| Реферат |
Изобретение относится к способу механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта. Воздействуют на металлическую заготовку металлическим инструментом, который вызывает деформацию металлической заготовки, при одновременном воздействии на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации. С помощью датчика механических колебаний формируют сигнал вибрационного отклика металлического инструмента и/или металлической заготовки вблизи области деформации металлической заготовки. Для этого сигнала выполняют оценку длительности половины периода колебаний и при выполнении механической обработки период и длительность электрических импульсов генератора устанавливают равными соответственно четному и нечетному числу оценки длительности половины периода колебаний. В результате расширяется область применения способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта без увеличения энергетических затрат. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.
Предлагаемое изобретение относится к методам механической обработки металлических заготовок с использованием различных технологий: прокатки, волочения, штамповки, плющения и т.п., при которых металлическая заготовка подвергается деформации. Особенностью рассматриваемых решений является использование при обработке электропластического эффекта. Обработка металла с использованием электропластического эффекта имеет большие потенциальные возможности. Такая обработка обладает такими достоинствами, как пониженное сопротивление деформации, улучшенная пластичность, упрощенные технологические процессы, повышенная энергоэффективность, более низкая стоимость и более качественные характеристики материала после обработки. Технология изготовления с использованием электрических импульсов существенно повлиять на морфологию и свойства металла.
Известен способ механического резания металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, включающий действие электрических импульсов на материал заготовки в области деформации [Патент RU 2426629 C2, В23Н 5/06, Бюл. №23, 2011, Евсеев Ю.А., Троицкий О.А., Баранов С.А., Сташенко В.И., Сухов А.В., Тяпкин А.В. Способ механической обработки резанием металлов и полупроводников с использованием эффекта электропластической деформации].
Недостатком этого способа является ограниченная область его применения, поскольку в нем отсутствует методика выбора параметров необходимого электроимпульсного воздействия.
Известен способ равноканального углового прессования металла, включающий деформирование заготовки продавливанием ее пуансоном через каналы и подачу импульсного или постоянного тока к заготовке при одновременном действии ультразвуком, причем подачу тока к заготовке осуществляют путем подключения отрицательного полюса к пуансону, а положительного - к торцевой части заготовки в выходном канале, при этом ультразвук подают в поперечном относительно вектора плотности тока направлении [Патент RU 2525966 С2, В2/С 23/00, Бюл. №23, 2014, Иванов A.M., Троицкий О А. Способ равноканального углового прессования металла с применением во время деформации электропластического эффекта и ультразвука].
Недостатком этого способа является его относительно низкая энергоэффективность, поскольку в нем отсутствует методика обеспечения повышенной энергоэффективности за счет выбора параметров электроимпульсного воздействия.
Известен способ обработки стальных заготовок давлением, включающий пластическую деформацию заготовки и одновременное воздействие на нее импульсным током, причем воздействие импульсным током осуществляют с амплитудной плотности тока (0,5-1)103 А/мм2, длительностью импульсов (1-2,5)10-4 с и частотой следования импульсов, определяемой в зависимости от скорости движения заготовки по формуле V=L⋅F, где L - длина зоны пластической обработки и F - частота следования импульсов тока, и при этом проводят одновременно СВЧ-облучение деформируемой зоны заготовки [Патент RU 2585920 С2, C21D 8/00, Бюл. №16, 2016. Троицкий О.А., Сташенко В.И., Способ обработки металлов давлением].
Недостатком этого способа является его относительно низкая эффективность и отсутствие возможности целенаправленного изменения перестраиваемых параметров для повышения такой эффективности.
Известен способ обработки давлением металлов и полупроводников, включающий механическую обработку заготовки с одновременным приложением импульсного электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, отличающийся тем, что к заготовке прикладывают импульсы электрического поля с длительностью импульсов Θm порядка максвелловского времени релаксации, равной: где εo - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, ρ - удельное сопротивление материала [Патент RU 2432216 С2, В21В 1/00, Бюл. 30, 2011, Евсеев Ю.А., Троицкий О.А., Кузнецов В. М., Петров В.А., Сташенко В.И., Сурма A.M. Способ механической обработки давлением металлов и полупроводников с применением электропластического эффекта].
Недостатком этого способа являются очень малые значения времени действия электрического импульса, которые должны обеспечивать значимую величину электропластического эффекта, поскольку диапазон оптимальных значений длительности внешнего электрического напряжения (поля) прикладываемого к проводнику соответствует по результатам экспериментов десятки-сотни микросекунд.
Известен способ обработки металлов давлением, включающий механическую обработку давлением заготовки с приложением к ней импульсного тока, при прокатке с помощью встречно вращающихся валков или при волочении с помощью волок, или при штамповке деформирующим инструментом, или плющении между встречно вращающимися деформирующими валами или плющении в режиме стоячей волны между колеблющимися под влиянием ультразвука плашками, когда к заготовке прикладывают импульсы тока большой плотности длительностью 100-150 мкс и частотой следования F при прокатке или волочении, или штамповке, определяемой по зависимости где k - целочисленный коэффициент, k>1, а при плющении - с частотой F, соответствующей или кратной частоте ультразвуковых колебаний, задаваемой генератором ультразвука в интервале частот 10-17 кГц [Патент RU 2321469 С2, В21В 1/00, БИ №10, 2008, Троицкий О.А., Троицкий В.О. Способ обработки металлов давлением].
Недостатком этого способа является сильная зависимость эффективности обработки от выбора режимов работки в указанных пределах и необходимость в результате их подбора методом последовательного перебора пробных обработок, что связано с отсутствием учета ударно-колебательного характера отклика металлов на воздействие электрического импульса.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является способ механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, при котором на металлическую заготовку воздействуют металлическим инструментом, который вызывает деформацию металлической заготовки, при одновременном воздействии на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации [Le Guan, Guoy Tang, Paul К. Chu Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals // J. Mater. Res., vol. 25, №7, Jul 2010. - P. 1215-1224]. При этом механическая обработка может включать в себя различные виды, такие как прокатка, волочение, штамповка и т.п.
Недостатком описываемого способа является ограниченные возможности применения, что связано с отсутствием четких критериев выбора технологических параметров задания характеристик электрических импульсов и необходимости длительной процедуры подбора их методом проб и ошибок. Это ограничивает возможности применения способа.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения. Применение предлагаемого способа позволяет обеспечить повышение эффективности обработки без увеличения энергозатрат.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении простой процедуры выбора параметров используемых электрических импульсов что позволяет уменьшить время подбора параметров, обеспечить более высокую эффективность и таким образом расширить область возможного применения способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, при котором на металлическую заготовку воздействуют металлическим инструментом, который вызывает деформацию металлической заготовки, при одновременном воздействии на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации, с помощью датчика механических колебаний формируют сигнал вибрационного отклика металлического инструмента и/или металлической заготовки вблизи области деформации металлической заготовки, для этого сигнала выполняют оценку длительности половины периода колебаний и при выполнении механической обработки период и длительность электрических импульсов генератора устанавливают равными соответственно четному и нечетному числу оценки длительности половины периода колебаний.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта состоит в том, что в качестве металлического инструмента, который вызывает деформацию металлической заготовки, используется устройство для волочения металлической заготовки через отверстие необходимой формы и размеров в металлическом инструменте.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что в качестве металлического инструмента, который вызывает деформацию металлической заготовки, используется устройство для прокатки металлической заготовки между металлическими валками.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации, электрические импульсы с выхода генератора подают на контакты, которые скользят по поверхности металлической заготовки до и за областью деформации.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации, электрические импульсы с первого выхода генератора подают на контакт, который скользит по поверхности металлической заготовки до или за областью деформации, а с второго выхода генератора подают на металлический инструмент, который вызывает деформацию металлической заготовки.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации, электрические импульсы с выхода генератора подают на металлический инструмент, который вызывает деформацию металлической заготовки в места, которые располагаются по разные стороны от области деформации металлической заготовки.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что в качестве датчика механических колебаний используют акселерометр, который устанавливают на поверхности металлического инструмента вблизи области деформации металлической заготовки,
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что в качестве датчика механических колебаний используют акселерометр, который устанавливают на поверхности металлической заготовки вблизи области деформации металлической заготовки.
Другое отличие способ механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, состоит в том, что в качестве датчика механических колебаний используют датчик динамической силы, который устанавливают на торцевой поверхности металлической заготовки в направлении ее движения.
Другое отличие способа механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта состоит в том, что период и длительность электрических импульсов генератора устанавливают равными соответственно двум и одной оценкам длительности половины периода колебаний.
Примеры реализации предлагаемого способа иллюстрируются чертежами на фиг.1-7. На фиг.8 представлен пример изменения сигнала с датчика механических колебаний. На фиг.9 показана зависимость размаха ускорения от отношения длительности Tu для одиночного электрического импульса к длительности периода вибрационного отклика металла на действие такого импульса.
На фиг.1 показан пример обработки металлической заготовки 1 волочением с использованием инструмента 2. Генератор 3 формирует электрические импульсы. Для формирования оценки характеристик вибрационного отклика используют датчик механических колебаний 4, который устанавливают на инструменте 1 вблизи области деформации металлической заготовки 1. В качестве такого датчика механических колебаний может быть использован акселерометр. Сигнал с выхода акселерометра передают на устройство 5 оценки длительности половины периода колебаний. В качестве такого устройства используют запоминающий осциллограф, анализатор сигналов, измеритель периода импульсов или компьютер с модулем сбора данных для оцифровки сигнала от датчика механических колебаний и соответствующее программное обеспечение. Электрические импульсы от генератора 3 передают на металлическую заготовку 1 через скользящие контакты 6, которые располагают до и после зоны деформации на металлической заготовки 1 инструментом 2. В этом случае зона действия электрического импульса на металлическую заготовку 1 включает в себы зону механической деформации металлической заготовки 1 инструментом 2. При пропускании электрического импульса через заготовку в ней возникают механические колебания. Полученные оценки длительности полупериода механических колебаний используют для выбора длительности и периода следования электрических импульсов, которые формирует генератор 3. Настройка генератора 3 выполняют однократно при настройке способа или циклически в процессе использования способа.
Пример реализации способа, представленный на фиг.2, показывает обработку с использованием прокатки металлической заготовки 1 между валками 7 инструмента 2. Другое отличие в этом случае состоит в измерении вибрационного отклика на заготовке 1 датчиком механических колебаний 4, которое выполняют при начальной настройке способа. В случае использования контактного датчика механических колебаний его устанавливают на неподвижной металлической заготовке 1. В случае использования бесконтактного датчика механических колебаний настройку выполняют во время прокатки. В качестве бесконтактного датчика механический колебаний в этом случае используют вихретоковый проксиметр, емкостной проксиметр или оптический, например, лазерный измеритель вибрации.
При реализации способа, представленной на фиг.3 аналогичное использование датчика механических колебаний 4 показано для случая обработки металлической заготовки 1 волочением.
Пример на фиг.4 показывает использование в качестве датчика механических колебаний 4 датчика динамических сил, который используют для оценки продольных механических колебаний металлической заготовки 1.
В примере, показанном на фиг.5, электрические импульсы от генератора 3 передают на инструмент 2 и на металлическую заготовку 1 через скользящий контакт 6, который устанавливают на металлической заготовке 1 до инструмента 2, который деформирует металлическую заготовку 1.
В примере, показанном на фиг.6, электрические импульсы от генератора 3 передают на инструмент 2 и на металлическую заготовку 1 через скользящий контакт 6, который устанавливают на металлической заготовке 1 после инструмента 2, который деформирует металлическую заготовку 1.
В примере, показанном на фиг.7, электрические импульсы от генератора 3 передают на верхний и нижний валки 7, которые гальванически не связаны между собой в инструменте 2.
Способ реализуется следующим образом:
При воздействии электрического импульса на металл в моменты начала переднего и заднего фронтов этого импульса, в металле формируются ударные процессы малой длительности [Троицкий О.А., Сташенко В.И., Скворцов О.Б., Савенко B.C., Самуйлов С.Д., Терещук B.C., Зайцев С.В., Иванов A.M. Интенсивная пластическая деформация металла при токовых и СВЧ-воздействиях. Новые данные и закономерности // Изд-во КИМ Л.А., М.: 2020. - 342 с.]. Действие этих ударных процессов можно представить в виде динамических сил, вызывающих формирование последующих затухающих вибрационных колебаний металла. Как показано на фиг.8, началу переднего и заднего фронтов электрического импульса соответствуют моменты t0 и t1. Для формируемого после окончания электрического импульса вибрационного процесса можно оценить длительность полупериода сигнала вибрации Тв/2=t3-t2. Такую оценку можно получить прямым визуальным измерением на осциллографе или измерителе периода, сформировать из оценки частоты максимума спектра вибрационного отклика при использовании анализатора спектра или при использовании специализированной программы для анализа сигнала вибрационного отклика в компьютере. Такая оценка используется для настройки генератора 3 электрических импульсов. Амплитуда и временные характеристики ударных механических процессов от переднего и заднего фронтов близки, но имеют противоположные знаки. Отличие ударного процесса от начального момента заднего фронта проявляется при относительно малых длительностях электрического импульса, при которых колебания от ударного импульса от начального момента переднего фронта еще не затухнут к моменту прихода заднего фронта. В этом случае, в зависимости от соотношения фаз колебаний, вызываемых воздействиями ударных процессов от переднего и заднего фронтов электрического импульса, амплитуда суммарного вибрационного отклика может увеличиваться или уменьшаться. Зависимость результирующего размаха колебаний от отношения длительности импульса Ти к длительности периода вибрации Тв для случая одиночного импульса показана на фиг.9. Максимальный по размаху вибрационный отклик соответствует длительности импульса, равной половине периода колебаний в вибрационном отклике. Такое соотношение обеспечивает и максимальный электропластический эффект для заданной амплитуды электрического импульса. Аналогичная ситуация связана с суммированием вибрационного отклика от предыдущего и текущего электрического импульса в случае воздействия на материал последовательности из нескольких электрических импульсов. При заданной амплитуде электрических импульсов, электропластический эффект проявляется сильнее в случае если вибрационный отклик на воздействие электрического импульса имеет большую величину, а это может быть обеспечено рациональным выбором длительности и периода следования электрических импульсов, без увеличения их амплитуды, поскольку увеличение амплитуды увеличивает энергетические затраты. В предлагаемом решении эффективность обработки металла с использованием электропластического эффекта увеличивается без увеличения энергетических затрат.
Существенно, что в случае когда генерируемые от действия электрического импульса ударные и вибрационные процессы распространяются на область деформации металлической заготовки, электропластический эффект наблюдается даже если электрический ток от воздействия электрического импульса не попадает полностью или частично в область деформации металлической заготовки.
При выборе длительности электрического импульса и его периода следует принимать во внимание, что если они соответствуют минимально возможным количествам полупериодов сигналов вибрационного отклика, размах получаемых ускорений, а следовательно, и динамических сил, действующих на материал заготовки, будет максимальным. При увеличении интервала между импульсами размах величины ускорения и динамических сил снижается. Наибольший эффект усиления действия электропластического эффекта обеспечивается с учетом затухания колебаний для случая, когда период и длительность электрических импульсов генератора устанавливают равными соответственно двум и одной оценкам длительности половины периода механических колебаний.
Близость области действия электрического импульса, в которой генерируется вибрационный отклик, к области механической деформации определяется критерием отсутствия существенного затухания сформированного вибрационного отклика при его распространении в виде волнового механического процесса до области механической деформации инструментом.
Аналогичным является и критерий близости расположения датчика механических колебаний относительно зоны деформации, предполагающий, что вибрационные процессы в зоне деформации не будут существенно затухать по пути распространения датчику механических колебаний, который таким, образом, может обеспечить их обнаружение с последующей оценкой длительности полупериода колебаний.
Предлагаемое решение обеспечивает существенное упрощение выбора таких параметров используемых электрических импульсов как их длительность и период повторения. Это позволяет при высокой эффективности использования способа обеспечить его применение при различных видах материалов и их геометрических размерах. Для получаемой на выходе продукции, в свою очередь, способ позволяет расширить область его применения при сокращении времени на выбор более эффективного режима обработки.
Формула изобретения
1. Способ механической обработки металлической заготовки с использованием электропластического эффекта, включающий воздействие на металлическую заготовку металлическим инструментом, который вызывает деформацию металлической заготовки, при одновременном воздействии на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации заготовки, отличающийся тем, что с помощью датчика механических колебаний формируют сигнал вибрационного отклика металлического инструмента и/или металлической заготовки вблизи области деформации металлической заготовки, для этого сигнала выполняют оценку длительности половины периода колебаний и при выполнении механической обработки период и длительность электрических импульсов упомянутого генератора устанавливают равными соответственно четному и нечетному числу оценок длительности половины периода колебаний.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического инструмента, который вызывает деформацию металлической заготовки, используют устройство для волочения металлической заготовки через отверстие необходимой формы и размеров в металлическом инструменте.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического инструмента, который вызывает деформацию металлической заготовки, используют устройство для прокатки металлической заготовки между металлическими валками.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации заготовки электрические импульсы с выхода генератора подают на контакты, которые скользят по поверхности металлической заготовки до и за областью деформации.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации электрические импульсы с первого выхода генератора подают на контакт, который скользит по поверхности металлической заготовки до или за областью деформации, а со второго выхода генератора подают на металлический инструмент, который вызывает деформацию металлической заготовки.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для воздействия на металлический инструмент и/или на металлическую заготовку электрических импульсов от генератора в области деформации электрические импульсы с выхода генератора подают на металлический инструмент, который вызывает деформацию металлической заготовки в местах, которые располагаются по разные стороны от области деформации металлической заготовки.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика механических колебаний используют акселерометр, который устанавливают на поверхности металлического инструмента вблизи области деформации металлической заготовки.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика механических колебаний используют акселерометр, который устанавливают на поверхности металлической заготовки вблизи области деформации металлической заготовки.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика механических колебаний используют датчик динамической силы, который устанавливают на торцевой поверхности металлической заготовки в направлении ее движения.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период и длительность электрических импульсов генератора устанавливают равными соответственно двум и одной оценкам длительности половины периода колебаний.
|
