Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG LƯỢNG QUÁ TRÌNH DẬP XUNG ĐIỆN TỪ STUDY THE INFLUENCE OF TECHNOLOGY PARAMETERS TO ENERGY ELECTROMAGNETIC FORMING Lại Đăng Giang Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội danggiang248@gmail.com TÓM TẮT Dập xung điện từ trình dập tốc độ cao sử dụng lực từ tác dụng lên bề mặt phôi tạo nguồn lượng thiết bị - lượng dập xung điện từ Năng lượng phụ thuộc vào thông số công nghệ hệ "Thiết bị - dụng cụ - phôi" Trong báo sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Box - Dray để nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến lượng trình dập xung điện từ đưa phụ thuộc lượng xung từ vào thông số công nghệ hệ "Thiết bị - dụng cụ - phôi" Từ khóa: dập xung điện từ, nguồn lượng thiết bị, số vòng dây, tần số thiết bị ABSTRACT Electromagnetic (EM) forming is a high-speed forming process that uses the forces induced on a conductive workpiece by energy of equipmet - energy electromagnetic forming This energy depends on the technological parameters of the "equipmet - inductor - blank" In the paper uses experimental planning theories Box - Dray to study the influence of technological parameters to the energy produced by electromagnetic forming process and dependence of energy electromagnetic forming on the technological parameters of the "equipmet - inductor - blank" Keywords: electromagnetic forming, energy of equipment, the number coil of the inductor, equipmet frequency ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ dập tạo hình chi tiết phương pháp dập xung điện từ trình biến đổi vật lý phức tạp bao gồm hình thành lực điện từ (gây biến dạng) biến đổi học phôi (phôi bị biến dạng) Sơ đồ nguyên lý trình dập xung điện từ hình Hình Sơ đồ nguyên lý trình dập xung điện từ 1-thiết bị tạo cung từ; 2-tụ điện; 3-bộ phóng điện; 4-vòng cảm ứng; 5-hệ thống điều khiển; 6-máy biến thế; 7-điốt; 8-phôi 495 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khi dòng điện chạy vòng cảm ứng phôi chiều ngược chiều làm xuất lực cảm ứng từ đẩy hụt gây biến đổi học phôi trình biến dạng tạo hình phôi Việc hình thành lực cảm ứng từ gây biến dạng phôi phụ thuộc nhiều vào lượng thiết bị cung cấp Theo [4], lượng thiết bị cung cấp cần thiết cho trình biến dạng phôi xác định theo công thức: I p2 ⋅ L p W= + M p − cu ⋅ I cu ⋅ I cu Trong đó: M p-cu - hỗ cảm phôi vòng cảm ứng phụ thuộc vào L p - độ tự cảm phôi; I p , I cu - dòng điện chạy qua phôi vòng cảm ứng Đại lượng hỗ cảm M p-cu phụ thuộc vào đặc tính phôi vòng cảm ứng khe hở phôi vòng cảm ứng Các giá trị dòng điện I p , I cu phụ thuộc vào thiết bị tạo xung từ Nguồn lượng có vai trò quan trọng trình dập xung điện từ Vì dập xung điện từ cần thiết phải xác định giá trị tối ưu nguồn lượng cung cấp cho thiết bị nhằm tối ưu hóa trình dập Để làm điều cần phải lựa chọn thông số công nghệ trình dập xung điện từ ảnh hưởng đến nguồn lượng thiết bị GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Có nhiều thông số công nghệ ảnh hưởng đến trình dập xung điện từ Tùy thuộc vào sơ đồ công nghệ mô hình toán học trình mà đưa thông số công nghệ khác Về bản, thông số công nghệ chia thành ba nhóm bao gồm: Các thông số đặc trưng cho thiết bị dập xung điện từ chiều dài dây dẫn mạch điện l ; tần số thiết bị tạo dòng điện cảm ứng f TB ; điện dung tụ điện mạch điện thiết bị C ; độ tự cảm mạch điện thiết bị L0 ; Các thông số đặc trưng cho dụng cụ (vòng dây cảm ứng) đường kính vòng cảm ứng D tr , D ng ; chiều dài vòng cảm ứng l cu ; số vòng dây cảm ứng ncu ; điện trở riêng vật liệu vòng dây cảm ứng ρ cu Các thông số đặc trưng cho phôi bao gồm chiều dày phôi s; mô đun đàn hồi vật liệu phôi E; ứng suất chảy phôi σ s ; giới hạn bền vật liệu phôi σ b Đối với trình công nghệ khác xác định thông số công nghệ khác ảnh hưởng đến trình dập xung điện từ hay định đến nguồn lượng cần thiết cung cấp cho thiết bị Việc đặt chế độ làm việc cho thiết bị dập xung điện từ mà đại lượng quan trọng giá trị lượng cần thiết để biến dạng tạo hình chi tiết hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng dụng cụ (vòng cảm ứng) thiết bị (thiết bị tạo xung điện từ) Do đó, việc lựa chọn thông số công nghệ vòng cảm ứng thiết bị để khảo sát lượng cần thiết cho thiết bị nguyên công công nghệ có ý nghĩa quan trọng trình dập xung điện từ Trong phạm vi nghiên cứu, tiến hành xem xét ảnh hưởng thông số công nghệ dụng cụ thiết bị đến giá trị lượng cần thiết thiết bị là: tần số riêng 496 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV thiết bị f TB , kHz; số vòng dây dẫn vòng cảm ứng ncu điện trở riêng vật liệu làm vòng cảm ứng ρ cu Sự lựa chọn khoảng biến thiên thông số dựa sở thiết bị trang bị phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học biến dạng dẻo - Trường đại học Tổng hợp quốc gia Tula - Liên bang Nga Thiết bị thí nghiệm có tần số thay đổi khoảng 25 - 50 Hz; Vòng cảm ứng với số vòng dây thay đổi từ - 15 vòng; Vòng cảm ứng chế tạo từ vật liệu brong BrB2 (có ρ cu = ⋅ 10 −8 Оm.m ), thép 60C2 (có ρ cu = 27 ⋅ 10 −8 Оm.m ) Giá trị biến thiên cụ thể thông số cho bảng Biến đầu vào Xi, Bảng Giá trị biến thiên biến Khoảng thay đổi biến Biến quy đổi xi Xmin…Xmax f TB , kHz x1 25 55 ncu , vòng x2 15 ρcu , Оm.m x3 27 e-8 Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học biến dạng dẻo - Trường đại học Tổng hợp quốc gia Tula - Liên bang Nga với phôi ống làm từ thép 08кп có chiều dài lp = 80 mm đường kính phôi Dp = 60 mm, chiều dày phôi 1mm cho hai nguyên công tóp nong (giãn rộng) để xác định lượng tối ưu cần thiết cho trình tạo hình xung điện từ Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Box - Dray, tiến hành thực nghiệm với ba biến đầu vào số thí nghiệm cần thiết phải thực 10 thí nghiệm Năng lượng trình trình dập điện từ đọc từ hình hiển thị thiết bị Quá trình thực nghiệm thực dụng cụ thí nghiệm đưa hình 2; Phôi sản phẩm sau dập đưa hình a) b) Hình Dụng cụ (vòng cảm ứng từ) thí nghiệm a- vòng cảm ứng nong; b - vòng cảm ứng tóp 497 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) b) c) Hình Phôi sản phẩm dập xung điện từ a - phôi; b - sản phẩm tóp; c - sản phẩm nong (giãn rộng) Tiến hành thực nghiệm thu số kết sau: Bảng Kết thí nghiệm nguyên công tóp № W (KJ) x1 x2 x2 -1 -1 -1 28,255 +1 -1 -1 28,801 -1 +1 -1 11,542 -1 -1 +1 31,9616 +0,1925 +0,1925 -1 13,652 -1 +0,1925 +0,1925 15,491 +0,1925 -1 +0,1925 30,976 -0.2912 +1 +1 14,589 +1 -0.2912 +1 20,236 10 +1 +1 -0.2912 13,071 Bảng Kết thí nghiệm nguyên công nong № W (KJ) x2 x1 x2 -1 -1 -1 171,431 +1 -1 -1 165,574 -1 +1 -1 70,104 -1 -1 +1 184,535 +0,1925 +0,1925 -1 75,633 -1 +0,1925 +0,1925 88,624 +0,1925 -1 +0,1925 175,646 -0.2912 +1 +1 79,778 +1 -0.2912 +1 102,017 10 +1 +1 -0.2912 68,953 Dựa kết thí nghiệm đạt được, tính toán theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, hàm mục tiêu toán xây dựng có dạng sau: 498 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khi tóp: W = 16.787 − x1 ⋅ 0.03950 − x2 ⋅ 8.5103 + x3 ⋅ 1.3955 − x1 ⋅ x3 ⋅ 0.30768 − − x2 ⋅ x3 ⋅ 0.14901 − x12 ⋅ 0.20633 + x22 ⋅ 5.3505 − x32 ⋅ 0.36859 Khi nong (giãn rộng): W = 91.549 − x1 ⋅ 5.2394 − x2 ⋅ 50.231 + x3 ⋅ 4.3469 − x1 ⋅ x3 ⋅ 2.4961 + + x2 ⋅ x3 ⋅ 0.2468 − x12 ⋅ 0.8988 + x22 ⋅ 34.408 − x32 ⋅ 2.6893 Từ mối liên hệ toán học lượng nguồn cung cấp cho thiết bị thông số thiết bị phần cảm ứng xây dựng đồ thị mối liên hệ sau: Với phần cảm ứng chế tạo từ brong BrB2 (có ρv = ⋅10−8 Оm.m ) lượng xung cần thiết nhỏ lớn là: + Khi tóp Wmin = 11,9 kJ; Wmax = 29,1 kJ; + Khi nong Wmin = 61,2 kJ; Wmax = 171,5 kJ a) Khi tóp b) Khi nong Hình 4: Sự phụ thuộc lượng xung từ vào ncu fTB vòng cảm ứng chế tạo từ brong BrB2 Với phần cảm ứng chế tạo từ thép 60C2 (có ρ v = 27 ⋅ 10 −8 Оm.m ) lượng xung cần thiết nhỏ lớn là: + Khi tóp Wmin = 13,7 kJ; Wmax = 31,4 kJ; + Khi nong Wmin = 66,6 kJ; Wmax = 184,2 kJ a) Khi tóp b) Khi nong Hình 5: Sự phụ thuộc lượng xung từ vào ncu fTB vòng cảm ứng chế tạo từ thép 60C2 499 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thay đổi số vòng dây vòng cảm ứng, xây dựng mối quan hệ lượng xung từ với tần số thiết bị điện trở riêng vật liệu chế tạo vòng cảm ứng nhận đưa hình hình Khi lượng xung cần thiết nhỏ lớn là: + Khi tóp với vòng cảm ứng ncu = 10 vòng Wmin = 15,2 kJ; Wmax = 17,4 kJ; Khi tóp với vòng cảm ứng ncu = 15 vòng Wmin = 12,2 kJ; Wmax = 14,1 kJ; + Khi nong với vòng cảm ứng ncu = 10 vòng Wmin = 86,6 kJ; Wmax = 99,9 kJ Khi nong với vòng cảm ứng ncu = 15 vòng Wmin = 64,6 kJ; Wmax = 84,2 Kj a) b) Hình 6: Sự phụ thuộc lượng nguyên công tóp vào ρ cu fTB a- Khi số vòng dây ncu = 10; b- Khi số vòng dây ncu = 15 a) b) Hình 7: Sự phụ thuộc lượng nguyên công nong vào ρ cu fTB a- Khi số vòng dây ncu = 10; b- Khi số vòng dây ncu = 15 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Từ đồ thị biểu diễn mối quan hệ lượng cung cấp cho thiết bị thông số công nghệ thiết bị vòng cảm ứng ta nhận thấy rằng: 500 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khi dập xung điện từ phôi ống cho hai nguyên công tóp nong, vòng cảm ứng chế tạo từ vật liệu brong BrB2, thép 60C2 với số vòng thay đổi từ đến 15 vòng lượng xung từ tỷ lệ nghịch với chiều tăng số vòng vòng cảm ứng tỷ lệ thuận với chiều giảm điện trở riêng vật liệu làm vòng cảm ứng; Khi tăng tần số làm việc thiết bị giảm điện trở riêng vật liệu làm vòng cảm ứng lượng xung từ giảm Năng lượng xung từ nhỏ cần thiết cho trình dập đạt lựa chọn giá trị tối ưu tần số thiết bị, số vòng dây vòng cảm ứng mà cụ thể ncu = 10 ÷ 15 vòng f TB ≈ 55 kHz; Nếu vật liệu làm vòng cảm ứng từ brong BrB2 (có ρ v = ⋅10 −8 Оm.m ) tăng số vòng dây vòng cảm ứng (từ 10 vòng lên thành 15 vòng) lượng xung từ tóp giảm 20%, nong giảm 26%; Nếu giữ nguyên số vòng dây dẫn vòng cảm ứng ncu = 10 mà thay đổi vật liệu làm vòng cảm ứng từ thép 60C2 (có ρ v = 27 ⋅10 −8 Оm.m ) sang brong BrB2 (có ρ v = ⋅10 −8 Оm.m ), có nghĩa giảm điện trở riêng vật liệu làm vòng cảm ứng gần lần lượng cần thiết cho trình dập giảm 13% TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Белый И.В., Фертик С М., Хименко Л Т Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов // - Харьков; Вища школа, 1977 - 168 с [2] Магнитно-импульсная обработка металлов / Изд 3-е доп.- Воронеж: ЭНИКМАШ, 1976.- 182 с [3] Кухарь В Д., Проскуряков Н Е., Пасько А Н Моделирование процессов собрки деталей давлением импульсного магнитного поля (ИМП) // Кузнечноштамповочное производство 1996 № С 2-3 [4] Лай Д З Управление формой импульса давления при электромагнитной штамповке // Сборник МГТУ «МАМИ» - ААИ – 2012 с – 145-148 [5] Лай Д З Моделирование операций электромагнитной штамповки трубчатых заготовок с использованием пакета MATLAB/Simulink // Известия ТулГу 2013 Вып Тула: ТулГУ С 50-56 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Lại Đăng Giang - Phó chủ nhiệm Bộ môn Gia công áp lực - Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật quân 236 Hoàng Quốc Việt, Bắc Từ Liêm, Hà Nội Email: danggiang248@gmail.com; 0985.821.014 501