Электромеханическая установка на базе генератора мощных токовых импульсов

Разработана электромеханическая установка, которая содержит электромагнитный соленоид с поршнем, работающим в режиме возвратно-поступательного движения. Технологии с подобными режимами работы широко используются в различных отраслях промышленности (машиностроительной, металлургической, горнодобывающей, механотронике, робототехнике, в качестве прессов при ковке и штамповке, а также отбойных молотков в устройствах дробления угля, руды и породы). В качестве источника питания электромеханического устройства используется экономичный генератор мощных однополярных импульсов тока с уникальными системами, которые позволяют в широком диапазоне и с высоким быстродействием регулировать основные параметры: частоту воспроизведения импульсов, амплитуду. Принцип действия генератора основан на периодическом разряде предварительно заряженных конденсаторов на низкоомную активно-индуктивную нагрузку. Генератор содержит силовую часть, состоящую из блока разряда конденсаторов на нагрузку, систему управления генератором (СУГ), состоящую из блока заряда конденсаторов (реверсивный тиристорный преобразователь со встречнопараллельно включенными тиристорными мостами), узел перезаряда, систему автоматического регулирования САУ. По известным уравнениям рассчитаны параметры механической и электрической частей электромеханического устройства: начальная координата поршня; магнитодвижущая сила, возникающая из-за изменения индуктивности L(x); сила упругости пружины; сила сопротивления поршню, пропорциональная скорости его перемещения; силовое воздействие на поршень; амплитуда, длительность и частота воспроизведения импульсов тока. В среде Матлаб–Симулинк разработана имитационная модель установки. Построены графики переходных процессов при работе установки на холостом ходу и под нагрузкой. Проведен анализ режимов работы установки. Разработанная электромеханическая установка для воздействия на нагрузку с целью ее разрушения или деформации на базе генератора мощных импульсов тока с системой автоматического регулирования параметров позволяет с высоким быстродействием регулировать параметры процесса: усилие и пройденное поршнем расстояние.

электромеханическая установка, генератор мощных импульсов тока, конденсаторная батарея, зарядное устройство, тиристорный коммутатор

1. Электростимулированная пластичность металлов и сплавов / В.Е. Громов, Л.Б. Зуев, Э.В. Козлов, В.Я. Целлермаер. – М.: Недра, 1996. – 290 с.

2. Electrically assisted forming: modeling and control / W.A. Salandro, J.J. Jones, C. Bunget, L. Mears, J.T. Roth. – Basel, Switzerland: Springer, 2014. – 376 p.

3. Jones J.J., Mears L., Roth J.T. Electrically-assisted forming of magnesium AZ31: effect of current magnitude and deformation rate on forgeability // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2012. Vol. 134. No. 3. Article 034504.

4. Bunget C., Salandro W.A., Mears L., Roth J.T. Energy-based modeling of an electrically-assisted forging process. – In book: 38th Annual North American Manufacturing Research Conference (NAMRC 38). – Kingston, ON, Canada, 2010. P. 647 – 654.

5. Hong S., Jeong Y., Chowdhury M.N., Chun D., Kim M., Han H.N. Feasibility of electrically assisted progressive forging of aluminum 6061-T6 alloy // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2015. Vol. 64. No. 1. P. 277 – 280.

6. Perkins T.A., Kronenberger T.J., Roth J.T. Metallic forging using electrical flow as an alternative to warm/hot working // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2007. Vol. 129. No. 1. P. 84 – 94.

7. Li X., Wang F., Li X., Zhu J., Tang G. Mg–3Al–1Zn alloy strips processed by electroplastic differential speed rolling // Materials Science Technology. 2016. Vol. 33. No. 2. P. 215 – 219.

8. Kozlov A.V., Mordyuk B.N., Chernyashevsky A.V. On the additivity of acoustoplastic and electroplastic effects // Materials Science and Engineering: A. 1995. Vol. 190. No. 1-2. P. 75 – 79.

9. Egea A.J.S., Rojas H.A.G., Celentano D.J., Peiro J.J. Mechanical and metallurgical changes on 308L wires drawn by electropulses // Materials and Design. 2016. Vol. 90. P. 1159 – 1169.

10. Zhang J., Tang G.Y., Yan Y.J., Fang W. Effect of current pulses on the drawing stress and properties of Cr17Ni6Mn3 and 4J42 alloys in the cold-drawing process // Journal of Materials Processing Technology. 2002. Vol. 120. No. 1-3. P. 13 – 16.

11. Ulutan D., Pleta A., Mears L. Electrically-assisted machining of titanium Alloy Ti-6Al-4V and nickel-based alloy IN-738: an investigation // ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2015. Paper No. MSEC2015-9465.

12. Jones E., Jones J. J., Mears L. Empirical modeling of direct electric current effect on machining cutting force // ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2013. Paper No. MSEC2013-1229.

13. Hameed S., Rojas H.A.G., Egea A.J.S., Alberro A.N. Electroplastic cutting influence on power consumption during drilling process // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 87. No. 5-8. P. 1835 – 1841.

14. Zhang D., To S., Zhu Y.H., Wang H., Tang G.Y. Static electropulsinginduced microstructural changes and their effect on the ultraprecision machining of cold-rolled AZ91 alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. Vol. 43. No. 4. P. 1341 – 1346.

15. Ji R., Liu Y., Zhang Y., Dong X., Chen Z., Cai B. Experimental research on machining characteristics of SiC ceramic with end electric discharge milling // Journal of Mechanical Science and Technology. 2011. Vol. 25. No. 6. P. 1535 – 1542.

16. Ruszkiewicz B.J., Mears L. Electrically assisted compression of tungsten carbide and its implications for electrically assisted machining // ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2016. Paper No. MSEC2016-8554.

17. Langer J., Hoffmann M.J., Guillon O. Direct comparison between hot pressing and electric field-assisted sintering of submicron alumina // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. No. 18. P. 5454 – 5465.

18. Grasso S., Sakka Y., Maizza G. Electric current activated/ assisted sintering (ECAS): A review of patents 1906–2008 // Science and Technology of Advanced Materials. 2009. Vol. 10. No. 5. P. 053001.

19. Munir Z.A., Quach D.V., Ohyanagi M. Electric current activation of sintering: a review of the pulsed electric current sintering process // Journal of the American Ceramic Society. 2011. Vol. 94. No. 1. P. 1 – 19.

20. Skovron J.D., Ruszkiewicz B.J., Mears L. Effect of electrical augmentation on the joining of Al6063-T5 using flow drill screws // ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2016. Paper No. MSEC2016-8578.

21. Ferrando W.A. The Concept of electrically assisted friction stir welding (EAFSW) and application to the processing of various metals // Naval Surface Warfare Center, Bethesda, MD. 2008. Report No. NSWCCD-61-TR- 2008/13.

22. Liu X., Lan S., Ni J. Electrically assisted friction stir welding for joining Al 6061 to TRIP 780 steel // Journal of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 219. P. 112 – 123.

23. Santos T.G., Miranda R.M., Vilaca P. Friction stir welding assisted by electrical joule effect // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. No. 10. P. 2127 – 2133.

24. Santos T.G., Lopes N., Machado M., Vilaca P., Miranda R. Surface reinforcement of AA5083-H111 by friction stir processing assisted by electrical current // Journal of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 216. P. 375 – 380.

25. Stolyarov V.V. Deformability and nanostructuring of TiNi shape-memory alloys during electroplastic rolling // Materials Science and Engineering. A. 2009. Vol. 503. No. 1. P. 18 – 20.

26. Ng M.K., Li L., Fan Z., Gao R.X., Smith E.F., Ehmann K.F., Cao J. Joining sheet metals by electrically-assisted roll bonding // CIRP Annals. 2015. Vol. 64. No. 1. P. 273 – 276.

27. Bramley A.N., Jeswiet J., Micari F., Duflou J., Allwood J. Asymmetric single point incremental forming of sheet metal // CIRP Annals Manufacturing Technology. 2005. Vol. 54. No. 2. P. 623 – 649.

28. Neveux T., Ruszkiewicz B.J., Grimm T., Roth J.T., Ragai I. Electrically assisted global springback elimination after single point incremental forming // ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2016. Paper No. MSEC2016-8813.

29. Ruszkiewicz B.J., Roth J.T., Johnson D.H. Locally applied direct electric current’s effect on springback of 2024-T3 aluminum after single point incremental forming // ASME International Manufacturing Science and Engineering Сonference. 2015. Paper No. MSEC2015-9429.

30. Khal A., Ruszkiewicz B.J., Mears L. Springback evaluation of 304 stainless steel in an electrically assisted air bending operation // ASME International Manufacturing Science and Engineering Сonference. 2016. Paper No. MSEC2016-8736.

31. Grimm T.J., Roth J.T., Ragai I. Electrically assisted global springback elimination in AMS-T-9046 titanium after single point incremental forming // ASME International Manufacturing Science and Engineering Сonference. 2016. Paper No. MSEC2016-8811.

32. Patent 8,021,501 B2 US. Single point incremental forming of metallic materials using applied direct current / Roth J. Penn State Research Foundation, University Park, PA (US). 2011.

33. Fan G., Gao L., Hussain G., Wu Z. Electric hot incremental forming: a novel technique // Int. Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008. Vol. 48. No. 15. P. 1688 – 1692.

34. Shi X., Gao L., Khalatbari H., Xu Y., Wang H., Jin L. Electric hot incremental forming of low carbon steel sheet: accuracy improvement // Int. Journal of Advance Manufacturing Technology. 2013. Vol. 68. No. 1-4. P. 241 – 247.

35. Bao W., Chu X., Lin S., Gao J. Experimental investigation on formability and microstructure of AZ31B alloy in electropulseassisted incremental forming // Materials and Design. 2015. Vol. 87. P. 632 – 639.

36. Honarpisheh M., Abdolhoseini M.J. Experimental and numerical investigation of forming force of Ti6Al4V sheet in electric hot incremental forming process of a conical part // Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2017. Vol. 49. No. 2. Р. 143 – 146.

37. Xu D.K., Lu B., Cao T.T., Zhang H., Chen J., Long H., Cao J. Enhancement of process capabilities in electrically-assisted double sided incremental forming // Materials and Design. 2016. Vol. 92. P. 268 – 280.

38. Xie H., Dong X., Peng F., Wang Q., Liu K., Wang X., Chen F. Investigation on the electrically-assisted stress relaxation of AZ31B magnesium alloy sheet // Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 227. P. 88 – 95.

39. Adams D., Jeswiet J. Single-point incremental forming of 6061-T6 using electrically assisted forming methods // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B - Journal of Engineering Manufacture. 2014. Vol. 228. No. 7. P. 757 – 764.

40. Valoppi B., Egea A.J.S., Zhang Z., Rojas H.A.G., Ghiotti A., Bruschi S., Cao J. A hybrid mixed double-sided incremental forming method for forming Ti6Al4V alloy // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2016. Vol. 65. No. 1. P. 309 – 312.

41. Nguyen-Tran H.D., Oh H.S., Hong S.T., Han H.N., Cao J., Ahn S.H., Chun D.M. A review of electrically-assisted manufacturing // Int. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. Green Technology. 2015. Vol. 2. No. 4. P. 365 – 376.

42. Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals // Journal Materials Research. 2010. Vol. 25. No. 7. P. 1215 – 1224.

43. Жмакин Ю.Д., Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е., Кузнецов В.А. Генератор мощных токов импульсов на запираемых тиристорах // Промышленная энергетика. 2010. № 6. С. 39 – 41.

44. Жмакин Ю.Д., Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е., Кузнецов В.А. Частотно-регулируемый генератор мощных токовых импульсов с обратной связью по амплитуде // Промышленная энергетика. 2011. № 1. С. 28 – 31.

45. Афанасьев А.П., Борисова С.Ю. Моделирование и анализ реакции электромеханического устройства на случайное механическое воздействие // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2016. № 4 (25). С. 9 – 18.

46. Черных И.В. SIMULINK – среда для создания инженерных приложений. – М.: Диалог-МИФИ, 2004. – 491 c.

47. Розанов Ю.К., Кравцов Д.В. Экспериментальное определение характеристик элементов электромеханических систем с использованием частотных методов // Электротехника. 2000. № 7. С. 9 – 13.

48. Жмакин Ю.Д., Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е., Кузнецов В.А. Автоматизированная электровзрывная установка для повышения эксплуатационных характеристик материалов // Промышленная энергетика. 2011. № 6. С. 22 – 26.

49. Кузнецов В.А., Громов В.Е., Кузнецова Е.С., Гагарин А.Ю., Косинов Д.А. Аппаратурное обеспечение электростимулированной обработки металлов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 2. С. 157 – 163.