Электрогидравлическая технология обработки металлов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ»

Electrohydraulic Treatment of Metals
Electrohydraulic treatment of metals appeared not long ago, in the middle of XX century, and became a widespread technology significant for different kinds of industrial production. This time the author tells about the history of impulse pressure shaping technology.

Электрогидравлическое воздействие на материалы сегодня очень широко используется в различных сферах производства. А возникла эта технология совсем недавно, в середине прошлого столетия, и в первую очередь как технология импульсной обработки металлов давлением.

М.И. Баранов,
зав. отделом электромагнитных испытаний, НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ», г. Харьков

Первые исследования в области импульсной обработки металлов с помощью метода электрогидравлического воздействия были проведены в конце 50-х годов прошлого века советскими учеными Л.А. Юткиным, С.М. Поляком, А.П. Сорочинским, Ю.Е. Шамариным и др. Результаты этих технологических исследований показали возможность использования электрогидравлического эф­фекта (ЭГЭ), возникающего в жидкости при электрическом взрыве (ЭВ) в ней металлической проволочки или при электрическом пробое самой жидкости. В Украине работы по созданию и внедрению импульсной технологии обработки металлов на базе ЭВ и ЭГЭ были сконцентрированы с 60-х годов ХХ столетия в проектно-конструкторском бюро электрогидравлики (ПКБЭ) АН УССР (г. Николаев). Здесь с применением электроимпульсной обработки материалов первоначально были разработаны научные основы технологии запрессовки металлических труб в трубных решетках для теплообменных аппаратов (например, парогенератора типа ПГВ-1000 для атомных электростанций). Поисками оптимальных параметров этого электровзрывного технологического процесса занимались А.И. Луковкин, В.Г. Степанов, А.П. Сорочинский, Б.Я. Мазуровский и др. Для ЭВ-запрессовки труб были созданы специальные ЭВ-патроны и электротехнологические установки (Т0223, Т0226Б и др.). В дальнейшем благодаря использованию энергии ЭВ проводников были достигнуты определенные успехи в электроимпульсной сварке труб O16 мм и толщиной 2,5 мм из нержавеющей стали (10ГН2МФА или 10Х2М) с решетками из такой же стали указанных теплоэнергетических аппаратов. Данные работы позволили получать надежные сварные соединения труб с трубными решетками и обеспечивать в них герметичность до давлений пара в 300 атм и более. Благодаря научно-техническим работам в ПКБЭ АН УССР в этот период были созданы первые советские электрогидравлические установки (ЭГУ) для импульсной штамповки металлов ЭВ (например, типа Т1220, Т1226А и др.). На практике в ЭГУ используются электрические разряды с запасаемой в ГИТ электрической энергией от нескольких сот джоулей до сотен килоджоулей. Основные электрофизические закономерности формирования токопроводящего канала в разрядном промежутке (РП) электродной системы ЭГУ были исследованы в ряде научных работ украинских ученых указанного проектно-конструкторского бюро. В проводящих жидкостях, используемых при электрогидравлической импульсной обработке металлов, имеет место тепловое развитие их электрического пробоя. При этом скорость ввода энергии в жидкость вблизи заостренного потенциального электрода РП электродной системы достигает значений порядка 1010 Вт/кг, обеспечивающих ее взрывное вскипание. Следует заметить, что при рассматриваемой импульсной технологии обработки материалов давление на деформируемую деталь в зоне ЭВ достигает максимальных значений порядка 104 атм, а максимальная температура в канале сильноточного подводного искрового разряда ? значений порядка 105 К.

Электрогидравлическая или иначе называемая электровзрывная импульсная штамповка металлов охватывает практически все виды технологических операций, осуществляемых в области холодной обработки металлических заготовок давлением. Наибольшее распространение она получила при вытяжке, раздаче, калибровке и рельефной формовке металлических труднообрабатываемых деталей. Иногда этот вид импульсной обработки металлов может использоваться при вырубке, отбортовке и пробивке отверстий сложной формы в листовых заготовках. Вид выполняемой операции, форма и размеры изделия диктуют необходимые для его формообразования основные параметры импульсного электрофизического процесса в цепи ЭГУ: запасаемую в ГИТ электрическую энергию, которая определяет необходимое в жидкости деформирующее давление, и количество разрядных токовых импульсов от ГИТ, проходящих через РП в разрядной камере с жидкостью и определяемых требуемой работой деформации для обрабатываемых изделий. Эффективность применения электровзрывной штамповки металлов определяется, главным образом, сокращением затрат на изготовление технологической оснастки и сроков подготовки производства к освоению выпуска новой номенклатуры деталей из металла.

Большой вклад в становление и развитие в Украине электровзрывной технологии обработки металлов был внесен доктором технических наук, профессором Григорием Афанасьевичем Гулым.

 Один из основоположников в бывшем СССР импульсной электротехнологии обработки металлов ударными нагрузками от ЭВ и ЭГЭ — д.т.н., проф. Г.А. Гулый (1932–2000 гг.).

Профессор Г.А. Гулый долгое время возглавлял ПКБЭ АН УССР (ныне Институт импульсных процессов и технологий (ИИПТ) НАН Украины). Именно при его непосредственной работе в украинских академических организациях ПКБЭ и ИИПТ был разработан типоразмерный ряд ЭГУ для обработки металлов импульсным давлением, который включал такие типы ЭВ-прессов, как Т1220, Т1223 и Т1226 на запасаемую электрическую энергию в 10; 20; 40; 80 и 160 кДж.

Мощные ЭГУ были использованы при штамповке и калибровке крупногабаритных деталей сложной формы из труднодеформируемых материалов при единичном и мелкосерийном производстве. При этом диаметр обрабатываемых в жидкости ударными волнами за счет ЭГЭ крупногабаритных оболочек толщиной до 3 мм достигал до 900 мм, а их длина — до 2400 мм. Применение ЭГУ в литейном производстве страны позволило осуществить технологические процессы очистки металлических отливок от формовочных смесей и выбивки из них формовочных стержней, что способствовало повышению уровня автоматизации и механизации на финишных операциях данного тяжелого с социально-гигиенических и экологических позиций промышленного производства. Этот способ очистки отливок от сопутствующих неметаллических материалов нашел широкое применение не только в Украине, но и в Японии, России и Китае.

В настоящее время электровзрывная импульсная технология нашла свое новое применение при обработке жидкого расплава или кристаллизующегося металла. Электровзрывное воздействие на расплав металла заключается в генерировании в нем путем ЭГЭ периодических акустических волн давления сравнительно низкой частоты. Они улучшают гидродинамику перемешивания жидкого металла, а также процесс его кристаллизации и повышают тем самым качество отлитого металла. При таком способе импульсной обработки расплавленного металла электроразрядными генераторами, содержащими мощные ГИТ, обеспечивается высокая пиковая мощность в воздействующем на металл электрическом импульсе (до 1010 Вт) и весьма широкий спектр частот в генерируемом через волновод импульсе волны (от десятка герц до 3 кГц).

В последние годы в ИИПТ НАН Украины были созданы специальные ЭГУ (типа «Скиф 4М»), предназначенные для интенсификации добычи нефти и природного газа. Следует отметить, что такому компактному высоковольтному электрогидравлическому погружному оборудованию приходиться работать в неблагоприятных внешних условиях: давление в нефте- и газоносных пластах достигает 500 атм, а температура — 373 К. Кроме того, чрезвычайно стесненные условия размещения в агрессивных средах глубинных ЭГУ (диаметр промысловых скважин не превышает 147 мм) диктуют особые решения возникающих перед специалистами электротехнических задач (например, в области высоковольтной изоляции ГИТ при его длине до 5000 мм и элементов разрядного контура установки). Особенностью погружных ЭГУ с коаксиальной силовой электрической цепью разряда является то, что их высоковольтный импульсный конденсатор, газонаполненный сильноточный коммутатор и разрядная электродная система помещаются в стальной трубчатый корпус малого диаметра (порядка 140 мм), опускаемый на высоковольтном кабеле в стальную обсадную трубу скважины на глубину нескольких сотен метров. Амплитуда разрядного тока в ЭГУ достигает 15 кА при длительности первой полуволны около 15 мкс. В настоящее время подобные погружные ЭГУ (типа «Скиф 140») нашли применение при электроимпульсной обработке водозаборных скважин с целью очистки призабойных зон и повышения производительности водных источников.

Кроме того, ЭГЭ нашел применение и при полимеризации мономерных жидкостей в химическом производстве. В бывшем СССР первыми в мире заменили компрессорный метод создания высокого давления (до 100 атм и выше) в химических автоклавах с полимеризуемым мономером на электрогидравлический удар. При этом достигается импульсное давление в десятки тысяч атмосфер и за десятки микросекунд происходит полимеризация всей массы мономерной жидкости.

Сейчас электрогидравлическая импульсная технология достаточно активно внедряется в области, далекие от обработки металлов: для производства фруктовых смесей, обеззараживания сокостружечных смесей и соков, инактивации микроорганизмов в жидких средах.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.