими торцооыми шайбами и катушкой иэ 25 плоских изолированных между собой проводников, выполненных по меньшей мере о виде равных секторных частей кольцевых дисков, изогнутых по оинтовой линии, собранных в многозаходную спираль и имею щих оыводы по краям около радиальныхобразующих, отогнутые под прямым углом к торцам катушки и разоернутые по окружности торцов цэ равные углы по отношению к выводам соседних проводников, упомяну тые выводы проводников катушки выполнены в непосредственной близости от внутреццей образующей их окружности, концы выводов, выходящих на первый торец катушки, закреплены на первой метал лическай шайбе, расположенной околотокоподоодящега фланца изолированно от него, наружный край упомянутой шайбы соединен со вторым электродом, а глежду выводами проводников. выходящими на 45 второй торец катушки, и токападводящимфлаццем установлена замыкающая система.50 дами проводников, выходящими на второй торец катушки индуктора.Наиболее надежно места закрепления концов выводов, выходящих на первый торец катушки, располагать на внутренних боковых поверхностях сквозных прорезей в первой металлической шайбе, при этом указанные поверхности должны сходиться под углом в направлении к катушке, а концы выводов прижиматься клиньями, вставленными в прорези и зафиксированными прижимными планками, которые скреплены с упомянутой шайбой со стороны токоподводящего фланца.Благодаря этому тонкостенный участок второго электрода полностью исключается из разрядного контуоа, а паразитная индуктивность катушки индуктора резко уменьшается и перестает зависеть от наружного диаметра катушки поскольку основным геометрическим фактором, определяющим величину этой индуктивности, становится только та часть суммарной площади поперечного сечения проводников и изоляторов катушки, которая заключена между ее рабочей поверхностью и замыкающей системой, Кроме того, выполнение последней в виде однослойной спиральной катушки с выводами по торцам позволяет эффективно концентрировать импульсное магнитное поле в зоне обработки малого диаметра. Таким образом, изобретение позволяет снизить потери энергии в разрядном контуре устройства при обработке трубчатых деталей любых диаметров.На фиг, 1 изображено предлагаемое устройство, левая половина осевого сечения; на фиг. 2 - вариант замыкающей системы. выполненной в виде однослойной спиральной катушки, левая половина осевого разреза; на фиг, 3 - вид проводников катушек перед сборкой и фрагмент первой металлической шайбы.Устройство для магнитно-импульсной обработки содержит см. фиг, 1) конденсаторную батарею 1, состоящую иэ нескольких секций, расположенных симметрично относительно центральной оси устройства. Первые выводы секций батареи соединены с краями первой центральной шины 2, имеющей центральное установочное отверстие большоо диаметра, ограниченное конусной поверхностью. С шиной 2 скреплено прижимное кольцо 3, котороес клиновидными металлическими вкладышами 4 образует надежный контактный зажим для закрепления токоподводящего фланца 5.Вторые выводы секций батареи соединены с краями второй центральной шины б, также имеющей центральное установочное 5 10 15 20 25 30 35 40 отверстие большого диаметра, ограничен. ное конусной поверхностью. По краю этого отверстия выполнен ряд небольших отверстий для размещения крепежных болтов 7, соединяющих шину 6 с первым главным электродом 8 вакуумной разрядной камеры, Электрод снабжен внутренним кольцевым высгупом, на котором локализуется кольцевой канал электродугового разряда в процессе функционирования устройства,Межэлектродный кольцевой изолятор 9 отделяет электрод 8 от второго. главногс электрода 10, имеющего форму стакана с центоальным отверстием большого диаметра в донной части, Внутренний выступ электрода 8 расположен напротив катушки индуктора, а толщина стенки электрода 10 в этой области имеет минимальную величину. Выполнение укаэанных требований необходимо для обеспечения оптимальных условий формирования азимутал ьно-однородного разряда.Верхняя часть индуктора образована первой металлической шайбой 11 и первой диэлектрической шайбой 12, Сквозь ряд отверстий в этих шайбах проходят электро- проводные стержни 13, первые концы которых соединены с токоподводящим фланцем 5, изолированным от шайбы 11. Диэлектрическая шайба 12 исполняет не только роль изолятора, но и обеспечивает достаточно большое расстояние между металлической шайбой 11 и катушкой, которое необходимо для ослабления электромагнитной связи между ними.Плоские проводники 14 катушки индуктора выполнены по меньшей мере в виде равных секторных частей кольцевых дисков см. фиг, 3). изогнуты по винтовой линии и собраны в многозаходную спираль изолированно друг от друга. Выводы 15 и 15 изготовлены по краям проводников 14 около их радиальных образующих в непосредственной близости от внутренней образующей их окружности. При сборке индуктора они отгибаются под прямым углом к торцам катушки и разворачиваются по окружности торцов на равные углы по отношению к выводам соседних проводников,Для соединения выводов 15 с шайбой 11 в последней выполнены прорези с боковыми поверхностями, сходящимися под углом по направлению к катушке. При необходимости соответствующие прорези делаются и вдиэлектрической шайбе 12 для прокладки выводов 15, Концы последних прижаты к одной из боковых поверхностей прорезей в шайбе 11 с помощью металлических клиньев 16, вставленных в прорези и зафиксированных прижимными планками 17, 200340950 скрепленными с шайбой 11 со стороны фланца 5,Прижимное кольцо 18, скрепленное с фланцем 5, клиновидные электропроводные вкладыши 19 и первое промежуточное кольцо 20 обеспечивают соединение первых выводов 21 проводников 22 замыкающей системы, выполненной в виде однослойной спиральной катушки, В данном случае катушка собрана из плоских проводников 22 (см. фиг. 3) по тем же принципам, как и описанная выше катушка индуктора. Различие заключается только в том, что выводы 21 изготовлены на внешней образующей окружности проводников,В промежуточном, кольце 20 выполнен канал 23 для пропускания охлаждающей среды, например воды. Принудительное охлаждение замыкающей катушки за счет интенсификации теплоотвода через выводы 21 в кольцо 20 необходимо при напряженных режимах работы устройства, На торцах замыкающей катушки расположены шайбы 24, 25 и 24, 25, причем шайбы 25, 25 должны быть обязательно диэлектрическими, тогда ак шайбы 24, 24 могут быть и металлическими (см. фиг. 2). По оси заглыкающей катушки расположена обрабатываемая деталь 26.В нижней части устройства между вторыми выводами 21 проводников 22 замыкающей катушки и вторыми выводами 15 проводников 14 катушки индуктора находится второе промежуточное кольцо 27 с каналом 28 для пропу",кания охлаждающей жидкости. Это кольцо опирается на диэлектрическое кольцо 29, позволяющее концентрировать усилие осевого сжатия катушки индуктора на ее внутреннюю область, что происходит при .закрепггении выводов 15 клиновидными вкладышами 30 и прижимным кольцом 31,Вторая металлическая шайба 32 отделена от проводников 14 катушки индуктора диэлектрической шайбой 33 и изолирована от электропроводных стержней 13 диэлектрическими шайбами 34, 35. Усилие предварительного осевого сжатия катушки индуктора создается при эавинчивании гаек настяжках 13. Электроизолированные болты 36 скрепляют индуктор с электродом 10, обеспечивая при этом надежный контакт между конусными поверхностями этого электрода и наружного крал шайбы 11,Корпус 37 разрядной камеры имеет патрубок 38 для соединенил с вакуумной системой (на чертеже не показана) и отверстия для размещения поджигающих электродов 39, располагаемых симметрично с двух противоположных сторон. Этот корпус может 10 15 20 25 30 35 40 45 быть изготовлен как из диэлектрика, так и иэ металла. В последнем случае должны использоваться дополнительные детали для изоляции электродов 8, 10 вместе или по отдельности от корпуса 37. На фиг. 1 показан корпус 37 иэ диэлектрика, например из керамики, в связи с чем вопросы изоляции не возникают. Герметизирующие прокладки между деталями разрядной камеры обозначены черными прямоугольниками.О описанном варианте устройства наиболее высокие требования по механической прочности предъявляютсл к замыкающей катушке, поскольку именно она исполняет роль рабочего инструмента,На фиг, 2 показан наиболее прочный вариант замыкающей системы с однослойной катушкой, Он помимо катушки и диэлектрических шайб 25 включает ряд электроизолированных стяжек 40, металлические шайбы 41 с увеличенными внутренними диаметрами для размещения упьрных втулок 42 и центральные диэлектрические шайбы 43. Сильное предварительное осевое сжатие области катушки, непосредственно прилегающей к ее рабочей поверхности, повышает механическую стойкость катушки,Место соединения выводов 15 с шайбой 11 может находиться практически в любой области шайбы 11, в частности на минимальном расстоянии от внутренней образующей проводников 14 (см, фиг, 3 поз. 44), Последнее позволяет значительно снизить паразитную индуктивность устройства, Крометого, прорези в шайбах 11 и 12 могутбыть ориентированы на плоскости любым образом, следовательно появляется возможность и любой ориентации выводов относительно образующих проводников 14, Например, возможна ориентация выводов 15 по нормали к радиальным образующим проводников 14, как показано на фиг, 3 штриховой линией.Использование рассмотренного варианта устройства тем эффективнее, чем меньше диаметр обрабатываемой детали 26, Если же диаметр последней больше -60 мм. то целесообразно испольэовать вариант устройства с другой замыкающей системой,который также может быть описан с использованием фиг, 1, Этот вариант базируется на использовании электропроводных стержней 13 и реализуется просто. для чего следует убрать фланец 18. вкладыши 19, кольцо 21, шайбы 24, 24, 25, 25 и замыкающую катушку из проводников 22 с выводами 21, 21. В зависимости от особенностей обрабатываемой детали 26 кольцо 27 может быть оставлено или заменено на кольцо другой формы. Вводится только один новый эле2003409 мент - зто металлическое кольцо с радиальными разрезами вместо диэлектрической шайбы 35, с которой это кольцо имеет одинаковую форму, В результате такой замены обеспечивается соединение вторых концов стержней 13 со второй металлической шайбой 32 и далее - с выводами 15 проводников 14 катуцки индуктора.Вакуумная система, схемы питания и управления являются типовыми для устройств подобного рода.Устройство с первым вариантом замыкающей системы работает следующим образом (см, фиг. 1). Через патрубок 38 производится непрерывная откачка разрядной камеры до остаточного давления порядка 10 Па, В зоне обработки размещается обрабатываемая деталь 26, после чего конденсаторная батарея заряжается до рабочего напряжения, что означает готовность устройства к выполнению операции магнитно-импульсной обработки детали 26. На поджигающие электроды 39 подается высоковольтный импульс из схемы управления, который приводит к маломощному искровому разряду между электродами 39 и металлическили деталями разрядной камеры. Этот разряд инициирует мощный электро- дуговой разряд между главными электродами 8, 1 О, В результате начинает протекать ток по разрядному контуру, включающему батарея 1, шина 2, вкладыши 4, фланец 5, вкладыши 19, кольцо 20, выводы 21, проводники 22, выводы 21, кольцо 27, выводы 15, проводники 14. выводы 15, шайба 11, электрод 10, разряд в межзлектродиом зазоре, электрод 8, шина 6 и вновь батарея 1,Ф о р мул а изобретения 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ, содержащее конденсаторную батарею, соединенную с краями плоских центральных шин, имеющих центральные установочные отверстия, токоподводящий фланец, контактирующий с первой центральной шиной по периметру установочного отверстия, вакуумную разрядную камеру с двумя главными электродами кольцевой формы, первый из которых контактирует с второй центральной шиной по периметру установочного отверстия и снабжен внутренним кольцевым выступом, а второй расположен с кольцевым зазором по отношению к упомянутому выступу и имеет минимальную толщину стенки в области последнего, а также иидуктор, размещенный внутри второго электрода, с металлическими и диэлектрическими торцевыми шайбами и катушкой иэ плоских Б катушках протекающий ток создаетимпульсные магнитные полл, когорые складываются, если при сборке катушек направления углов подъема винтовых линий, по 5 которым изгибались проводники 14 и 22,были противоположными. Очевидно, что изготовленная только таким образом система катушек имеет практический смысл. Внутренняя часть магнитного поля деформирует 10 деталь 26, а наружная его часть, проникаясквозь тонкую стенку электрода 10, распределяет разряд равномерно по периметру кольцевого межзлектродного промежутка.Рабочий цикл заканчивается затуханием то ка в разрядном контуре.Устройсгво со вторым вариантом замыкающей системы работает аналогичныл образом, только разрядный контур включает следующие элементы: батарея 1, нина 2, 20 вкладыши 4, фланец 5, стержни 13, металлические разрезанные по радиусам кольца, заменяющие шайбы 35, шайба 32, вкладыши 30, выводы 15, проводники 14, шайба 11, электрод 10, разряд в межэлектгюдном за зоре, электрод 8, шина 6 и вновь батарея 1,Особо значителен положительный эфФект при использовании данного изобретения для обработки труб малых диаметров.Например, при диаметре 15 мм реконструк ция прототипа по первому варианту изобретения дает прирост амплитуды магнитного поля в зоне обработки примерно на 40,(56) Яблочников Б,А, Установки для магнит 35 но-импульсной сварки тонкостенных труб больших диаметров // Автомат. сварка. 1983, М 4, с. 48-51, 58). изолированных между собой проводников, 40 выполненных по меньшей мере в виде равных секторных частей кольцевых дисков, изогнутых по винтовой линии. собранных в миогозаходную спираль и имеющих выводы по краям около радиальных образующих, отогнутые под прямым углом к торцам катушки и развернутые по окружности торцов на равные углы по отношению к выводам соседних проводников, от личающееся тем, что выходы проводниковкатушки выполнены в непосредственной близости от внутренней образующей их окружности, концы выводов. выходящих иа первый торец катушки, закреплены иа пер вой металлической шайбе. расположеннойоколо токоподводящего фланца изолированно от него, наружный край шайбы соединен с вторым электродом, а между выводами проводников, выходящими на второй торец катушки, и токоподводящим, Коро Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 фланцем установлена, замыкающая система.2, Устройство по п,1, отличающееся тем, что замыкающая система выполнена в виде однослойной спиральной катушки с5 выводами по торцам.3, Устройство по п.1. отличающееся тем, что замыкающая система выполнена в видо электропроводных стержней, проходящих сквозь отверстия в индукторе изолированно от проводников его катушки и от первой металлической шайбы, при этом первые концы стержней контактируют с токоподводящим фланцем, а их вторые концы соединены с второй металлической 09 12шайбой, контактирующей с выводами проводников, выходящими на второй торец катушки индуктора.4; Устройство по п,1, отлиЧающееся тем, что места закрепления концов выводов, выходящих на первый торец катушки, расположены на внутренних боковых поверхностях сквозных прорезей в первой металлической шайбе, при этом указанные поверхности сходятся под углом в направлении к катушке, а концы выводов прижаты клиньями, вставленными в прорези и зафиксированными прижимными планками, которые скреплены с шайбой со стороны токоподводящего фланца.