|
Введение.
В приборостроении, авиационной и космической Ф промышленности широкое применение получили замкнутые
тонкостенные детали имеющие сложный профиль в сечении, отдельными резьбовыми участками и отверстиями из тонколистовых материалов. Чаще всего данные изделия относятся к корпусным деталям и служат для обеспечения механической прочности и герметизации отдельных частей конструкций, а также для экранирования элементов конструкций от радиопомех в мегагерцовом диапазоне. В качестве материала для данного вида изделий можно использовать фольгу алюминия и меди, а также их сплавов толщиной от 0.1 до 0.5 мм. Типовой тонкостенной замкнутой конструкцией является облегченный экранирующий корпус электросоединителя используемый в космической технике. Его использование позволяет решить проблему экранировки и уменьшения весогабаритных показателей, что очень важно при разработке новых летательных аппаратов.
Традиционными методами штамповки тонколистовых материалов получить данные детали затруднительно. Возникают проблемы и при изготовлении данных облегченных деталей токарным способом из-за низкого коэффициента использования материала (КИМ=0.1-0.3). Целесообразно изготавливать такие детали штампосварными.
Перспективность применения облегченных экранирующих корпусов электросоединителей определяет актуальность создания экономически целесообразной технологии и оборудования для их ^ изготовления. Для достижения данной цели была рассмотрена
принципиальная возможность получения соединения из тонколистового материала высокопроизводительным импульсным методам обработки.
Для калибровки и сварки облегченных замкнутых конструкций перспективно использовать давление импульсных магнитных полей. В
этом способе реализуется силовое "и тепловое воздействие на заготовку
при пропускании импульсов электрического тока через рабочий
# инструмент-индуктор. Однако при магнитно-импульсной обработке
получить изделие без замкнутого контура не рекомендуется [2]. т -
Наиболее близко к решению этой задачи подошли авторы патента
«Способ получения сварных соединений листовых металлических материалов», где предложено осуществлять сварку индуцированными токами, что является перспективным решением данной проблемы [7].
Была поставлена задача для изготовления полых облегченных конструкций разработать высокопроизводительный технологический процесс, использующий уникальные свойства магнитно-импульсной обработки, и совместить при этом процесс калибровки и сварки детали.
Целью работы является: исследование и разработка процесса получения штампосварных замкнутых конструкций из тонколистовых материалов контактной магнитно-импульсной сваркой (КМИС). Создание научно обоснованных методов выбора и расчета параметров процесса и оборудования.
Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач: создать экспериментальную установку инструмент и оснастку для исследования процесса КМИС; осуществить теоретический анализ процесса электрической контактной сварки нахлесточных соединений с использованием магнитного давления; экспериментально определить параметры процесса, влияющие на качество соединения в процессе КМИС; разработать методы расчета и выбора параметров обработки и # оборудования КМИС; внедрить результаты исследований в производство
и учебный процесс.
Решение указанных задач потребовало: создания экспериментальной установки для исследования процесса КМИС, осуществить теоретический анализ процесса КМИС нахлесточных
соединений с использованием магнитного давления, экспериментально определить параметры процесса, влияющие на качество соединения в процессе КМИС, разработать методы расчета и выбора параметров обработки и оборудования КМИС, внедрить результаты исследований в производство и учебный процесс.
Научная новизна работы.
Теоретически и экспериментально обоснован принципиально новый процесс контактной магнитно-импульсной сварки тонкостенных замкнутых конструкций, выявлен механизм получения соединения в процессе КМИС.
Сделан вывод, что процесс КМИС можно разбить на несколько стадий. В результате прохождения импульса тока в зоне контактов осуществляется взрывообразное испарение поверхности металла и при малых значениях магнитного давления образуется зазор, который обеспечивает удаление окисных пленок и загрязнения в процессе импульсного воздействия. При нарастании магнитного давления до значений, превышающих давление паров металла, поверхности соединения сближаются, жидкий металл вытесняется и осуществляется сварка в твердой фазе.
Установлено, что для осуществления качественной обработки необходимо чтобы процесс калибровки корпуса электросоединителя был завершен до сближения очищенных поверхностей, в противном случае, образовавшееся соединение может быть разрушено сдвиговыми усилиями.
Разработан алгоритм выбора и расчета параметров процесса и оборудования отличающаяся тем, что энергетические и частотные характеристики магнитно-импульсной обработки определяются с учетом электровзрывной очистки поверхностей и условий соединения материалов в твердой фазе.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментальных и теоретических исследований нового v« способа получения штампосварных конструкций;
. - гипотеза формирования соединения в процессе КМИС; «
1 - методика выбора параметров техпроцесса и оборудования КМИС;
- проектные изыскания и разработанные конструкции установки и инструмента.
Практическая ценность.
Результаты исследований и методика расчета параметров процесса были использованы при разработке промышленной технологии получения облегченных экранирующих корпусов электросоединителей наземной и бортовой аппаратуры космической техники. Работы проводились в рамках программы исследовательских работ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Внедрение технологии и оборудования магнитно-импульсной сварки позволило значительно уменьшить затраты на производство и снизить вес и габариты узла заделки кабеля.
Полученные результаты использованы при разработке методических рекомендаций для проведения лабораторных работ по дисциплинам «Электротехнологические процессы и оборудование», «Источники питания для сварки» и внедрены в учебный процесс Донского государственного технического университета.
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.
1.1. Проблема получения облегченных корпусов
электросоединителей.
В настоящее время все большее распространение получают замкнутые тонкостенные детали, которые широко, используются в приборостроении, авиационной и космической промышленности. Данные изделия имеют сложный профиль в осевом сечении, большие перепады размеров, отдельные резьбовые участки и отверстия, ребра жесткости и т.д.. Типовой тонкостенной замкнутой конструкцией является облегченный экранирующий корпус электросоединителя
Главной функцией облегченного экранирующего корпуса электросоединителя является защита от радиопомех в мегагерцовом диапазоне элементов конструкций. Проблема изготовления таких деталей определяется их конструктивными особенностями, а также малой толщиной используемого материала. Как правило, это цветные металлы: медь, латунь, алюминиевые сплавы толщиной 0.1-0.5 мм.
Виды корпусов электросоединителей показаны на рис 1.1.
Перспективность применения корпусов электросоединителей определяет актуальность разработки экономически целесообразной технологии и оборудования для их изготовления. Существуют различные способы получения корпусов электросоединителей (см. табл. 1.1).
Анализ известных традиционных технологий изготовления таких деталей показал, что они имеют ряд недостатков.
Многопереходной штамповкой тонколистовых материалов получить детали сложной формы затруднительно, а зачастую, не возможно. Сложная, металлоемкая оснастка, наличие большого количества переходов, не позволяет использовать данный метод в быстропереналаживаемом мелкосерийном производстве.
ВИДЫ КОНСТРУКЦИЙ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
/ /
/ /
i
/ I/
/ И
ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ
МАТЕРИАЛ:
Си, AI,
ТОЛЩИНА:
h = 0,1-0,5 мм.
ГАБАРИТЫ:
Длина 20- 150 мм, Диаметр 10-50 мм.
РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА:
300-400 С0.
ЭКРАНИРУЕМЫЕ ЧАСТОТЫ:
f> ЮОмГц
Рис 1.1. Конструктивные виды экранирующих корпусов электросоединителей.
Таблица 1.1 СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОРПУСОВ ЭЛЕКТРОСОЕДИНИТЕЛЕЙ
ВИДЫ ОБРАБОТОК
Расход
материала
КИМ
Трудоемкость изготовления
Особенности
I. Многопереходная штамповка
1 у 1
1
ж ж
Очень громоздкая схема
изготовления, не всегда
возможно получить
заданный профиль
0,5-0,6
1.5н.ч.
П. Токарная обработка
Ограничение по
толщине стенки, низкий
КИМ
0,1-0,3
0.5 н.ч.
III. Штампосварные конструкции
0,3-0,4
1.5 н.ч.
3. Контактная сварка
3.2 Пайка Штамповка + Пайка
3.3 Лазерная сварка
Штамповка + лазерная сварка
3.4 Импульсно дуговая сварка
0,1-0,2
0,3-0,4
0,3-0,4 0,3-0,4
0.1 н.ч.
0,3 н.ч.
0,3 н.ч. 0,3 н.ч.
Многопереходный процесс
Прожоги, выплески, смещение заготовки
относительно
электродов, трудность с
получением малого
диаметра
Трудности с
позицион ированием
заготовки, большой
процент брака.
Низкий % выхода изделия.
Трудность
позиционирования,
________прожоги_______
IV. Магнитно-импульсная обработка (МИО)
Щ
0,9
0,05 н.ч.
Необходимы исследования
10
Токарной обработкой можно изготавливать осесимметричную полую конструкцию с одной установки заготовки в пределах одной технологической операции, однако при этом имеются ограничения по толщине обрабатываемой детали и при этом приходится отказываться от ребер жесткости. В целом, способ отличает очень низкий коэффициент использования материала (КИМ).
Штампосварной вариант свободен от этого недостатка. Этим приемом можно получить штампосварные конструкции практически любой формы из листа любой толщины при максимальном коэффициенте использования материала. Однако схема технологического процесса остается достаточно громоздкой и состоит из следующих операций: заготовительная, штамповочная, сборно-сварная или сборка-пайка, калибровочная, накатка профиля или резьбы и т.д..
При использовании пайки для получения штампосварных конструкций требуется использование сложной оснастки и дефицитных припоев, что делает данный процесс достаточно дорогим.
Наиболее целесообразно изготавливать оболочковые конструкции сварными. При этом могут быть использованы различные виды сварки тонколистовых материалов: импульсная дуговая микросварка неплавящимся электродом в среде аргона, лазерная сварка, контактная сварка в жидкой и твердой фазе, индукционная микросварка и т.д..
Лазерная сварка [61,71] хорошо себя зарекомендовала при получении тонколистовых прецизионных деталей и узлов. Однако, для сварки штампосварных деталей имеющих сложный профиль, необходима сложная трудоемкая оснастка. Осуществление же сварки по развитым поверхностям, типа резьбовой, практически не возможно.
Импульсная дуговая сварка обеспечивает получение герметичного соединения тонколистовых материалов, но не всегда устраивает заказчиков по внешнему виду изделия и не обеспечивает качества и функционального назначения развитых поверхностей.
и
Наиболее приемлемыми для получения оболочковых конструкций являются различные способы контактной сварки (КС). Они сочетают в себе как тепловое, так и силовое воздействие на обрабатываемое изделие. Очевидно, именно использование комбинированного способа обработки, позволит снизить трудоемкость изготовления оболочковых конструкций, так как все выше перечисленные методы получения штампосварных конструкций являются многопереходными процессами, а значит требуют больших затрат при организации производства.
Перспективным для получения тонколистовых штампосварных деталей является использование импульсных магнитных полей магнитно-импульсной сваркой [1]. Однако данный высокопроизводительный процесс мало изучен.
Для теоретического анализа магнитно-импульсной сварки нахлесточных соединений необходимо знать особенности получения соединения при использовании аналогичных импульсных процессах с комбинированным воздействием, таких как ударная конденсаторная сварка, сварка индуцированными токами и т.д..
1.2. Импульсные методы электрической контактной сварки.
1.2.1.Конденсаторная сварка
Одними из самых распространенных импульсных процессов является конденсаторная сварка.
Благодаря специфическим особенностям разряда конденсаторов сварка металлов с помощью аккумулированной в них энергии имеет ряд энергетических и, что еще более важно, технологических достоинств. Основным энергетическим достоинством является малая установочная мощность сварочного оборудования, так как время разряда конденсаторов значительно меньше времени их зарядки. Мощность, выделяемая при импульсном разряде во много раз больше мощности, потребляемой из сети.
12
Технологические достоинства конденсаторной сварки связанны как с высокой точностью дозирования энергии в конденсаторах, так и с кратковременностью их разряда (в среднем от нескольких десятых долей до 10-20мс). Последнее легко позволяет соединять металлы, имеющие разные теплофизические свойства, а также существенно различные толщины (или диаметры). Конденсаторная сварка благодаря точному дозированию энергии, при прочих равных условиях, обеспечивает стабильность качества сварных соединений.
В настоящее время применяются несколько принципиально различных способов конденсаторной сварки [3,4]: сварка сопротивлением трансформированным разрядом конденсаторов; сварка сопротивлением непосредственным разрядом конденсаторов; дуговая конденсаторная сварка; магнитно-импульсная сварка; ударная конденсаторная сварка [15].
В одних случаях теплота, выделяется при прохождении сварочного тока через контакт, в других - в дуге, горящей при разряде конденсаторов. В процессе ударной конденсаторной сварки на разных стадиях могут использоваться различные виды выделения тепла и варьируя параметрами обработки, можно получать соединения в жидкой и твердой фазе.
1.2.2 Ударная конденсаторная сварка (УКС)
Основной отличительной особенностью УКС является наличие, не зависимо от того был ли предварительный контакт или имелся исходный зазор, взаимного перемещения свариваемых деталей. Это перемещение обеспечивает как относительное постоянство напряжения на импульсной дуге, так и осадку деталей в конце процесса. Принципиальная схема УКС приведена на рис 1.2. [11].
Конденсатор С, заряженный до выбранного напряжения Uc, подключен через переменное сопротивление R (при правом положении ключа К) к деталям, одна из которых 1 укреплена неподвижно, а другая 2
13
к
1
Рис 1.2 Принципиальная схема способа УКС.
перемещается со скоростью V под действием пружины 3 из положения, в котором удерживалась каким-либо способом, до соударения с первой деталью.
УКС имеет преимущества перед другими способами конденсаторной сварки, обусловленные наличием такого специфического высококонцентрированного источника нагрева, как дуга горящая при разряде конденсаторов. К таким преимуществам относятся, во-первых, практическая независимость качества сварного соединения от состояния свариваемых поверхностей (т.е. наличия или отсутствия на стыкуемых поверхностях окисных пленок, металлических или оксидных токопроводящих покрытий, жировых пленок и т.п. при условии, если их толщина менее 0.05мм.) и, во-вторых, возможность соединений при сварке проволок диаметром до 2-3 мм весьма значительного числа сочетаний разнородных металлов (гораздо больше, чем любым другим способом сварки).
Процесс УКС в общем случае можно разделить на три стадии: возбуждение дуги; ее горение, во время которого происходит нагрев стыкуемых поверхностей и их отчистка от пленки оксидов и адсорбированных газов, и осадка свариваемых деталей, при которой в
14
зависимости от удельного усилия расплавленный металл полностью или частично удаляется из зоны стыка. Возбуждение дуги при У КС происходит в результате пробоя воздушного промежутка.
Эксперименты показали, что с увеличением напряжения зарядки конденсаторов и уменьшением их емкости резко сокращается время разряда конденсаторов, существенно возрастает скорость ввода энергии в разрядный (дуговой) промежуток, уменьшается масса расплавленного металла.
Малое время процесса УКС (обычно не превышающее 3-6 мс) позволяет успешно соединять разнородные металлы (сталь - алюминий, сталь — латунь, сталь-вольфрам). Высокое давление паров в дуге при УКС создает естественную защиту зоны сварки от воздействия окружающей атмосферы, благодаря чему цветные металлы и их сплавы могут свариваться без применения защитных газов.
5
Плотность тока протекающая через контакт, составляет (10-б 5
10)А/см2. Это приводит на второй стадии процесса к практически
моментальному взрывообразному испарению контакта (нагретые до нескольких тысяч градусов) легко ионизируются в электрическом поле, напряженность которого в зазоре между деталями превышает 1000 В/см.. Как показывают осциллографические исследования, к моменту взрыва выступа начальное напряжение зарядки, которое всегда больше 1000 В, на конденсаторах большой емкости не успевает заметно снизится. Возбуждается дуга. Эта стадия процесса длится 3-6 мс, в течении которых происходит оплавление стыкуемых поверхностей. Дуговой промежуток при взрыве и горении импульсной дуги заполняется парами свариваемого металла, находящимися под высоким давлением.
Дуговая стадия разряда длится до тех пор, пока давление паров не снизится до значения, несколько меньшего, чем усилие пружины.
Если усилие, передаваемое пружиной детали не превышает определенного значения, расплавленный дугой металл лишь частично
15
выплескивается из сварочной ванны и соединение происходит за счет совместной кристаллизации металла. При увеличении давления сварка очищенных поверхностей осуществляется в твердом состоянии.
Особый интерес представляет вопрос оценки давления паров металла в искровом разряде при УКС. Исследователи [57] обнаружили экспериментально и расчетным путем торможение механизма соударения силами, возникающими в импульсной дуге. Ими могли быть электромагнитные силы или силы электростатического поля, а также механические воздействия, обусловленные увеличением плотности газа в искровом промежутке при испарении свариваемых материалов. При
плотностях тока (10-10)А/см2, выделяющаяся на электродах весьма б
большая энергия не успевает заметно рассеяться и передается очень небольшому по размеру участку поверхности металла, в результате этого он взрывообразно испаряется. Испарение металла электродов в этот период происходит в виде струй или факелов, имеющих скорость истечения несколько тысяч метров в секунду [58]. Качественный расчет показывает, что давление в области контакта может достигать 100 МПа. Как было установлено многочисленными исследователями искрового разряда, струи пара, или факелы,- распространяются нормально к поверхности электродов [33] и могут механически воздействовать на противоположный электрод, а так же создавать реактивное давление на поверхность испарения.
Для определения происхождения сил, создавших повышенное давление в дуге, и порядка величины этого давления Р. Хольманом [59] был поставлен эксперимент с маятниковым механизмом.
Эксперименты показали, что угол отклонения маятника, соответствующий среднему усилию, действующему на электроды, не зависит от диаметра проволоки. Это свидетельствует о слабом влиянии на давление электромагнитных и электростатических сил, пропорциональных плотности тока.
16
Fcp,H
900 i 800 700 -
600
медь
сталь алюминии
Рис1.3. Зависимость средних сил, действующих на электроды, Fcp от квадрата
среднего значения сварочного тока 12ср.
|